РЕГУЛИРУЮЩАЯ ПОВОРОТНАЯ ДИАФРАГМА РАДИАЛЬНОГО ТИПА С РЕБРОМ ЖЕСТКОСТИ И ГОФРОМ Российский патент 2008 года по МПК F01D25/24 

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению, в частности к турбостроению.

Уровень техники

Радиальные регулирующие поворотные диафрагмы широко применяются в турбинах малой мощности (см. «Паровые турбины малой мощности КТЗ», Москва, Энергоатомиздат, 1987 г., стр.129-131 [1], Веллер В.Н. «Автоматическое регулирование паровых турбин», Москва, издательство «Энергия», 1977 г., стр.176-180 [2], «Энергомашиностроение», 1979 г., №3, стр.37-39 [3]). Конструкция радиальной диафрагмы, разработанная к турбине ПТ-12-35/10 м, длительное время находит свое применение для турбин данного типа.

Неоспоримы преимущества данной радиальной диафрагмы над аксиальной и лопастной поворотными диафрагмами, недостатки которых проявились в полной мере за полувековой опыт эксплуатации [2].

Преимущества радиальных поворотных диафрагм:

- радиальный подвод пара, обеспечивающий полную разгрузку поворотной диафрагмы в виде цилиндрического кольца от прижимающих усилий при симметричном расположении окон клапанов на всем диапазоне работы регулирующей диафрагмы;

- широкий диапазон проектирования и осуществления клапанного подвода пара в сопловую коробку диафрагмы от поворотной в неповоротную диафрагму;

- высокая технологичность изготовления сопловой коробки (неподвижной диафрагмы) и поворотного кольца, простота выполнения окон;

- возможность выполнения как с дроссельным, так и с сопловым регулированием паровпуска;

- упрощение, в связи с минимальными усилиями управления кольцом, всей системы регулирования и парораспределения турбины;

- высокая экономичность;

- кольцевая поворотная регулирующая диафрагма, обеспечивая возможность соплового парораспределения вместо дроссельного парораспределения аксиальной диафрагмы, имеет дополнительную паровую камеру (9 фиг.1, фиг.2) между регулирующим органом и рядовой аэродинамической диафрагмой, что практически полностью исключает эффект увлажнения пара при протекании через узкую щель за счет поочередного (дискретного) открытия пароподводящих окон снизу на значительную часть канала.

Недостатками регулирующей поворотной диафрагмы, выполненной в виде цилиндрического кольца, являются:

- отсутствие жесткости и, естественно, коробление; заедания при движении;

- сравнительно большая утечка пара через зазоры в местах радиального, а в других конструкциях и аксиального направлениях;

- применение при изготовлении в сварно-литой конструкции при изготовлении сталей перлитного класса, пропитывание по специальному технологическому процессу с сульфидом молибдена трущихся поверхностей кольца и сопловой коробки.

Все недостатки проявили себя при установке диафрагмы на турбине ПТ-25-90 ОАО «КТЗ» в одном из головных образцов завода.

Именно на одной из ТЭЦ Свердловской области шла большая работа в период 1965-1971 г. по промышленной применимости диафрагмы в промышленном и теплофикационном отборах.

Глубокого анализа и изучения не проводилось по ряду причин, в том числе из-за временной остановки производства турбин данного типа.

Основным заказчиком теплофикационных турбин в СССР являлся в те годы Уральский турбомоторный завод, который применял аксиальные диафрагмы.

На упомянутой ТЭЦ, в связи с переводом турбины на противодавление, диафрагма ЦНД перестала существовать, а ЦСД была заменена на аксиальную.

На этом этапе работы были прекращены. Последняя публикация Г.Ф.Харицкого была выпущена в журнале Энергомашиностроение 1979 г. №3, где автор изложил концепцию завода на эти диафрагмы только типа ПТ-12-35/10 [3].

В своей монографии «Автоматическое регулирование паровых турбин» В.Н.Веллер ясно и однозначно указал на положительные и отрицательные стороны диафрагм цилиндрической формы [2].

Разгрузка усилий на плоскую диафрагму, примененная на турбинах ОАО "ЛМЗ", по опыту эксплуатации оказалась неработоспособной при определенных условиях, а применение современных плоских аксиальных диафрагм зависит от зазора между плоскостями поясков и создает большие проблемы в эксплуатации на турбинах серии Т ЗАО "Уральского Турбинного Завода" (см. Бенесон Е.И., Иоффе Л.С.«Теплофикационные паровые турбины», Москва, издательство «Энергия», 1976 г., стр.182-188 [4]).

Для исключения коробления кольцевого цилиндра следует разрабатывать и совершенствовать жесткую конструкцию как самой сопловой диафрагмы, так и поворотного кольца.

Относительно зазоров следует руководствоваться следующими двумя факторами.

1. Зазоры не должны в сумме обеспечивать при закрытом положении обороты холостого хода выше, чем n=50%, от номинальных при всех номинальных параметрах турбины.

2. Охлаждать последние ступени в моторном режиме агрегата.

Основной причиной остановки производства и продвижения у турбины ПТ-25-90 радиальных диафрагм являлось отсутствие жесткости поворотного кольца. По этой причине турбину приходилось вскрывать, иногда через лючки «ослаблять» разъем, а в последнем варианте до замены диафрагмы на аксиальную усилили сервомотор ЦСД (с исключением вскрытия цилиндра) подключением сервомотора ЧНД на одну тягу. Диафрагма как-то работала до капитального ремонта, после чего была заменена.

Нельзя утверждать, что работоспособность радиальных диафрагм продвинулась бы за счет изготовления их из сталей перлитного класса.

Итак, за аналог принимается поворотная диафрагма турбины типа ПТ-12-35/10 [3] и турбины ПТ-25-90 ОАО КТЗ, бывшая в эксплуатации определенное время на Качканарской ТЭЦ с 1965 года.

С учетом вышеизложенного, по факту устанавливаем радиальную поворотную диафрагму в цилиндре низкого давления турбины типа Т-110/120-130 (фиг.1) между ступенями 24 и 26 фиг.2, где 8 - поворотная диафрагма, а 7 - направляющая неподвижная диафрагма.

Сущность изобретения

Осуществление технического результата определяет симметричность как неподвижной, так и поворотной диафрагм. Симметричность предполагает линейные и радиальные размерности заключать в знак равенства как по окружности, так и по диаметру, с одной стороны, но и включать в себя напряжения сопрягаемых деталей.

Если единственный разъем обеих диафрагм необходим, то и применение того или иного способа соединения (фланец, болт в корпусах, накладки) выбирается с точки зрения симметричности, переходящей в соразмерность, одинаковость в значениях по противоположным сторонам от точки, т.е. центра окружностей и оси, проходящей по ней как прямой, плюс плоскости, например, при организации боковых фланцев, ребер жесткости.

Данные логические решения при проектировании поворотной диафрагмы не должны носить нагромождение и в этом механика, как наука, легче помогает выполнить и перенести моделированием решения задачи на различные диаметры от освоенных турбин ПТ-12-35/10 частично освоенные диафрагмы части среднего давления ЧСД и части низкого давления ЧНД турбины ПТ-25-90/10 ОАО КТЗ до турбины Т-250/240 ЗАО УТЗ.

На фиг.2 представлен разрез цилиндра низкого давления с диафрагмой.

Снимаем существующую аксиальную поворотную диафрагму. Вместо аксиальной регулирующей диафрагмы поз.8 (фиг.1) устанавливается рабочая ступень, рассчитанная по 24 и 26 ступеням. Диафрагма 7 обработана для установки в обойме неподвижной диафрагмы 1 (фиг.3). Соответственно обрабатывается наружная поверхность обоймы 1 для установки на ней неподвижной регулирующей диафрагмы радиального типа 5 (фиг.4).

Предложенная изобретением кольцевая диафрагма радиального типа изображена в разрезе на фиг.4.

Исходными данными проектирования предложенной диафрагмы являются следующие

1. Для работоспособности диафрагмы необходим зазор между сопловой коробкой и поворотным кольцом на всем диапазоне внутри по диаметру Д.

2. Соблюдение зазоров надлежит выполнять с учетом деформаций обеих диафрагм, ибо диафрагмы могут принимать вместо формы окружности при исполнении и термообработке в свободном состоянии форму эллипса в рабочем состоянии.

3. При монтажном зазоре, определяемом требованием по величине прохода пара в необходимом количестве для охлаждения и не повышения числа оборотов при сбросе нагрузки, необходимо, кроме перечисленного, уложиться в относительном радиальном диапазоне смещения диафрагм, исключающем их заклинивание с учетом ребристых заплечиков (6, фиг.4).

4. Для получения технического результата необходимо иметь ближайшую взаимную окружную симметричность кольцевых форм как неподвижной, так и подвижной диафрагм, т.е. они должны иметь в своей конструкции элементы, придающие им абсолютные диаметральные и радиальные вертикально-горизонтальные усилия, сохраняющие форму окружности.

5. Неподвижная диафрагма (поз.5, фиг.4), как и подвижная диафрагма (поз.3 фиг.4), должна в работе не терять в проточке и расточке взаимную форму по окружности с зазором.

Это осуществляется присутствием обратных элементов, а именно влияние конструкций в разъемах должно компенсироваться теми же силами напряжения при расхождении кольца в вертикальном положении, т.е. установления рабочих ребер-заплечиков (поз.6, фиг.4). Следует учесть при расчете и проектировании их степени свободы и назначения как аксиальных направляющих. Сопловая неподвижная диафрагма (поз.2 фиг.4) жестко крепится к корпусу обоймы диафрагм 24-26 ступеней цилиндра турбины 1, и ее движение от центра в любом положении зависит от расширения корпуса диафрагм 24-26 ступеней во всех направлениях. Возможность применения прокладки, например, из фторполимеров на таком диаметре имеется.

Таким образом, при обработке в фазе проточки соприкасаемого размера можно скомпенсировать и учесть эллипсность.

6. Основной зазор по расточке и проточке сопловой коробки следует учесть по степени свободы ее от нижней точки опоры до свободы в горизонтали и вертикали т.е. с пониманием температур в ЦНД по вертикали.

Эти моменты бывают не учтены. Например, то же «ухо» в поворотном кольце при нагревании тянет кольцо от центра при отсутствии такого же усилия с противоположной стороны, и как было сказано выше, необходимо иметь эти же усилия в перпендикулярной к этим усилиям плоскости, т.е. усилия одного «уха» должны, по крайней мере, компенсироваться еще в трех точках по окружности. При движении парой сил этого явления нет.

Разъем поворотного кольца, не учтенный при усилиях перпендикулярного направления, делал кольцо эллипсным, и это было доказано на рабочих диафрагмах работающего образца турбины типа ПТ-25-90.

В разрезе по ширине сопловой коробки нет особых сложностей. Обращаясь к поворотному кольцу аналога [3, стр.38, рис.2], видно, что ребра жесткости имеют разные высоты. Диафрагму выворачивает по оси, а с учетом элементов она принимает позицию восьмерки.

В предлагаемой конструкции учитывается влияние эллипсности, т.е. подбираются расчетные ребра.

С целью исключения выполнения диафрагм по высоте в форме усложненных высоких рам, все усилия поворотного кольца переносятся на жесткое кольцевое ребро жесткости (поз.4, фиг.4), расположенное внутри него.

Кольцо не дает диафрагме принимать форму эллипса как внутрь к центру, так и на относительное увеличение окружности.

В данной конкретной ситуации упрощение конструкции является определяющим фактором.

В сопловой диафрагме для размещения ребра жесткости 4 имеется специальная камера-гофр 5, фиг.4. Ее предназначение не только определять положение жесткого гребня, но и служить гофром.

Представляя собой жесткие упрощенные конструкции, исключающие лишние элементы, обе диафрагмы становятся работоспособными.

Регулирование подачи пара в проточную часть осуществляется четырьмя клапанами, диаметрально расположенными по окружности в разрезе А-А (фиг.5).

Первый клапан №1 имеет четыре окна, как и клапаны №2, №3, №4, попарно расположенные в горизонтали и вертикали.

Развертка по окружности фиг.5 пропускает весь объем пара, поступающего в цилиндр. Таким образом, получая сопловое парораспределение, обеспечивается возможность установить в ступени расчетную диафрагму на всем диапазоне работы ступени.

В предложенной конструкции отсутствует заклинивание диафрагм при расчетном ходе сервомотора, уменьшается трение, снижение коэффициента трения происходит за счет применения привода парой сил, приложенной к поворотной диафрагме.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является упрощение конструкции как самой сопловой диафрагмы, так и поворотной диафрагмы, а также размещение цилиндрической радиальной поворотной диафрагмы в средней части цилиндра низкого давления паровых теплофикационных турбин серии Т.

Согласно настоящему изобретению регулирующая поворотная диафрагма содержит цилиндрическую радиальную сопловую неподвижную диафрагму четырехклапанной конструкции, покрытую цилиндрическим кольцом, представляющим собой поворотную радиальную диафрагму. Регулирующая поворотная диафрагма выполнена симметричной, неподвижная диафрагма имеет гофр, а цилиндрическое кольцо содержит жесткий гребень. Неподвижная диафрагма и цилиндрическое кольцо установлены в средней части цилиндра низкого давления турбины серии Т. Жесткий гребень цилиндрического кольца размещен внутри гофра неподвижной диафрагмы.

Основным признаком является введение полной симметричности выполненных конструкций. Впервые введено ребро жесткости как элемент жесткости, а сопловая диафрагма в гофрированном исполнении также служит элементом жесткости.

Технический результат заключается в реализации назначения как жесткого гребня, так и гофра.

В данном устройстве имеются:

- наличие конструктивного элемента - жесткого гребня на наружном кольце;

- наличие гофра как элемента на внутреннем кольце;

- оба элемента связаны по форме выполнения и геометрически определяют взаимное расположение;

- каждый элемент выполняет свои функции при изменении параметров отбора.

Например, при сбросе электрической и тепловой нагрузки подвижная диафрагма, резко поворачиваясь, при этом закрывая плотно окна клапанов неподвижной диафрагмы, не подвергается деформации.

Найденная форма выполнения элементов определяется их связью по работе, параметрам, их взаимосвязью в работе по параметрам пара.

Обладая высокой экономичностью, данное устройство не представляет собой сложную технологическую задачу, выполнимо не только в новом проектировании, но и в модернизации огромного парка турбин, находящихся в эксплуатации.

Особенностью данного проекта является его мобильность как со стороны соплового парораспределения, так и управления одним, либо двумя сервомоторами.

Кроме того, исключаются эффект увлажнения пара, необходимость снижать нагрузку турбины для «оживления» диафрагмы и выполнять проточку уплотняющих поясков при проведении капитального ремонта.

В осуществлении изобретения возможно применение конструктивных элементов аксиальных уплотнений, выполненных различными известными приемами конструктивного характера: шнуры-усики, сегменты, например из фторполимеров и т.д.

Примерный вариант развертки парораспределения обеих половин, разделенных жестким гребнем и гофром, показан на фиг.5.

В конкретном случае задача решается фирменным расчетом парораспределения.

При всех исходных данных на проектирование необходимо рассматривать поворотную диафрагму радиального типа как регулирующий орган, а не защитный.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показан продольный разрез турбины Т-110/120-130 ЗАО «Уральский турбинный завод» с поворотной диафрагмой 1.

На фиг.2 представлена регулирующая диафрагма аксиального типа, состоящая из подвижной 8 и неподвижной диафрагм 7, установленная с двух сторон средней части цилиндра, поскольку у турбины типа Т часть низкого давления двухпоточная. Диафрагма имеет прямоугольные окна. Регулирование дроссельное, одноклапанное и, конечно, весьма затратное. Неподвижная диафрагма 7 снимается.

На фиг.3 показан разрез со снятой поворотной диафрагмой.

Вместо диафрагмы установлена расчетная диафрагма 24 и 26 ступеней 7, фиг.3.

Тело диафрагмы обработано под установку в обойму 1, фиг.3. Обойма неподвижной диафрагмы 1, фиг.3-4, служит опорой неподвижной диафрагмы 5 с соответствующей проточкой по диаметру Д1.

На фиг.4 в разрезе изображена собранная и установленная в исходное рабочее положение радиальная регулирующая диафрагма с ребром жесткости 4 и гофром 5.

Ребро жесткости 4, фиг.4, установленное в поворотной диафрагме 3, в свою очередь входит в гофр 5 неподвижной диафрагмы 2.

Сборка с установленным ротором заключается в поворотной укладке нижней половины неподвижной диафрагмы 2, скрепленной с обоймой 1 спецболтами (на фиг.4 не показаны).

Верхняя половина 2 крепится к нижней по внутреннему фланцу гофра 5.

Нижняя половина поворотной диафрагмы 3, накрывая неподвижную диафрагму 2, по заплечикам 6, фиг.4, поворачивается и скрепляется с верхней половиной 3 наружным фланцем.

Пара поворотных кронштейнов конструктивно располагается на подвижной диафрагме 3.

На фиг.5 показана развертка по окружности А-А.

Изображена типовая конструкция четырехклапанной радиальной поворотной диафрагмы. Показано взаимное положение полного закрытия.

В принципе, зазор на охлаждение лопаток может отсутствовать на изготовленной диафрагме, заведомо организованный для охлаждения последних ступеней. Все зависит от апробации головного образца и испытаний при продувках диафрагмы.

Возможность получения указанного технического результата

Итак, симметричность, умноженная на достаточные стальные качества, а также применение радиальных ребер добавляют и наполняют решение задачи. Профилирование окон выполняется по известным методикам и не требует особых теоретических и экспериментальных изысканий.

Технический результат и опыт использовании, полученные за некоторое время проработавшей в турбине ПТ-25-90 радиальной диафрагмы до модернизации, подтвердили преимущества радиальных поворотных диафрагм по сравнению с аксиальными.

Экономичность многоклапанного парораспределения не оспорима, а малоразмерные сервомоторы позволяют повысить устойчивость работы регулирования за счет снижения усилий в них. Кроме этого, сервомоторы просты в изготовлении.

Осуществление изобретения

Осуществление данного изобретения представляет собой достаточно целесообразный проект, т.к. сравнительные исследования экономичности радиальных диафрагм весьма перспективны. Опыты по экономичности в работе плоских диафрагм были проведены не в одной системе ОАО «Свердловэнерго». Получен достаточный материал по низкому коэффициенту полезного действия части низкого давления турбин серии Т.

Все технологические операции по изготовлению поворотной диафрагмы не кроют в себе каких-либо «ноу-хау» по технологии исполнения.

Для монтажных размеров не представляется сложности в обработке деталей как в условиях завода, так и на любом участке, имеющем оборудование, необходимое по габаритам узлов.

Не является сложной операцией по трудоемкости разборка цилиндра низкого давления для доводки диафрагмы.

Трущиеся поверхности будут освобождены от усилий, как указано выше, приложенной парой сил, привод которой осуществляется в рабочем проектировании в СКВ (т) ЗАО «УТЗ».

Регулирующая поворотная диафрагма содержит цилиндрическую радиальную сопловую неподвижную диафрагму четырехклапанной конструкции, покрытую цилиндрическим кольцом, представляющим собой поворотную радиальную диафрагму. Регулирующая поворотная диафрагма выполнена симметричной, неподвижная диафрагма имеет гофр, а цилиндрическое кольцо содержит жесткий гребень. Неподвижная диафрагма и цилиндрическое кольцо установлены в средней части цилиндра низкого давления турбины серии Т. Жесткий гребень цилиндрического кольца размещен внутри гофра неподвижной диафрагмы. Изобретение позволяет повысить экономичность и упростить конструкцию регулирующей поворотной диафрагмы, а также исключить эффект увлажнения пара, необходимость снижать нагрузку турбины для «оживления» диафрагмы и выполнять проточку уплотняющих поясков при проведении капитального ремонта. 5 ил.

Регулирующая поворотная диафрагма, содержащая цилиндрическую радиальную сопловую неподвижную диафрагму четырехклапанной конструкции покрытую цилиндрическим кольцом, представляющим поворотную радиальную диафрагму, отличающаяся тем, что регулирующая поворотная диафрагма выполнена симметричной, неподвижная диафрагма имеет гофр, а цилиндрическое кольцо содержит жесткий гребень, при этом неподвижная диафрагма и цилиндрическое кольцо установлены в средней части цилиндра низкого давления турбины серии Т, а жесткий гребень цилиндрического кольца размещен внутри гофра неподвижной диафрагмы.