КОЛЬЦЕВОЙ НЕПОДВИЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ПАРОВОЙ ТУРБИНОЙ И ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2014 года по МПК F01D9/04 F01D5/18 F01D25/12 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится, в общем, к охлаждению вращающегося элемента и, более конкретно, к охлаждению полости ротор-статор в ступени паровой турбины.

По меньшей мере, некоторые известные неподвижные и вращающиеся элементы, находящиеся в паротурбинных двигателях, подвергаются воздействию температуры, давления и центробежных нагрузок во время нормальной эксплуатации. Конструкция секций высокого давления (HP) и/или промежуточного давления (IP) известных паротурбинных двигателей может быть сложной из-за высоких температур и давлений пара, подаваемого в паровую турбину, и из-за медленного изменения характеристик, испытываемого такими элементами. Известные температуры и давления, которые удовлетворяют аэродинамическим и термодинамическим проектным требованиям, по меньшей мере, для некоторых известных турбин, требуют соответствующего приемлемого механического конструктивного решения. Известные конструктивные решения сосредоточены на материалах и/или геометрии лопаток и ротора, рабочих температурах и/или давлениях паровой турбины и/или на решениях системы трубопроводов снаружи от пути потока пара.

Чтобы достичь приемлемой механической конструкции для некоторых известных элементов паровой турбины, некоторые известные конструкции требуют, чтобы такие элементы подвергались воздействию более низких температур пара, чем температуры, воздействию которых обычно подвергаются такие же элементы во время нормальной эксплуатации известных секций турбины. Однако ограничение рабочих температур и давлений в турбине ограничивает термодинамическое расчетное пространство и может привести к снижению производительности турбины.

Одно известное конструктивное решение предполагает изменение геометрии и материалов ротора для создания ротора, приемлемого для долгосрочной эксплуатации без обеспечения наружного охлаждения. Однако такие геометрии, обычно более дорогостоящие, снижают эффективность ступени и/или требуют дорогостоящих материалов с более высокими характеристиками, чем конструкции, в которых используется соответствующая схема охлаждения. В одной известной схеме охлаждения используются трубы, проложенные через путь потока пара для подачи охлаждающего потока пара. Например, такие трубы могут быть расположены в ступенях первичного промежуточного перегрева и двухпоточных ступенях турбины. Такие трубы, однако, создают препятствие в основном потоке пара и добавляют сложности системе.

Из документа SU 681197 А1 известен кольцевой неподвижный элемент паровой турбины, содержащий внутреннее кольцо с образованной в нем внутренней полостью, наружное кольцо с образованной в нем наружной полостью и одну аэродинамическую поверхность, продолжающуюся между внутренним кольцом и наружным кольцом. Охлаждающая текучая среда поступает из наружной полости во внутреннюю полость через проходное отверстие аэродинамической поверхности, а затем выпускается из внутренней полости для охлаждения близлежащего вращающегося элемента. Однако в таком неподвижном элементе не предусмотрено множество проходных отверстий во внутреннем кольце, соединенных с внутренней полостью, что снижает эффективность охлаждения близлежащего вращающегося элемента.

Из документа SU 1673734 А1 известна паровая турбина, содержащая вал ротора, колесо ротора, соединенное с валом ротора, множество лопаток, соединенных с колесом ротора. Данная паровая турбина также содержит кольцевой неподвижный элемент, аналогичный упомянутому в документе SU 681197 А1, в котором отсутствует множество проходных отверстий во внутреннем кольце, соединенных с внутренней полостью. В связи с этим эффективность охлаждения близлежащего вращающегося элемента в такой паровой турбине также будет снижена.

Раскрытие изобретения

В качестве первого объекта предложен кольцевой неподвижный элемент для использования с паровой турбиной (100), причем упомянутый неподвижный элемент содержит:

радиально наружное первое кольцо (228), содержащее первую полость (262), образованную в нем, и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с первой полостью (262) и продолжающихся радиально от первой полости (262);

радиально внутреннее второе кольцо (226), содержащее вторую полость (242) и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), образованные в нем, причем вторая полость (242) связана по потоку с упомянутым, по меньшей мере, одним выпускным отверстием (244), причем второе кольцо (226) расположено радиально внутри упомянутого первого кольца (228); и

по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212), продолжающуюся между упомянутым первым кольцом (228) и упомянутым вторым кольцом (226), причем упомянутая, по меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280), продолжающееся сквозь нее от первого конца упомянутой аэродинамической поверхности до второго конца упомянутой аэродинамической поверхности, причем упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности соединено с, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца и упомянутой второй полостью (242), при этом упомянутый, по меньшей мере, один канал (264) первого кольца имеет первый диаметр, а упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности имеет второй диаметр, который меньше первого диаметра.

При этом упомянутая вторая полость (242) представляет собой кольцевой паз (246), образованный в наружной поверхности (248) упомянутого второго кольца (226), и упомянутая первая полость (262) представляет собой кольцевой паз (266), который образован в наружной поверхности (268) первого кольца (228), и в неподвижном элементе упомянутое множество каналов первого кольца продолжается от упомянутой первой полости (262) до радиально внутренней поверхности (276) упомянутого первого кольца.

При этом в указанном неподвижном элементе упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности выровнено, по существу, коаксиально с, по меньшей мере, одним каналом первого кольца, а упомянутое, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244) выполнено с возможностью выпуска охлаждающей текучей среды (236) в полость (216) ротор-статор после упомянутого неподвижного элемента.

При этом второе кольцо (226) содержит множество выпускных отверстий (244), образованных сквозь него, при этом количество упомянутых выпускных отверстий соответствует количеству упомянутых аэродинамических поверхностей (212), продолжающихся между упомянутым первым кольцом (228) и упомянутым вторым кольцом (226).

В качестве второго объекта предусмотрена паровая турбина (100), содержащая:

вал (140) ротора;

по меньшей мере, одно колесо ротора (206), соединенное с упомянутым валом ротора;

множество лопаток (202), соединенных с по меньшей мере одним колесом ротора;

неподвижный элемент (204), соединенный с корпусом паровой турбины, причем упомянутый неподвижный элемент присоединен перед упомянутым множеством лопаток так, что между ближней поверхностью (218) упомянутого колеса ротора и дальней поверхностью (220) упомянутого неподвижного элемента образована полость (216) ротор-статор, причем упомянутый неподвижный элемент содержит:

радиально наружное первое кольцо (228), соединенное с упомянутой паровой турбиной, причем указанное первое кольцо содержит первую полость (262) и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с упомянутой первой полостью и продолжающихся радиально от упомянутой первой полости по направлению к упомянутому валу ротора;

радиально внутреннее второе кольцо (226), соединенное с упомянутой паровой турбиной радиально вовнутрь от упомянутого первого кольца, причем упомянутое второе кольцо содержит, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), продолжающееся через упомянутую дальнюю поверхность неподвижного элемента и связанное по потоку с упомянутой полостью ротор-статор; и

по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212), продолжающуюся между упомянутым первым кольцом и упомянутым вторым кольцом, причем упомянутая, по меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности, образованное между, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца и упомянутым, по меньшей мере, одним выпускным отверстием (244), при этом упомянутый, по меньшей мере, один канал (264) первого кольца имеет первый диаметр, а упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности имеет второй диаметр, который меньше упомянутого первого диаметра; и

путь (264, 280, 244) потока охлаждающей текучей среды, образованный через, по меньшей мере, упомянутое множество каналов первого кольца, упомянутое проходное отверстие аэродинамической поверхности и упомянутое выпускное отверстие второго кольца, при этом упомянутый путь потока охлаждающей текучей среды выполнен с возможностью направления охлаждающей текучей среды в упомянутую полость ротор-статор.

При этом в паровой турбине (100) упомянутая первая полость (262) образована под радиально наружной поверхностью упомянутого первого кольца, а каждый упомянутый канал первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца продолжается от упомянутой первой полости (262) до радиально внутренней поверхности (276) упомянутого первого кольца, причем упомянутое первое кольцо (228) содержит уплотнение (252), установленное между упомянутой первой полостью (262) и основным путем (214) потока пара, при этом упомянутый основной путь потока пара образован через упомянутое множество лопаток (202) и упомянутый неподвижный элемент.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид примера осуществления паротурбинного двигателя.

Фиг.2 - сечение примера осуществления первой ступени турбины, которая может использоваться с паровой турбиной, показанной на Фиг.1.

Фиг.3 - вид в перспективе примера осуществления неподвижного элемента, который может использоваться со ступенью турбины, показанной на Фиг. 2.

Осуществление изобретения

Фиг.1 - схематический вид примера осуществления паротурбинного двигателя 100 со встречным потоком, включающего в себя секцию 102 высокого давления (HP) и секцию 104 промежуточного давления (IP). Оболочка или корпус 106 HP разделен аксиально на верхнюю и нижнюю полусекции 108 и 110, соответственно. Аналогичным образом, оболочка 112 IP разделена аксиально на верхнюю и нижнюю полусекции 114 и 116, соответственно. В примере осуществления изобретения оболочки 106 и 112 представляют собой внутренние корпусы. В соответствии с другим вариантом, оболочки 106 и 112 представляют собой наружные корпусы. В примере осуществления изобретения оболочки 106 и 112 герметизированы так, что окружающий воздух не допускается в двигатель 100. Центральная секция 118, расположенная между секцией 102 HP и секцией 104 IP, включает в себя паровое сопло 120 высокого давления и паровое сопло 122 промежуточного давления.

Кольцевой разделитель 134 секций продолжается радиально внутрь от центральной секции 118 по направлению к валу 140 ротора, который продолжается между секцией 102 HP и секцией 104 IP. Более конкретно, разделитель 134 продолжается по окружности вокруг участка вала 140 ротора между первым входным соплом 136 секции HP и первым входным соплом 138 секции IP. Разделитель 134 принимается в канал 142.

Во время эксплуатации паровое сопло 120 высокого давления принимает пар 144 высокого давления/высокой температуры из источника пара, например энергетического котла (не показан). Пар 144 пропускается через секцию 102 HP из входного сопла 136, при этом из пара 144 извлекается работа для вращения вала 140 ротора через множество лопастей турбины или лопаток 202 (Фиг.2 и 3), которые связаны с валом 140. Каждый комплект лопаток 202 включает в себя соответствующую диафрагму 204 (показана на Фиг. 2 и 3), которая облегчает пропускание пара 144 к связанным лопаткам 202. Пар 144 выходит из секции 102 HP и возвращается в бойлер, в котором он повторно нагревается. Повторно нагретый пар 146 затем пропускается в паровое сопло 122 промежуточного давления и возвращается в секцию 104 IP через входное сопло 138 при сниженном давлении по сравнению с паром 144, входящим в секцию 102 HP, но при температуре, которая приблизительно равна температуре пара 144, входящего в секцию 102 HP. Работа извлекается из пара 146 в секции 104 IP способом, по существу аналогичным способу, используемому для секции 102 HP, через систему неподвижных и вращающихся элементов. Соответственно, рабочее давление в секции 102 HP выше, чем рабочее давление в секции 104 IP, так что пар 144 в секции 102 HP стремится течь по направлению к секции 104 IP через пути утечки, которые могут развиваться между секцией 102 HP и секцией 104 IP.

В примере осуществления паротурбинный двигатель 100 представляет собой комбинацию паровой турбины высокого давления и промежуточного давления со встречным потоком. В соответствии с другим вариантом, паротурбинный двигатель 100 может использоваться с любой отдельной турбиной, включая, но не ограничиваясь турбинами низкого давления. В дополнение к этому, настоящее изобретение не ограничивается использованием с паровыми турбинами со встречным потоком, но, напротив, также может использоваться с конфигурациями паровых турбин, которые включают, но не ограничиваются однопоточными и двухпоточными паровыми турбинами.

Фиг.2 - сечение примера осуществления первой ступени 200 турбины, которая может использоваться с паротурбинным двигателем 100. Фиг.3 - вид в перспективе диафрагмы 204, которая может использоваться со ступенью 200 турбины. В примере осуществления изобретения диафрагма 204 изготовлена из легированных сталей, например из поковок или прутка с 12% хрома (Cr) или лучше. Более того, в примере осуществления изобретения внешняя геометрия диафрагмы 204 является любой известной внешней геометрией для неподвижного элемента в паровой турбине.

В примере осуществления изобретения ступень 200 турбины включает в себя первое входное сопло 136 секции высокого давления. Хотя ступень 200 турбины описана здесь как первая ступень турбины для использования в паровой турбине высокого давления, варианты осуществления, описываемые здесь, не ограничиваются только использованием с первой ступенью, но, напротив, могут использоваться с любой ступенью турбины и/или любой паровой турбиной, имеющей применяемый к ней поток охлаждающей текучей среды. В примере осуществления ступень 200 включает в себя рабочее колесо 206 и диафрагму 204. Рабочее колесо 206 включает в себя ряд 208 лопаток 202, а диафрагма 204 включает в себя ряд 210 аэродинамических поверхностей 212. Основной путь 214 потока образуется через секцию 102 высокого давления (Фиг.1) так, что пар 144 (Фиг.1) течет через аэродинамические поверхности 212 и лопатки 202 во время эксплуатации турбины. Более конкретно, каждая аэродинамическая поверхность 212 направляет пар 144 дальше через аксиально прилежащие лопатки 202. Дополнительно к этому образуется полость 216 ротор-статор между ближней поверхностью 218 колеса 206 и дальней поверхностью 220 диафрагмы 204. В примере осуществления колесо 206 связано с валом 140 ротора (Фиг.1), и каждая лопатка вращает колесо 206 и вал 140 ротора, когда пар 144 контактирует с лопаткой 202. В примере осуществления каждая лопатка 202 включает в себя уплотнение 222, которое связано с лезвием 224 лопатки.

В примере осуществления диафрагма 204 включает в себя неподвижное внутреннее кольцо 226 и неподвижное наружное кольцо 228. Внутренний конец 232 аэродинамической поверхности 212 связан с внутренним кольцом 226, а наружный конец 230 аэродинамической поверхности 212 связан с наружным кольцом 228. В примере осуществления внутреннее кольцо 226 включает в себя уплотнение 234 ротора, которое расположено вблизи вала 140 ротора для предотвращения протекания пара 144 и/или охлаждающей текучей среды 236 между внутренним кольцом 226 и валом 140 ротора. В примере осуществления охлаждающая текучая среда 236 представляет собой охлаждающий пар. В соответствии с другим вариантом, охлаждающая текучая среда 236 представляет собой любую текучую среду, пригодную для охлаждения ступени 200, которая позволяет паротурбинному двигателю 100 функционировать, как здесь описано.

Более того, в примере осуществления внутреннее кольцо 226 также включает в себя уплотнение 238 колеса, которое расположено вблизи ближнего выступа 240 колеса для облегчения предотвращения протекания пара 144 из основного пути 214 потока в полость 216 ротор-статор. Внутреннее кольцо 226 также включает в себя внутреннюю полость 242 для охлаждающей текучей среды и множество выпускных отверстий 244 для охлаждающей текучей среды. В примере осуществления внутренняя полость 242 представляет собой кольцевой паз 246, образованный в наружной поверхности 248 внутреннего кольца 226. Более того, в примере осуществления внутренняя полость 242 и каждое выпускное отверстие 244 образованы неразъемно во внутреннем кольце 226. В одном варианте осуществления внутреннее кольцо 226 представляет собой неразъемный элемент. В альтернативном варианте осуществления внутреннее кольцо 226 выполнено из множества сегментов (не показано). Дополнительно к этому, в примере осуществления каждое выпускное отверстие 244 для охлаждающей текучей среды продолжается от внутренней полости 242 через дальнюю поверхность 220 диафрагмы. В примере осуществления ось 250 выпускного отверстия 244 ориентирована по существу перпендикулярно радиусу турбины R (Фиг.1). В другом варианте осуществления ось 250 выпускного отверстия ориентирована наклонно относительно радиуса турбины R.

В примере осуществления наружное кольцо 228 включает в себя паровое уплотнение 252, которое расположено вблизи парового сопла 120 высокого давления (Фиг.1) для облегчения предотвращения протекания пара 144 между наружным кольцом 228 и оболочкой 106 (Фиг.1). Паровое уплотнение 252 может быть или внутри диафрагмы 204, или на граничной поверхности 254, образованной между диафрагмой 204 и оболочкой 106. В примере осуществления наружное кольцо 228 также включает в себя уплотнение 256 колеса, которое расположено на дальней поверхности 258, и уплотнение 260 лопатки, связанное с внутренней поверхностью. Уплотнения 256 и 260 облегчают предотвращение протекания пара 144 из основного пути 214 потока в оболочку 106. Более конкретно, в примере осуществления уплотнение 260 лопатки приспособлено для зацепления с уплотнением 222 лезвия лопатки.

Наружное кольцо 228 также включает в себя наружную полость 262 для охлаждающей текучей среды и множество каналов 264 для охлаждающей текучей среды. В примере осуществления наружная полость 262 представляет собой кольцевой паз 266, который образован в наружной поверхности 268 наружного кольца 228. Более того, в примере осуществления наружная полость 262 образована только на первом участке 270 наружного кольца 228. На втором участке 274 наружного кольца 228 образован канал 272, при этом второй участок 274 - это участок наружного кольца 228, не входящий в первый участок 270.

В примере осуществления наружная полость 262 и каждый канал 264 образован неразъемно с наружным кольцом 228. В одном варианте осуществления наружное кольцо 228 представляет собой неразъемный элемент. В альтернативном варианте осуществления наружное кольцо 228 включает в себя множество сегментов (не показано). Дополнительно к этому, в примере осуществления каждый канал 264 для охлаждающей текучей среды продолжается от наружной полости 262 через наружное кольцо 228 и внутреннюю поверхность 276 наружного кольца. В примере осуществления ось 278 канала 264 ориентирована по существу перпендикулярно радиусу турбины R. В другом варианте осуществления ось 250 выпускного отверстия ориентирована наклонно относительно радиуса турбины R. Более того, в примере осуществления каждый канал 264 имеет одинаковый диаметр D_o. В соответствии с другим вариантом, каждый канал 264 может иметь любую форму, размер и/или ориентацию, которые позволяют двигателю 100 функционировать, как здесь описано.

Каждая аэродинамическая поверхность 212 в примере осуществления включает в себя проходное отверстие 280 аэродинамической поверхности. Ось 282 каждого проходного отверстия 280 аэродинамической поверхности ориентирована по существу параллельно радиусу турбины R. В соответствии с другим вариантом, ось 282 проходного отверстия ориентирована наклонно относительно радиуса турбины R. В примере осуществления проходное отверстие 280 образовано через самый широкий участок 284 каждой аэродинамической поверхности 212 так, что внешняя геометрия аэродинамической поверхности 212 не изменяется проходным отверстием 280. В соответствии с другим вариантом, проходное отверстие 280 может быть образовано в пределах аэродинамической поверхности 212 в любом подходящем месте, которое позволяет двигателю 100 функционировать, как описано здесь, и/или которое обеспечивает независимость внешней геометрии аэродинамической поверхности 212 от проходного отверстия 280.

Более того, в примере осуществления каждое проходное отверстие 280 имеет одинаковый диаметр D_A. В соответствии с другим вариантом, каждое проходное отверстие 280 может иметь любую форму, размер и/или ориентацию, которые позволяют двигателю 100 функционировать, как здесь описано. Диаметр D_A меньше, чем диаметр D_o в примере осуществления. В других вариантах осуществления диаметр D_A может быть больше, чем диаметр D_o, или приблизительно равен ему. Более того, в примере осуществления впускное отверстие 286 проходного отверстия 280 аэродинамической поверхности по существу совмещено с выпускным отверстием 288 канала 264 наружного кольца, и выпускное отверстие 290 проходного отверстия 280 аэродинамической поверхности связано потоком с внутренней полостью 242. Более конкретно, в примере осуществления ось 282 проходного отверстия аэродинамической поверхности по существу коаксиальна с осью 278 канала наружного кольца. В соответствии с другим вариантом, ось 282 может быть отклонена и/или ориентирована наклонно относительно оси 278.

В примере осуществления количество выпускных отверстий 288 наружного кольца равно количеству аэродинамических поверхностей 212, соединенных на первом участке 270 наружного кольца. Аналогичным образом, количество выпускных отверстий 244 равно количеству аэродинамических поверхностей 212, соединенных на первом участке 270 наружного кольца. В альтернативном варианте осуществления количество выпускных отверстий 288 наружного кольца больше или меньше, чем количество аэродинамических поверхностей 212, соединенных на первом участке 270 наружного кольца, и/или количество выпускных отверстий 244 больше или меньше, чем количество аэродинамических поверхностей 212, связанных на первом участке 270 наружного кольца. В другом варианте осуществления количество выпускных отверстий 288 наружного кольца равно количеству аэродинамических поверхностей 212, соединенных на первом участке 270 наружного кольца, и/или количество выпускных отверстий 244 равно количеству аэродинамических поверхностей 212, соединенных на первом участке 270 наружного кольца. Еще в одном варианте осуществления количество выпускных отверстий 288 наружного кольца и/или количество выпускных отверстий 244 не зависит от количества аэродинамических поверхностей 212. В соответствии с другим вариантом, количество и/или размер полости 242 и/или 262, проходного отверстия 280, канала 264, выпускного отверстия 244 и/или аэродинамических поверхностей 212, которые включают проходящее через них проходное отверстие 280, могут быть выбраны для контроля объема охлаждающей текучей среды 236, подаваемой в ступень 200, и/или скорости текучей среды 236 в проходных отверстиях 280, каналах 264 и/или выпускных отверстиях 244.

Во время эксплуатации двигателя 100 пар 144 направляется в секцию 102 высокого давления через паровое сопло 120 высокого давления и по основному пути 214 потока, и охлаждающая текучая среда 236, например охлаждающий пар, направляется в ступень 200 через одну или более труб или каналов (не показаны), которые проникают в оболочку 106 рядом с наружным кольцом 228. Паровое уплотнение 252 облегчает предотвращение попадания пара 144 в наружную полость 262 и/или выпуск текучей среды 236 из наружной полости 262 в основной путь 214 потока. Пар 144 направляется между аэродинамическими поверхностями 212 на лопатки 202 для вращения вала 140 ротора. Уплотнения 222, 260 и/или 238 облегчают обеспечение того, что пар 144 перемещается по основному пути 214 потока, а также облегчают предотвращение утечек в секции 102 высокого давления.

Охлаждающая текучая среда 236 может направляться из любого пригодного источника охлаждающей текучей среды, как, например, источника охлаждающего пара снаружи оболочки 106 и/или 112, дальней ступени (не показана) и/или потока утечки в двигателе 100. В примере осуществления охлаждающая текучая среда поступает в наружную полость 262 и/или канал 272 и выпускается из наружного кольца 228 через каналы 264. Охлаждающая текучая среда 236, выпускаемая из каналов 264, поступает в проходные отверстия 280 аэродинамических поверхностей и затем направляется через проходные отверстия 280 аэродинамических поверхностей перед выпуском из выпускных отверстий 290. Охлаждающая текучая среда 236 поступает во внутреннюю полость 242 из проходных отверстий 280. Охлаждающая текучая среда 236 затем направляется через выпускные отверстия 244 в полость 216 ротор-статор для облегчения охлаждения колеса 206 и/или полости 216 ротор-статор. В примере осуществления охлаждающая текучая среда 236 выпускается из полости 216 ротор-статор по любому пригодному пути потока утечки, который позволяет охлаждающей текучей среде 236 поступать на основной путь 214 потока, через уплотнение 234 ротора, уплотнение 238 и/или балансировочные отверстия (не показаны) и/или по любому другому пригодному пути, который позволяет двигателю 100 функционировать, как описано здесь.

Описанные выше способы и устройство облегчают охлаждение вращающегося элемента в паровой турбине без изменения внешних геометрий элемента, материалов элемента и/или температуры и/или давления пара. Более конкретно, описанная выше диафрагма имеет ограниченное или неограниченное влияние на физическую геометрию пути потока, в то же время подавая необходимый охлаждающий пар для обеспечения надежной долгосрочной эксплуатации ротора паровой турбины с лопатками.

Более того, описанные выше аэродинамические поверхности включают проходные отверстия, через которые охлаждающая текучая среда может течь радиально внутрь, хотя аэродинамические поверхности, используемые в секциях HP и IP паровых турбин, исторически имели сплошное сечение. Как таковые, описанные выше аэродинамические поверхности облегчают охлаждение вращающихся элементов, не требуя труб на пути потока, которые нарушают поток пара. Более того, проходные отверстия внутри аэродинамических поверхностей не влияют на внешний контур аэродинамических поверхностей. Дополнительно к этому, размеры полости, проходного отверстия, канала и/или выпускного отверстия и/или количество аэродинамических поверхностей, которые включают в себя проходящее через них проходное отверстие, могут быть выбраны для контроля подаваемой охлаждающей текучей среды и/или скорости текучей среды в проходных отверстиях, каналах и/или выпускных отверстиях.

Более того, описанная выше диафрагма облегчает охлаждение текучей среды в полости ротор-статор вблизи вращающегося элемента благодаря снижению температуры в полости ротор-статор. Такое снижение температуры полости ротор-статор снижает объемную температуру близлежащего вращающегося элемента. Более того, благодаря направлению охлаждающей текучей среды радиально внутрь из радиально наружной поверхности диафрагмы через наружное кольцо, аэродинамическую поверхность и внутреннее кольцо облегчается снижение температуры наружного кольца, аэродинамической поверхности и/или внутреннего кольца по сравнению с диафрагмами, которые не включают в себя проходящий через них путь потока охлаждающей текучей среды. Описанный выше путь потока охлаждающей текучей среды подает поток охлаждающего пара через неизмененную, известную геометрию ступени для охлаждения рабочего колеса.

Описанный выше способ, в котором проводят охлаждающий пар снаружи герметизированных наружной и/или внутренней оболочек в полость ротор-статор по пути потока, облегчает сведение к минимуму неблагоприятного влияния на производительность турбины благодаря сведению к минимуму геометрического влияния на путь пара по сравнению с конструкциями, которые включают в себя трубы, расположенные на пути пара.

Примеры осуществления способа и устройства для охлаждения вращающегося элемента в паровой турбине подробно описаны выше. Способ и устройство не ограничиваются конкретными вариантами осуществления, описанными здесь, но, напротив, элементы способа и устройства могут использоваться независимо и отдельно от других элементов, описанных здесь. Например, диафрагма может также использоваться в комбинации с другими системами и способами паровых турбин и не ограничивается использованием только с секцией высокого давления паровой турбины, как описано здесь. Разумеется, настоящее изобретение может быть внедрено и использовано в связи со многими другими охлаждающими системами паровых турбин.

Хотя изобретение описано с точки зрения различных конкретных вариантов осуществления, для специалистов в данной области техники очевидно, что изобретение может применяться с модификациями в пределах сущности и объема формулы изобретения.

Кольцевой неподвижный элемент для использования с паровой турбиной (100). Неподвижный элемент содержит радиально наружное первое кольцо (228), радиально внутреннее второе кольцо (226) и, по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212). Первое кольцо (228) содержит первую полость (262), образованную в нем, и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с первой полостью (262) и продолжающихся радиально от первой полости (262). Второе кольцо (226) содержит вторую полость (242) и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), образованные в нем. Вторая полость (242) связана по потоку с выпускным отверстием (244). Второе кольцо (226) расположено радиально внутри первого кольца (228). По меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность (212) продолжается между первым кольцом (228) и вторым кольцом (226). Аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280), продолжающееся сквозь нее. Проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности соединено с, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца и второй полостью (242). Диаметр (D₀) канала (264) первого кольца больше диаметра (D_A) проходного отверстия (280). Облегчается охлаждение вращающегося элемента в паровой турбине без изменения внешних геометрий элемента, материалов элемента, и/или температуры, и/или давления пара для обеспечения надежной долгосрочной эксплуатации ротора паровой турбины с лопатками. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кольцевой неподвижный элемент для использования с паровой турбиной (100), причем упомянутый неподвижный элемент содержит:
радиально наружное первое кольцо (228), содержащее первую полость (262), образованную в нем, и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с первой полостью (262) и продолжающихся радиально от первой полости (262);
радиально внутреннее второе кольцо (226), содержащее вторую полость (242) и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), образованные в нем, причем вторая полость (242) связана по потоку с упомянутым, по меньшей мере, одним выпускным отверстием (244), причем второе кольцо (226) расположено радиально внутри упомянутого первого кольца (228); и
по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212), продолжающуюся между упомянутым первым кольцом (228) и упомянутым вторым кольцом (226), причем упомянутая, по меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280), продолжающееся сквозь нее от первого конца упомянутой аэродинамической поверхности до второго конца упомянутой аэродинамической поверхности, причем упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности соединено с, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца и упомянутой второй полостью (242), при этом упомянутый, по меньшей мере, один канал (264) первого кольца имеет первый диаметр (D₀), а упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности имеет второй диаметр (D_A), который меньше первого диаметра.

2. Неподвижный элемент по п.1, в котором упомянутая вторая полость (242) представляет собой кольцевой паз (246), образованный в наружной поверхности (248) упомянутого второго кольца (226), и упомянутая первая полость (262) представляет собой кольцевой паз (266), который образован в наружной поверхности (268) первого кольца (228).

3. Неподвижный элемент по п.1, в котором упомянутое множество каналов первого кольца продолжается от упомянутой первой полости (262) до радиально внутренней поверхности (276) упомянутого первого кольца.

4. Неподвижный элемент по п.3, в котором упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности выровнено, по существу, коаксиально с, по меньшей мере, одним каналом первого кольца.

5. Неподвижный элемент по п.1, в котором упомянутое, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244) выполнено с возможностью выпуска охлаждающей текучей среды (236) в полость (216) ротор-статор после упомянутого неподвижного элемента.

6. Неподвижный элемент по п.1, в котором упомянутое второе кольцо (226) содержит множество выпускных отверстий (244), образованных сквозь него, при этом количество упомянутых выпускных отверстий соответствует количеству упомянутых аэродинамических поверхностей (212), продолжающихся между упомянутым первым кольцом (228) и упомянутым вторым кольцом (226).

7. Паровая турбина (100), содержащая:
вал (140) ротора;
по меньшей мере, одно колесо ротора (206), соединенное с упомянутым валом ротора;
множество лопаток (202), соединенных с по меньшей мере одним колесом ротора;
неподвижный элемент (204), соединенный с корпусом паровой турбины, причем упомянутый неподвижный элемент присоединен перед упомянутым множеством лопаток так, что между ближней поверхностью (218) упомянутого колеса ротора и дальней поверхностью (220) упомянутого неподвижного элемента образована полость (216) ротор-статор, причем упомянутый неподвижный элемент содержит:
радиально наружное первое кольцо (228), соединенное с упомянутой паровой турбиной, причем указанное первое кольцо содержит первую полость (262) и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с упомянутой первой полостью и продолжающихся радиально от упомянутой первой полости по направлению к упомянутому валу ротора;
радиально внутреннее второе кольцо (226), соединенное с упомянутой паровой турбиной радиально во внутрь от упомянутого первого кольца, причем упомянутое второе кольцо содержит, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), продолжающееся через упомянутую дальнюю поверхность неподвижного элемента и связанное по потоку с упомянутой полостью ротор-статор; и
по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212), продолжающуюся между упомянутым первым кольцом и упомянутым вторым кольцом, причем упомянутая, по меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности, образованное между, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца и упомянутым, по меньшей мере, одним выпускным отверстием (244), при этом упомянутый, по меньшей мере, один канал (264) первого кольца имеет первый диаметр (D₀), а упомянутое проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности имеет второй диаметр (D_A), который меньше упомянутого первого диаметра; и путь (264, 280, 244) потока охлаждающей текучей среды, образованный через, по меньшей мере, упомянутое множество каналов первого кольца, упомянутое проходное отверстие аэродинамической поверхности и упомянутое выпускное отверстие второго кольца, при этом упомянутый путь потока охлаждающей текучей среды выполнен с возможностью направления охлаждающей текучей среды в упомянутую полость ротор-статор.

8. Паровая турбина (100) по п.7, в которой упомянутая первая полость (262) образована в радиально наружной поверхности упомянутого первого кольца.

9. Паровая турбина (100) по п.8, в которой каждый упомянутый канал первого кольца из упомянутого множества каналов первого кольца продолжается от упомянутой первой полости (262) до радиально внутренней поверхности (276) упомянутого первого кольца.

10. Паровая турбина (100) по п.8, в которой упомянутое первое кольцо (228) содержит уплотнение (252), установленное между упомянутой первой полостью (262) и основным путем (214) потока пара, при этом упомянутый основной путь потока пара образован через упомянутое множество лопаток (202) и упомянутый неподвижный элемент.