СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОТЕЧКИ ГАЗА В ТУРБИНЕ И ТУРБИНА Российский патент 2014 года по МПК F02C7/28 F01D11/04 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Варианты выполнения изобретения в целом относятся к турбинам и, более конкретно, к системе, способу и устройству для регулирования протечки газа в турбинах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Турбина, как правило, содержит несколько ступеней, расположенных последовательно. Каждая ступень содержит вращающийся элемент и неподвижный элемент. На каждой из этих ступеней из газового тракта извлекается энергия и преобразуется в энергию вращения вращающегося элемента, что приводит к падению давления на каждой отдельной ступени. Это падение давления на каждой отдельной ступени приводит к увеличению общего осевого усилия в турбине. Часто требуется уравновесить создаваемое осевое усилие для уменьшения механических напряжений в турбине.

[0003] Кроме этого извлечение энергии на различных ступенях сопровождается потерями в каждой отдельной ступени, отдельных корпусах и во всей турбине. Например, в корпусе, связанном со ступенью высокого давления (ВД) турбины, могут происходить потери в виде протечек на конце ступени и между ступенями. Протечками могут быть потоки газа, например потоки пара, которые обходят либо неподвижные, либо вращающиеся элементы турбины. Потоки протечки включают, например, потоки через устройства контроля протечки, такие как уплотнения между ступенями или концевые уплотнения, перетекания на концах и протечки в температурных соединениях, уплотнениях держателя неподвижной лопатки или протечки вдоль горизонтальных соединений. Потоки протечки уменьшают объем потока пара, приводя к уменьшению количества работы, совершаемой потоком, что, в свою очередь, влияет на коэффициент полезного действия турбины.

[0004] Потоки протечки часто приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик турбины. Делаются попытки уменьшить или минимизировать протечки в турбине. Например, делают попытки уменьшить проходы протечек путем уменьшения диаметра уплотнительных прокладок и/или зазора между вращающимися и неподвижными элементами турбины на различных ступенях турбины. Несмотря на то, что эти попытки могут обеспечить уменьшение протечки, в турбине может оставаться относительно существенная протечка.

[0005] Из патента США №5344160 A, МПК F16J 15/447, 1994 г., известен способ регулирования протечки газа в турбине, включающий использование группы расположенных последовательно уплотнений для уменьшения давления обратного потока газа из входа турбины, использование одного или нескольких каналов, которые направляют по меньшей мере часть обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины, и направление части обратного потока газа к указанным точкам в пределах газового тракта через указанные один или несколько каналов. Несмотря на то, что известный способ позволяет достигать снижения протечек, он не раскрывает решения задачи уравновешивания общего осевого усилия, создаваемого обратным потоком газа. Из указанного патента США №5344160 A также известна система для регулирования протечки газа в турбине, содержащая группу уплотнений, которые расположены последовательно и каждое из которых выполнено с возможностью уменьшения давления обратного потока газа из входа турбины, и один или несколько каналов, выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины. Кроме того, из указанного патента США №5344160 A известна турбина, содержащая корпус, элемент, содержащий ротор и вращающиеся лопатки, выступающие из ротора, вход, который обеспечивает поток газа к элементу турбины, уплотнения, расположенные последовательно и выполненные с возможностью принятия обратного потока газа из указанного элемента турбины и уменьшения давления обратного потока газа, и один или несколько каналов, выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта элемента турбины. Хотя в известных системе и турбине достигается снижение протечек, в них не уравновешивается общее осевое усилие, создаваемое обратным потоком газа. Соответственно, существует необходимость в способе, системе и устройстве для регулирования протечки газа в турбине.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Решение поставленной задачи обеспечивается созданием способа регулирования протечки газа в турбине, который включает использование группы расположенных последовательно уплотнений для уменьшения обратного потока газа из входа турбины, использование одного или нескольких каналов, которые направляют по меньшей мере часть обратного потока газа из соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины, направление части обратного потока газа к указанным точкам в пределах газового тракта через указанные один или несколько каналов, и уравновешивание общего осевого усилия, создаваемого обратным потоком газа, общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины. Таким образом, для уменьшения механических напряжений в турбине осевое усилие, создаваемое обратным потоком, уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины. Предпочтительно при уравновешивании общего осевого усилия, создаваемого обратным потоком газа, общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины, могут регулировать соответствующий радиус, связанный с каждым из указанных уплотнений. Предпочтительно при использовании одного или нескольких каналов могут использовать один или несколько каналов в пределах корпуса турбины. Предпочтительно при использовании одного или нескольких каналов могут использовать один или несколько каналов в пределах ротора турбины. Предпочтительно давление обратного потока газа в одной из соответствующих точек в пределах уплотнений может быть приблизительно равно давлению в газовом тракте в соответствующей точке в пределах газового тракта. Предпочтительно при использовании уплотнений могут использовать примерно от четырех до примерно шести уплотнений.

[0007] Решение поставленной задачи обеспечивается также созданием системы для регулирования протечки газа в турбине, содержащей группу уплотнений, которые расположены последовательно и каждое из которых выполнено с возможностью уменьшения давления обратного потока газа из входа турбины, и один или несколько каналов, выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины, при этом общее осевое усилие, создаваемое обратным потоком газа, приблизительно уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины и один или несколько каналов. Таким образом, для уменьшения механических напряжений в турбине осевое усилие, создаваемое обратным потоком, уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины. Предпочтительно в предложенной системе приблизительному уравновешиванию может способствовать регулировка соответствующего радиуса, связанного с каждым из указанных уплотнений. Предпочтительно в предложенной системе указанные один или несколько каналов могут включать один или несколько каналов в пределах корпуса турбины. Предпочтительно в предложенной системе указанные один или несколько каналов могут включать один или несколько каналов в пределах ротора турбины. Предпочтительно в предложенной системе давление обратного потока газа в одной из указанных соответствующих точек в пределах указанных уплотнений может быть приблизительно равно давлению газового тракта в соответствующей точке в пределах газового тракта. Предпочтительно в предложенной системе указанные уплотнения могут содержать примерно от четырех до примерно шести уплотнений.

[0008] Решение поставленной задачи обеспечивается также созданием турбины, содержащей корпус, элемент, содержащий ротор и вращающиеся лопатки, выступающие из ротора, вход, который обеспечивает поток газа к указанному элементу турбины, уплотнения, расположенные последовательно и выполненные с возможностью принятия обратного потока газа из указанного элемента турбины и уменьшения давления обратного потока газа, и один или несколько каналов, выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта элемента турбины, при этом общее осевое усилие, создаваемое обратным потоком газа, приблизительно уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины. Таким образом, для уменьшения механических напряжений в турбине осевое усилие, создаваемое обратным потоком, уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины. Корпус может окружать или охватывать указанный элемент турбины. Указанный элемент турбины может проточно сообщаться с входом, и вход может обеспечивать поток газа к элементу турбины. Указанные уплотнения могут быть размещены последовательно вблизи от входа и могут быть выполнены с возможностью уменьшения обратного потока газа. Предпочтительно в предложенной турбине приблизительному уравновешиванию может способствовать регулировка соответствующего радиуса, связанного с каждым из указанных уплотнений. Предпочтительно в предложенной турбине указанные один или несколько каналов могут включать один или несколько каналов в пределах корпуса турбины. Предпочтительно в предложенной турбине один или несколько каналов могут включать один или несколько каналов в пределах ротора турбины. Предпочтительно в предложенной турбине давление обратного потока газа в одной из указанных соответствующих точек в пределах указанных уплотнений может быть приблизительно равно давлению газового тракта в соответствующей точке в пределах газового тракта.

[0009] Другие варианты выполнения, аспекты и признаки изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники из последующего подробного описания, сопроводительных чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] После общего описания изобретения ниже приведено описание сопроводительных чертежей, которые могут быть выполнены не в масштабе и на которых:

[011] фиг.1 изображает упрощенный вид одной примерной паровой турбины, которая может быть использована в соответствии с разными вариантами выполнения изобретения;

[0012] фиг.2 изображает продольный разрез одного варианта части паровой турбины, выполненной с возможностью регулирования протечки газа, в соответствии с пояснительным вариантом выполнения изобретения;

[0013] фиг.3 изображает продольный разрез другого варианта части паровой турбины, выполненной с возможностью регулирования протечки газа, в соответствии с другим пояснительным вариантом выполнения изобретения;

[0014] фиг.4 изображает блок-схему, на которой показан один пример способа регулирования протечки газа в турбине в соответствии с пояснительным вариантом выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Ниже со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых показаны некоторые, но не все варианты выполнения изобретения, более подробно описаны пояснительные варианты выполнения изобретения. Действительно, изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно толковаться как ограниченное изложенными здесь вариантами выполнения, напротив, эти варианты выполнения приведены для того, чтобы описание отвечало нормативным требованиям. Одинаковые ссылочные номера позиций относятся к одинаковым элементам.

[0016] Ниже описаны системы, способы и устройство для регулирования протечки газа в турбине. Разные варианты выполнения изобретения могут содержать группу уплотнений, расположенных последовательно и выполненных с возможностью приема обратного потока газа в одном или нескольких элементах турбины. В некоторых вариантах выполнения указанные уплотнения могут содержать группу уплотнительных колец. Давление обратного потока газа может быть уменьшено по мере прохождения обратного потока газа через указанные уплотнения или уплотнительные кольца. Указанные уплотнения могут быть размещены или расположены вблизи входа элемента турбины и могут проточно сообщаться с одним или несколькими каналами. Указанные каналы могут быть выполнены с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в газовом тракте в турбине. Такое повторное введение части обратного потока газа в газовый тракт может улучшить эксплуатационные показатели и коэффициент полезного действия турбины. Дополнительно указанные уплотнительные кольца могут быть выполнены с различными диаметрами уплотнения для облегчения создания осевого усилия на указанных уплотнениях. Создаваемое осевое усилие может по меньшей мере частично уравновешивать осевое усилие, создаваемое в элементах турбины.

[0017] Технический эффект, достигаемый описанными вариантами выполнения изобретения, заключается в том, что несколько уплотнений может быть предусмотрено или размещено последовательно для уравновешивания осевого усилия, создаваемого потоком газа в элементах турбины. Такая конструкция может устранить необходимость использования больших упорных подшипников или уравновешивающих поршней для элементов турбины. Кроме того, указанные уплотнения могут быть выполнены с возможностью уменьшения обратного потока газа из входа турбины с относительно более высоким давлением. Часть обратного потока, который может выходить из входа элемента турбины через эти уплотнения, может быть возвращена в газовый тракт элемента турбины через один или несколько каналов. Таким образом, обратный поток протечки не пропадает впустую, а возвращается к элементам турбины для выполнения в них работы. Таким образом, технический эффект, обеспечиваемый использованием указанных уплотнений, может заключаться в улучшении эксплуатационных характеристик, а также в обеспечении устойчивости элементов турбины.

[0018] На фиг.1 показан упрощенный вид одного примера паровой турбины 100, которая может использоваться в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения. На фиг.1 показан общий вид конструкции одного примера паровой турбины 100, которая может использоваться в различных прикладных задачах, например, для выработки энергии. Пример турбины 100, показанной на фиг.1, включает три основные части: часть 102 высокого давления (ВД), часть 104 среднего давления (СД) и часть 106 низкого давления (НД). Каждая часть 102 ВД, 104 СД и 106 НД может быть расположена в одном или нескольких корпусах высокого давления (на чертеже не показаны), и части могут быть дополнительно соединены общим ротором 108, который может быть функционально соединен с генератором (на чертеже не показан) для выработки электроэнергии. Кроме того, каждая из частей 102 ВД, 104 СД и 106 НД может содержать одну или несколько ступеней, расположенных вдоль ротора 108. Одна или более ступеней, каждая, может содержать неподвижные лопатки, образующие сопла, и вращающиеся лопатки (на чертеже не показаны), выступающие из ротора 108. В различных вариантах выполнения изобретения ротор 108 может иметь переменное поперечное сечение для улучшения коэффициента полезного действия турбины 100. В турбинах, которые используют различные варианты выполнения изобретения, может содержаться любое количество частей и/или ступеней. Кроме того, различные варианты выполнения изобретения могут быть использованы для большого количества различных турбин или других механизмов, например паровых турбин, газовых турбин и т.п.

[0019] В паровой турбине 100, показанной на фиг.1, входящий пар может приводить во вращение элемент турбины в части 102 ВД турбины 100. По меньшей мере часть пара, выходящего из части 102 ВД, может быть выпущена в перегреватель (на чертеже не показан) и затем может быть направлена в часть 104 СД и потом в часть 106 НД с уменьшением давления по мере перемещения от одной части турбины 100 к другой. Уменьшение давления между входом и выходом каждой части может создавать осевое усилие в каждой части в направлении потока пара. Уменьшение давления может быть наибольшим в части 102 ВД турбины 100, что создает, таким образом, относительно большее осевое усилие по сравнению с двумя другими частями.

[0020] Паровая турбина 100 может получать пар при сравнительно высокой температуре и сравнительно высоком давлении от бойлера (не показан на чертеже). Поступающий пар может входить в часть 102 ВД паровой турбины 100 через вход 110, после чего поступающий пар может быть направлен через сопла на вращающиеся лопатки ротора 108 для получения энергии вращения. В одном примере варианта выполнения поступающий пар может сообщать ротору 108 частоту вращения приблизительно 3600 об/мин. Получение энергии вращения может сопровождаться уменьшением давления и температуры поступающего пара в части 102 ВД турбины 100. Поэтому пар, выходящий через выход 112 части 102 ВД, может иметь относительно меньшую температуру и давление по сравнению с поступающим паром. В некоторых вариантах выполнения изобретения по меньшей мере часть выходящего пара может поступать в бойлер для повторного нагрева, а остальная часть пара может направляться в часть 104 СД для охлаждения. Кроме этого перегретый пар из бойлера может подаваться на вход части 104 СД.

[0021] Далее, перегретый пар после вхождения в часть 104 СД при относительно низком давлении может выполнить работу на роторе 106 и затем может быть выпущен через выход в часть 106 НД.

[0022] Во время работы паровой турбины 100 ротор 108 может проходить сквозь границы давления корпусов, окружающих одну или несколько частей паровой турбины 100. Поэтому корпуса могут быть уплотнены в местах сквозного прохождения для предотвращения выхода пара из корпуса в местах, где давление корпуса превышает давление окружающей среды, и для предотвращения попадания воздуха в корпус, когда давление в корпусе ниже давления окружающей среды. Таким образом, на роторе 108 может быть установлено несколько уплотнений 114 в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения. В одном примере варианта выполнения несколько уплотнений 114 могут быть установлены вблизи входа относительно высокого давления части паровой турбины 100 (например, части ВД, части СД) для предотвращения выхода из части пара с относительно высоким давлением. Кроме того, некоторое количество уплотнений также может быть установлено на выходе части низкого давления для предотвращения попадания окружающего воздуха в часть паровой турбины 100.

[0023] На фиг.2 показан продольный разрез примера части 200 паровой турбины, в которой может регулироваться протечка газа, в соответствии с пояснительным вариантом выполнения изобретения. Хотя на фиг.2 показана часть 202 ВД паровой турбины, например паровой турбины 100, показанной на фиг.1, варианты выполнения изобретения, описанные со ссылкой на фиг.2, могут применяться для различных турбин, которые включают в том числе газовые турбины, паровые турбины и т.д., и также могут применяться для различных частей турбины, например части высокого давления (ВД), части среднего давления (СД) и части низкого давления (НД).

[0024] Как показано на фиг.2, часть 202 ВД паровой турбины может содержать вращающийся элемент, такой как ротор 204, расположенный в неподвижном элементе, таком как корпус (не показан на чертеже). На роторе 204 могут быть установлены вращающиеся турбинные лопатки 206, которые могут проходить радиально по направлению к корпусу. Эти лопатки 206 могут быть расположены между смежными рядами неподвижных лопаток 208 статора, которые проходят радиально внутрь от корпуса и по направлению к ротору 204. В некоторых вариантах выполнения ротор может иметь переменную площадь поперечного сечения по меньшей мере с одним радиальным уступом 210, расположенным на оси ротора 204. При нормальной работе пар из котла (не показан на чертеже) может входить в паровую турбину и в часть 202 ВД через вход ВД 212. Входящий пар может иметь относительно высокое давление. В одном пояснительном примере входящий пар может иметь давление приблизительно 2000 фунтов/кв. дюйм (приблизительно 13,8 кПа). Входящий пар может ускоряться, проходя через неподвижные лопатки 208 статора, и затем расширяться при прохождении через вращающиеся турбинные лопатки 206. Неподвижные лопатки 208 статора могут быть выполнены с возможностью преобразования потенциальной энергии входящего пара в кинетическую энергию и направления ускоренного потока на вращающиеся турбинные лопатки 206. Затем вращающиеся турбинные лопатки 206 могут преобразовывать кинетическую энергию потока в импульс силы и силу реакции, увеличивая падение давления на вращающихся турбинных лопатках 206 и таким образом приводя во вращение ротор 204. Это падение давления может создать осевое усилие в направлении потока пара.

[0025] Кроме того, в элементе 200 турбины может создаваться уравновешивающее осевое усилие. Уравновешивающее осевое усилие может создаваться с помощью различных радиальных уступов между уплотнительными кольцами или диаметрами уплотнений и внутренним диаметром впадины парового тракта. Соответственно, несколько уплотнений 214 может быть установлено вблизи от входа 212 ВД и в направлении, противоположном потоку пара, для регулировки компенсирующего осевого усилия, чтобы по меньшей мере частично компенсировать осевое усилие, создаваемое потоком пара в паровом тракте. В некоторых вариантах выполнения указанные уплотнения 214 могут способствовать приблизительному уравновешиванию компенсирующим осевым усилием осевого усилия, создаваемого потоком пара в паровом тракте. В некоторых вариантах выполнения изобретения уплотнения 214 могут включать несколько уплотнительных колец. По необходимости в различных вариантах выполнения изобретения может использоваться любое количество уплотнительных колец. Например, как показано на фиг.2, уплотнения 214 могут включать четыре уплотнительных кольца. Каждое из этих колец может иметь свой радиус. Например, четыре уплотнительных кольца могут иметь радиус соответственно R1, R2, R3 и R4. Дополнительно в некоторых вариантах выполнения уплотнительные кольца могут быть размещены или установлены последовательно для улучшения уравновешивания осевого усилия, создаваемого потоком пара и дополнительно для уменьшения обратного потока пара из входа 212 ВД части 202 ВД. Так как площадь перепада радиального уступа 210 связана с разницей радиусов R1 и R2, то создаваемое компенсирующее осевое усилие может регулироваться с помощью радиусов R1, R2, R3 и R4 уплотнений 214. Компенсирующее осевое усилие может быть определено как сумма произведений падения давления на каждом из указанных уплотнений и площади уступов между любой парой смежных уплотнений. В соответствии с различными вариантами выполнения изобретения компенсирующее осевое усилие может регулироваться путем регулировки радиусов уплотнений 214.

[0026] Кроме этого каждое из указанных уплотнений 214 может проточно сообщаться с одним или несколькими каналами 216 в пределах корпуса паровой турбины, выполненной с возможностью направления обратного потока пара из соответствующих точек в пределах уплотнений 214 в точки соответствующего давления за паровым или газовым трактом. В одном пояснительном варианте выполнения давление обратного потока в одной из соответствующих точек в пределах уплотнений 214 может быть примерно равно давлению потока пара в соответствующей точке в пределах парового тракта. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения точками соответствующего давления в пределах газового тракта могут быть точки, связанные с разными ступенями части 202 ВД, в которых давление может быть примерно равным давлению в соответствующих точках в пределах уплотнений 214. Например, давление обратного потока в первой точке уплотнений 214 (например, на выходе первого уплотнительного кольца) может быть примерно равным давлению пара в газовом тракте элемента турбины в соответствующей точке в пределах газового тракта. Часть обратного потока от первой точки в указанных уплотнениях может проходить через канал и вновь попадать в газовый тракт элемента турбины 200 в соответствующей точке газового тракта с таким же давлением. Для этого по меньшей мере часть обратного потока может быть собрана и вновь введена в газовый тракт элемента 200 турбины. Такое повторное введение пара протечки за паровым трактом на различных ступенях части 202 ВД с относительно низким давлением может быть выполнено с возможностью увеличения работы, совершаемой паром в этих ступенях и, таким образом, повышения общего коэффициента полезного действия паровой турбины.

[0027] В различных вариантах выполнения изобретения для повторного введения части обратного потока газа в газовый тракт могут быть предусмотрены один или несколько каналов. Например, может быть предусмотрен канал между соответствующей точкой в уплотнениях 214 и соответствующей точкой в газовом тракте. Одним примером указанных каналов 216, которые могут быть использованы для направления обратного потока или протечки пара через корпус, могут быть трубы или другие каналы для газового потока, расположенные на расстоянии по окружности корпуса паровой турбины. Более того, указанные каналы 216 могут содержать по меньшей мере один клапан 218, который может быть избирательно открыт для обеспечения введения пара вновь в газовый тракт. Например, указанный клапан 218 может быть открыт, когда паровая турбина достигла устойчивого режима работы.

[0028] Более того, количество уплотнений 214, расположенных вблизи от входа 212, может изменяться в зависимости от длины части 202 ВД. При неизменной общей длине части 202 ВД увеличение числа уплотнений 214 приводит к уменьшению числа ступеней в части 202 ВД. Однако, хотя увеличение числа уплотнений 214 обеспечивает уменьшение потоков протечки, уменьшение числа ступеней может уменьшить работу расширения, выполняемую в части 202 ВД. Напротив, хотя увеличение числа ступеней увеличивает работу, выполняемую в части 202 ВД, уменьшение числа уплотнений 214 приводит к увеличению потока протечки и уменьшению коэффициента полезного действия паровой турбины. Поэтому в пояснительных вариантах выполнения примерно от четырех до примерно шести уплотнений могут обеспечить оптимальные эксплуатационные характеристики паровой турбины.

[0029] После прохождения через всю часть 202 ВД турбины пар может выпускаться через выход 220 низкого давления части 202 ВД турбины со сравнительно более низкими по сравнению с входящим паром температурой и давлением. В одном пояснительном варианте выполнения пар, выходящий из выхода 220 низкого давления, имеет давление приблизительно 600 фунтов/кв. дюйм (приблизительно 4,14 кПа). Часть выходящего пара может быть выпущена в бойлер для нагрева, а остальная часть может быть направлена в часть СД (не показана на чертеже) для охлаждения.

[0030] На фиг.3 показан продольный разрез части паровой турбины 300, в которой протечка газа может регулироваться в соответствии с другим пояснительным вариантом выполнения изобретения. Элемент 300 паровой турбины содержит корпус (не изображен на чертеже), который содержит часть 302 ВД с несколькими ступенями турбины, и вращающийся элемент. Вариант выполнения изобретения, описанный со ссылкой на часть 302 ВД элемента паровой турбины 300, показанной на фиг.3, является лишь примером, а системы и способы, описанные со ссылкой на фиг.3, могут применяться с различными типами турбин, такими как газовые турбины, паровые турбины и т.д., и также могут применяться с различными частями паровых турбин, такими как часть высокого давления (ВД), часть среднего давления (СД) и часть низкого давления (НД).

[0031] Как показано на фиг.3, вращающийся элемент, такой как ротор 304, заключенный в корпус, может содержать вращающиеся турбинные лопатки 306, установленные на роторе 304 и проходящие радиально по направлению к корпусу. Каждая из ступеней турбины части 302 ВД может содержать по меньшей мере один набор вращающихся турбинных лопаток 306, расположенных между смежными рядами неподвижных лопаток 308 статора, проходящих радиально внутрь от корпуса к ротору 304. В некоторых вариантах выполнения ротор 304 может иметь переменную площадь поперечного сечения по меньшей мере с одним уступом 310, расположенным по оси ротора 304. Во время нормальной работы пар из присоединенного бойлера может входить в элемент 300 турбины и в часть 302 ВД через вход 312 ВД. В каждой ступени турбины входящий пар может ускоряться через неподвижные лопатки 308 статора и затем расширяться при прохождении через вращающиеся турбинные лопатки 306. Неподвижные лопатки 308 статора в каждой ступени могут быть выполнены с возможностью преобразования потенциальной энергии входящего пара в кинетическую энергию и направления ускоренного потока на вращающиеся турбинные лопатки 306. После этого вращающиеся лопатки 306 турбины могут преобразовывать кинетическую энергию потока в импульс силы и силу реакции, что вызывает уменьшение давления на вращающихся лопатках 306 турбины и вращение ротора 304. Это уменьшение давления на каждой ступени может создавать осевое усилие в направлении потока пара.

[0032] Кроме того, компенсирующее усилие может создаваться в пределах элемента 300 турбины. В некоторых вариантах выполнения компенсирующее осевое усилие может создаваться с помощью различных радиальных уступов между диаметрами уплотнительных прокладок и внутренним диаметром впадины парового тракта. Соответственно, несколько уплотнений 314 может быть расположено вблизи от входа 312 ВД и в направлении, противоположном потоку пара, для регулировки компенсирующего осевого усилия с возможностью по меньшей мере частичного уравновешивания осевого усилия, создаваемого паром в направлении парового тракта. В некоторых вариантах выполнения компенсирующее осевое усилие может приблизительно уравновешивать осевое усилие, создаваемое паром в направлении парового тракта. В одном примере конструкции, показанной на фиг.3, уплотнения 314 могут быть расположены последовательно для уравновешивания осевого усилия, создаваемого потоком пара, и дополнительно для уменьшения обратного потока пара из входа 312 ВД части 302 ВД. Компенсирующее осевое усилие может зависеть от радиусов уплотнений 314. Таким образом, уравновешивание осевого усилия в части 302 паровой турбины может быть достигнуто путем оптимизации радиусов уплотнений 314.

[0033] Дополнительно каждое из уплотнений 314 может проточно сообщаться с одним или несколькими каналами 316 в пределах ротора элемента 300 турбины и может быть выполнено с возможностью направления обратного потока пара от соответствующих точек в пределах уплотнений 314 к точкам с соответствующим давлением в газовом тракте части 302 ВД. В одном пояснительном варианте выполнения давление обратного потока у одной соответственной точки в пределах уплотнений 314 может быть примерно равно давлению пара парового тракта в соответствующей точке в пределах газового тракта. Точками соответствующего давления в пределах газового тракта могут быть точки, связанные с разными ступенями части 302 ВД, в которых давление может быть примерно равно давлению в соответствующих точках в пределах уплотнений 314. Например, давление обратного потока в первой точке в уплотнениях 314 (например, на выходе первого уплотнения) может быть примерно равно давлению пара в паровом тракте элемента турбины в соответствующей точке в пределах газового тракта. Часть обратного потока от первой точки в указанных уплотнениях может проходить через канал и вновь попадать в газовый тракт части элемента 300 турбины в соответствующей точке в газовом тракте с таким же давлением. Для этого по меньшей мере часть обратного потока может быть собрана и вновь введена в газовый тракт элемента 300 турбины. Такое повторное введение пара протечки за паровым трактом на различных ступенях части 302 ВД с относительно низким давлением может быть выполнено с возможностью увеличения работы, совершаемой паром в этих ступенях, и, таким образом, повышения общего коэффициента полезного действия элемента 300 турбины. Одним примером одного или нескольких каналов 316, которые могут быть использованы для направления обратного потока или протечки пара через ротор, могут быть канавки или другие каналы для газового потока, расположенные на расстоянии по окружности корпуса паровой турбины. Более того, указанные каналы 316 могут содержать по меньшей мере один клапан 318, который может быть изначально закрыт при запуске паровой турбины и избирательно открыт для обеспечения повторного введения пара в газовый тракт только по достижении установившегося режима работы.

[0034] Более того, количество уплотнений 314, расположенных вблизи от входа 312, может зависеть от длины части 302 ВД. При неизменной общей длине части 232 ВД увеличение числа уплотнений 314 приводит к ограничению числа ступеней в части 302 ВД. Таким образом, хотя такая конструкция обеспечивает уменьшение потоков протечки, она может уменьшить работу расширения, совершаемую в части 302 ВД и тем самым повлиять на эксплуатационные характеристики двигателя. Напротив, хотя конструкция с увеличенным числом ступеней может увеличить работу, выполняемую в части 302 ВД, уменьшение числа уплотнений 214 может привести к увеличению потока протечки и потерь, тем самым влияя на эксплуатационные характеристики паровой турбины 300. Поэтому в пояснительных вариантах выполнения примерно от четырех до примерно шести уплотнений могут обеспечить оптимальные эксплуатационные характеристики турбины 300.

[0035] После прохождения через всю часть 302 ВД турбины пар может быть выпущен через выход 320 низкого давления части 302 ВД турбины со сравнительно более низкими по сравнению с входящим паром температурой и давлением. Часть выходящего пара может быть выпущена в бойлер для повторного нагрева, а остальная часть может быть направлена в часть СД (не показана на чертеже) для охлаждения.

[0036] На фиг.4 показана блок-схема, поясняющая один пример способа 400 текущего контроля турбины, в соответствии с пояснительным вариантом выполнения изобретения.

[0037] Выполнение способа 400 могут начинать с блока 405. В блоке 405 для уменьшения обратного потока газа из входа турбины могут использовать несколько уплотнительных колец, расположенных последовательно. Турбина может содержать корпус, в котором находится элемент турбины, содержащий вращающийся узел, например ротор. Часть потока газа через вход высокого давления части турбины может проходить в направлении, противоположном газовому тракту. Поэтому вблизи входа ВД турбины и в направлении, противоположном газовому потоку, может быть последовательно расположено несколько уплотнительных колец для уменьшения обратного потока газа путем обеспечения извилистого тракта для обратного потока газа. Кроме этого радиус уплотнительных колец может быть отрегулирован/оптимизирован для создания компенсирующего осевого усилия, чтобы уравновешивать осевое усилие, создаваемое газовым трактом. В одном примере варианта выполнения для создания компенсирующего осевого усилия и уменьшения обратного потока газа могут быть использованы примерно от четырех до примерно шести уплотнительных колец. После установки уплотнительных колец последовательно для уменьшения обратного потока газа из входа высокого давления могут осуществить переход в блок 410.

[0038] В блоке 410 могут использовать один или несколько каналов, которые могут направлять по меньшей мере часть обратного потока газа от соответствующих точек в пределах нескольких уплотнительных колец к соответствующим точкам в пределах газового тракта в турбине. Уплотнительные кольца, расположенные последовательно в блоке 405, могут проточно сообщаться с одним или несколькими каналами. В одном примере варианта выполнения в корпусе турбины могут быть предусмотрены один или несколько каналов. В других вариантах выполнения указанные один или несколько каналов могут быть предусмотрены в пределах ротора турбины. Кроме того, указанные один или несколько каналов могут быть выполнены с возможностью направления потока протечки от соответствующих точек в пределах указанных уплотнительных колец к соответствующим точкам или ступеням в газовом тракте. Такое повторное введение потока протечки через указанные каналы способствует увеличению работы, выполняемой на различных ступенях турбины, тем самым повышая общую мощность, генерируемую турбиной. Количество работы, совершаемой потоками протечки на различных ступенях турбины, может зависеть от давления в ступени, в которой поток протечки вновь вводится в газовый тракт. После использования одного или нескольких каналов для направления потока протечки обратно в газовый тракт могут осуществить переход в блок 415.

[0039] В блоке 415 часть обратного потока газа направляют к точкам в пределах газового тракта через указанные один или несколько каналов. Часть газа, который проходит обратно из-за высокого давления на входе в элемент турбины, могут направлять с помощью одного или нескольких каналов из соответствующих точек в пределах уплотнительных колец к соответствующим точкам в пределах газового тракта.

[0040] После блока 415 способ 400 может быть завершен.

[0041] Действия, описанные в способе 400 на фиг.4, не обязательно должны выполняться в порядке, описанном на фиг.4, а вместо этого могут выполняться в любом подходящем порядке. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения изобретения могут выполняться не все элементы или действия, описанные на фиг.4, или могут выполняться дополнительные.

[0042] Варианты выполнения изобретения могут применяться с различными типами турбин, такими как паровые турбины, газовые турбины и т.п. Более того, варианты выполнения изобретения могут также использоваться в различных частях турбин, таких как часть высокого давления, часть промежуточного давления и часть низкого давления паровой турбины. Очевидно, что все примеры, приведенные в предшествующем описании, приведены только для объяснения и не ограничивают объем изобретения каким-либо образом.

[0043] Несмотря на то, что изобретение описано с использованием наиболее практичных на данный момент и разных вариантов выполнения, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами выполнения, а, напротив, охватывает различные изменения и эквивалентные конструкции, входящие в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

[0044] В данном описании приведены примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший вариант выполнения, а также для обеспечения возможности выполнения изобретения, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых описанных способов, специалистом в данной области техники. Патентуемый объем изобретения определен в формуле изобретения и может включать другие примеры, очевидные специалисту в данной области техники. Такие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они не имеют конструктивных элементов, которые отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.

Перечень элементов

100 - паровая турбина

102 - часть ВД

104 - часть СД

106 - часть НД

108 - ротор

110 - вход ВД

112 - выход

114 - уплотнения

200 - система

202 - часть ВД

204 - ротор

206 - вращающиеся турбинные лопатки

208 - неподвижные лопатки статора

210 - радиальная ступенька

212 - вход ВД

214 - уплотнения

216 - каналы

218 - клапаны

220 - выход

300 - турбина

302 - часть ВД

304 - ротор

306 - вращающиеся турбинные лопатки

308 - неподвижные лопатки статора

310 - радиальная ступенька

312 - вход ВД

314 - уплотнения

316 - каналы

318 - клапаны

320 - выход

400 - способ

405 - блок

410 - блок

415 - блок

Предложены способ и система для регулирования протечки газа в турбине и сама турбина. Могут использоваться несколько уплотнений, расположенных последовательно, причем каждое из этих уплотнений может быть выполнено с возможностью уменьшения давления обратного потока из входа элемента турбины. Кроме того, один или несколько каналов могут быть выполнены с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа из соответствующих точек в пределах указанных нескольких уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины. Технический результат изобретения заключается в том, что при размещении нескольких уплотнений последовательно уравновешивается осевое усилие, создаваемое потоком газа в элементах турбины. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ (400) регулирования протечки газа в турбине, включающий:
использование (405) группы расположенных последовательно уплотнений для уменьшения давления обратного потока газа из входа турбины,
использование (410) одного или нескольких каналов, которые направляют по меньшей мере часть обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины,
направление (415) части обратного потока газа к указанным точкам в пределах газового тракта через указанные один или несколько каналов и
уравновешивание общего осевого усилия, создаваемого обратным потоком газа, общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины.

2. Способ по п.1, в котором при уравновешивании общего осевого усилия, создаваемого обратным потоком газа, общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины, регулируют соответствующий радиус, связанный с каждым из указанных уплотнений.

3. Способ по п.1, в котором при использовании (410) одного или нескольких каналов используют один или несколько каналов в пределах корпуса турбины.

4. Способ по п.1, в котором при использовании (410) одного или нескольких каналов используют один или несколько каналов в пределах ротора турбины.

5. Способ по п.1 в котором давление обратного потока газа в одной из указанных соответствующих точек в пределах указанных уплотнений приблизительно равно давлению в газовом тракте в соответствующей точке в пределах газового тракта.

6. Способ по п.1, в котором при использовании (405) указанных уплотнений используют примерно от четырех до примерно шести уплотнений.

7. Система (200) для регулирования протечки газа в турбине, содержащая:
группу уплотнений (214), которые расположены последовательно и каждое из которых выполнено с возможностью уменьшения давления обратного потока газа из входа (212) турбины, и
один или несколько каналов (216), выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений (214) к соответствующим точкам в пределах газового тракта турбины, при этом
общее осевое усилие, создаваемое обратным потоком газа, приблизительно уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины.

8. Система по п.7, в которой приблизительному уравновешиванию способствует регулировка соответствующего радиуса, связанного с каждым из указанных уплотнений (214).

9. Система по п.7, в которой указанные один или несколько каналов (216) включают один или несколько каналов в пределах корпуса турбины.

10. Система по п.7, в которой указанные один или несколько каналов (216) включают один или несколько каналов в пределах ротора (204) турбины.

11. Система по п.7, в которой давление обратного потока газа в одной из указанных соответствующих точек в пределах указанных уплотнений (214) приблизительно равно давлению газового тракта в соответствующей точке в пределах газового тракта.

12. Система по п.7, в которой указанные уплотнения (214) содержат примерно от четырех до примерно шести уплотнений.

13. Турбина (300), содержащая:
корпус,
элемент (302), содержащий ротор (304) и вращающиеся лопатки (306), выступающие из ротора (304),
вход (312), который обеспечивает поток газа к элементу (302) турбины,
уплотнения (314), расположенные последовательно и выполненные с возможностью принятия обратного потока газа из указанного элемента (302) турбины и уменьшения давления обратного потока газа, и
один или несколько каналов (316), выполненных с возможностью направления по меньшей мере части обратного потока газа от соответствующих точек в пределах указанных уплотнений (314) к соответствующим точкам в пределах газового тракта элемента (302) турбины,
при этом общее осевое усилие, создаваемое обратным потоком газа, приблизительно уравновешивается общим осевым усилием, создаваемым газовым трактом турбины (300).

14. Турбина по п.13, в которой приблизительному уравновешиванию способствует регулировка соответствующего радиуса, связанного с каждым из указанных уплотнений (314).

15. Турбина по п.13, в которой указанные один или несколько каналов (316) включают один или несколько каналов в пределах корпуса турбины (300).

16. Турбина по п.13, в которой указанные один или несколько каналов (316) включают один или несколько каналов в пределах ротора (304) турбины (300).

17. Турбина по п.13, в которой давление обратного потока газа в одной из указанных соответствующих точек в пределах указанных уплотнений (314) приблизительно равно давлению газового тракта в соответствующей точке в пределах газового тракта.