ДВУХПОТОЧНЫЙ ЦИЛИНДР ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК F01K3/02 F01D5/08 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при создании новых турбин и модернизации действующего оборудования.

Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки включает наружный цилиндр, внутренний цилиндр с сегментами сопел прямого и обратного потока, ротор с дисками и рабочими лопатками проточной части прямого и обратного потоков и подводящий элемент с трубопроводами подвода охлаждающего пара от внешнего источника. Во внутреннем цилиндре на участке ротора между первыми дисками прямого и обратного потоков установлены корпусы с уплотнениями вала ротора, кольцевой коллектор с отверстиями для равномерного распределения по окружности охлаждающего пара, подводимого к валу ротора. В пространстве между дисками первых ступеней потоков устанавливаются перегородки, образующие две кольцевые камеры, ограниченные поверхностями внутреннего цилиндра и корпуса уплотнений, боковой поверхностью диска первой ступени и поверхностью перегородки. Каждая из камер соединена через осевые зазоры между диском и торцевой поверхностью внутреннего цилиндра с камерой подвода пара на рабочую лопатку первой ступени, примыкающую к этой камере потока, а также камеры соединены между собою через радиальные зазоры между гребнями уплотнений и валом ротора. Для обеспечения оптимальных условий охлаждения ротора при минимально необходимом расходе охлаждающего пара и надежного исключения перетечек пара между потоками в каждой из камер устанавливаются термодатчики.

Изобретение позволяет одновременно решать две задачи:

1. Снизить температуру ротора СД на участках, работающих при высоких температурах, ниже уровня предела ползучести металла роторов (460…470°С) и, тем самым, увеличить срок эксплуатации роторов и практически полностью исключить прогрессирующие прогибы роторов, обусловленные ползучестью металла.

2. Исключить непроизводительные перетечки пара, обусловленные разностью давлений пара за соплами прямого и обратного потоков.

Таким образом, изобретение позволит повысить надежность и экономичность турбоустановки, продлить срок эксплуатации роторов СД.

Известна конструкция паровой турбины, включающая корпус, частично образованную корпусом область входа для рабочей среды, подводящий элемент для охлаждающей среды, расположенную в корпусе, проходящую вдоль главной оси опору рабочих лопаток и расположенный в области входа экранирующий элемент, служащий для экранирования рабочих лопаток по отношению к рабочей среде и закрепленный на корпусе с помощью держателя (RU 2182975, МКП: F01D 3/02, 5/08, опубликовано 27.10.2000 г.).

Недостатком известного устройства является то, что предложен подвод охлаждающего пара к экранирующему элементу через направляющие лопатки первых ступеней, что достаточно сложно в изготовлении. Кроме того, не учитывается возможность наличия различных по величине давлений на выходе из направляющих аппаратов первых ступеней прямого и обратного потоков. В результате наличия разности давлений, допускаемого заводом изготовителем, пар из направляющего аппарата с большим давлением будет частично не поступать в проточную часть потока, а перетекать через зазоры между ротором и статором в проточную часть потока с меньшим давлением за направляющим аппаратом. В результате в потоке с более низким давлением будут иметь место потери и «выколачивание» пара, а в обоих потоках расходы пара будут отличаться от расчетных и, как следствие, снижение КПД цилиндра СД.

Известно устройство, предназначенное для охлаждения центральной части ротора и дисков первых ступеней прямого и обратного потоков двухпоточного цилиндра (RU 2421622 C1, приоритет от 18.11.2009 г.). Конструктивно устройство представляет экранирующее промтело, установленное во внутреннем корпусе цилиндра, внутри которого устанавливается обойма с кольцевыми камерами с отверстиями для приема и пропуска охлаждающего пара на поверхность ротора и диски первых ступеней. Между внутренней гладкой поверхностью обоймы и поверхностью вала ротора имеется кольцевой зазор, соединяющий проточные части прямого и обратного потоков.

Основным недостатком такой конструкции является наличие большого зазора между поверхностью ротора и расточки обоймы, что обусловлено требованиями надежности, в частности, исключения задеваний при возможных прогибах ротора или цилиндра. Расчеты показывают, что даже при минимально возможной разницы давлений Р_с за соплами обоих потоков Р_с=Р_расч±0.05 кг/см² и при допустимом минимальном зазоре между обоймой и валом 4…5 мм потребуются расходы охлаждающего пара, которые в конструкциях современных двухпоточных цилиндров обеспечить невозможно. Расчетная величина охлаждения поверхности ротора не превысит 30…40°С, что явно недостаточно для исключения явлений ползучести металла ротора.

Известна конструкция паровой турбины (патент RU 2299332 опубликован 27.10.2005 г.), где для охлаждения центральной части вала и первых дисков обоих потоков на участке вала ротора СД между первыми дисками во внутреннем корпусе цилиндра установлен цилиндр с уплотнениями вала. В корпусе выполнена кольцевая камера, в которую подается охлаждающий пар от внешнего источника, который поступает в радиальный зазор между валом и гребнями уплотнений. При давлении в камере выше давления за соплами прямого и обратного потоков охлаждающий пар, растекаясь по (между валом и гребнями уплотнений, по уплотнительному зазору между валом и гребнями уплотнений) зазорам между валом и гребнями уплотнений, омывает поверхности центральной части вала и дисков первых ступеней обоих потоков и обеспечивает их охлаждение.

По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком конструкции, принятой за прототип, является возможность перетечек пара из одного потока в другой, обусловленных как разностью давлений за соплами первых ступеней потоков, так и наличием больших осевых зазоров входа на рабочие лопатки, соединенных между собой пространством между первыми дисками прямого и обратного потоков. Такие перетоки пара, даже при соблюдении допусков на изготовление проточных частей, могут составлять десятки тонн и приводят к снижению экономичности двухпоточных цилиндров.

Заявленное техническое решение позволяет обеспечить эффективное охлаждение центральной части ротора при минимальном расходе охлаждающего пара и исключить непроизводительные перетоки пара между потоками, что повышает конструктивную надежность и КПД цилиндра, увеличивает ресурс ротора по условиям ползучести и малоцикловой усталости металла. Перетоки пара из потока с большим давлением пара за соплами в поток с меньшим давлением исключаются разделением пространства между дисками первых ступеней прямого и обратного потоков специальными перегородками с образованием двух камер, соединенных между собой по пару посредством радиального зазора между валом и гребнями уплотнений и соединенных с камерами подвода пара на рабочие лопатки первых ступеней. Благодаря наличию большого числа гребней уплотнений и малого радиального зазора расход переточного пара через уплотнения не будет превышать 1…1,5% от расхода переточного пара, имевшего место до внедрения данного технического решения. Наличие двух камер, в каждой из которых устанавливаются термопары, позволяет обеспечить охлаждение вала и дисков первых ступеней при минимальном расходе охлаждающего пара и распределение потока охлаждающего пара по радиальному зазору как в сторону прямого, так и в сторону обратного потоков.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Определение из перечня аналогов прототипа позволил выявить в заявленном устройстве существенные отличительные признаки по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенному в нижеприведенной формуле изобретения.

Изобретение иллюстрируется чертежом. Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки включает наружный (поз.1) и внутренний (поз.2) цилиндры, сопловые аппараты (поз.3) прямого (поз.4) и обратного (поз.5) потоков, ротор (поз.6) с дисками (поз.7) и рабочими лопатками (поз.8 и 9) прямого и обратного потоков и подводящим элементом (поз.10), включающий регулирующую аппаратуру и смеситель с трубопроводом охлажденного пара (поз.11). Во внутреннем цилиндре (поз.2) и на участке ротора (поз.6) между первыми дисками (поз.7) и рабочими лопатками (поз.8 и 9) прямого и обратного потоков установлены корпусы или один корпус (поз.12) с уплотнительными кольцами (поз.13) с гребнями (поз.14), а также перегородки (поз.15), соединенные по торцу с поверхностями внутреннего цилиндра (поз.2) и корпусов (поз.12), образующие две кольцевые камеры (поз.16), ограниченные поверхностями цилиндра (поз.2) и корпусов уплотнений (поз.12), перегородкой (поз.15) и боковыми поверхностями дисков первых ступеней примыкающих потоков.

Камеры (поз.16) соединены через осевые зазоры со входом на рабочие лопатки (поз.8 и 9) соответственно примыкающего потока, а также с радиальным зазором между валом ротора (поз.6) и гребнями уплотнений (поз.14).

Для выработки задания при регулировке необходимого расхода охлаждающего пара внутри камер (поз.16) установлены термодатчики (поз.17). Во внутреннем цилиндре (поз.2) также устанавливается коллектор охлаждающего пара (поз.18) для приема и равномерного по окружности подвода охлаждающего пара на вал ротора.

Примечание

Перегородка (поз.15) по условиям производства может изготавливаться как отдельным элементом и устанавливаться при монтаже, так и вместе с корпусом (поз.12) уплотнений при возможности использования литейного производства.

Предлагаемое устройство предназначено для выполнения задачи охлаждения центрального участка ротора с дисками первых ступеней обоих потоков и предотвращения паразитных перетечек пара через пространство между дисками первых ступеней из одного потока в другой.

При необходимости решения задачи охлаждения ротора в качестве теплоносителей используется пар источников с различными параметрами (p;t). Этот пар подается в смеситель, из которого и после смешения потоков и достижения необходимой температуры подается по паропроводу с запорнорегулирующей арматурой в кольцевой коллектор с отверстиями, предназначенными для равномерного подвода охлаждающего пара на поверхность вала. В зазоре между валом ротора и гребнями уплотнений при определенном расходе охлаждающего пара происходит разделение его потока относительно места подвода, как в сторону прямого, так и обратного потоков. При этом по всей поверхности омываемого потоком пара участка вала происходит интенсивный теплообмен между валом и паром и равномерное охлаждение вала даже при относительно небольших расходах охлаждающего пара. На выходе из уплотнений охлаждающий пар поступает в кольцевые камеры с установленными в них термодатчиками и омывает боковые поверхности дисков первых ступеней обоих потоков. Затем несколько нагретый охлаждающий пар через осевые зазоры между внутренним корпусом и дисками поступает в проточную часть обоих потоков.

В турбоустановках с низкими параметрами пара (t_вх.≤460°С) на входе двухпоточных цилиндров, но при наличии паразитных перетоков пара между прямым и обратными потоками, для исключения этих перетоков, охлаждающий пар в цилиндр не подается. Предотвращение паразитных перетоков пара обеспечивается установкой перегородок в пространстве между дисками первых ступеней потоков, а также уплотнений с большим числом гребней и относительно малым радиальным зазором между валом и гребнями. В этом случае перетоки будут иметь место только через радиальный зазор между валом и гребнями уплотнений, расход которых не превысит 1,5% от перетоков, имевших место до внедрения предлагаемого изобретения.

Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки включает наружный и внутренний цилиндры, ротор с дисками и рабочими лопатками проточной части прямого и обратного потоков, трубопровод подвода охлаждающего пара к турбине. Во внутреннем цилиндре установлены корпусы с уплотнениями вала ротора. В пространстве между дисками первых ступеней прямого и обратного потоков устанавливаются перегородки, соединенные по торцу с поверхностью внутреннего цилиндра и корпусов уплотнений, образующие две кольцевые камеры, ограниченные поверхностями внутреннего цилиндра, корпусов уплотнений и перегородок, а также боковыми поверхностями дисков первых ступеней. Каждая из кольцевых камер соединена через осевой зазор между диском первой ступени примыкающего к этой камере потока и торцевой поверхностью внутреннего цилиндра с камерой подвода пара на рабочую лопатку первой ступени. Через радиальный зазор между валом ротора и гребнями уплотнений кольцевые камеры соединены между собой. Достигается эффективное охлаждение центральной части ротора при минимальном расходе охлаждающего пара, исключаются непроизводительные перетоки пара, что повышает надежность и КПД цилиндра, увеличивает ресурс ротора. 1 ил.

Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки, включающий наружный и внутренний цилиндры, ротор с дисками и рабочими лопатками проточной части прямого и обратного потоков, трубопровод подвода охлаждающего пара к турбине, при этом во внутреннем цилиндре установлены корпусы с уплотнениями вала ротора, отличающийся тем, что в пространстве между дисками первых ступеней прямого и обратного потоков устанавливаются перегородки, соединенные по торцу с поверхностью внутреннего цилиндра и корпусов уплотнений, образующие две кольцевые камеры, ограниченные поверхностями внутреннего цилиндра, корпусов уплотнений и перегородок, а также боковыми поверхностями дисков первых ступеней, при этом каждая из кольцевых камер соединена через осевой зазор между диском первой ступени примыкающего к этой камере потока и торцевой поверхностью внутреннего цилиндра с камерой подвода пара на рабочую лопатку первой ступени, а также через радиальный зазор между валом ротора и гребнями уплотнений кольцевые камеры соединены между собой.