ВЫПУСКНОЙ ПАТРУБОК ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ТУРБИНОЙ И ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2014 года по МПК F01D25/30 

Уровень техники

Изобретение относится к турбинам, а более конкретно к выпускным патрубкам турбин.

Известны ступени низкого давления паровых турбин, содержащие выпускной патрубок/диффузор, расположенный ниже по потоку от последней ступени турбины (см., например, патент США 4391566, F01D 25/30, 05.07.1983). Выпускной патрубок обеспечивает восстановление статического давления пара и направляет поток из последней ступени турбины в конденсатор. Более конкретно, пар из последней ступени турбины направляется в конденсатор через выпускной патрубок. Часто пар, выходящий из последней ступени турбины, имеет большую вращательную составляющую и высокий градиент потока в радиальном направлении. Более того, часть пара проходит непосредственно в конденсатор через нижнюю часть выпускного патрубка, а оставшийся пар проходит через верхнюю часть выпускного патрубка.

Обычно пар, проходящий через верхнюю часть выпускного патрубка, поворачивает на 180° из вертикального вверх направления потока в вертикальное вниз направление, после чего он поступает в конденсатор. Изменение направления потока пара может привести к сильному завихрению за направляющей пара в верхней части выпускного патрубка. Завихрение сводит к минимуму зону эффективного потока между направляющей потока и наружной стенкой патрубка. Соответственно, потери потока на пути пара повышаются, так что рассеивание потока в верхней части выпускного потока уменьшается. Таким образом, известные выпускные патрубки паровых турбин могут уменьшить эффективность турбины.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание выпускного патрубка для использования с турбиной и паровой турбины.

Указанная задача решается посредством выпускного патрубка для использования с турбиной, содержащего опорный конус, по существу, окружающий ротор турбины, направляющую, расположенную радиально снаружи опорного конуса, при этом направляющая и опорный конус выполнены с возможностью направления текучей среды из турбины, и колпак направляющей, проходящий от направляющей и выполненный с возможностью предотвращения образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке.

Колпак направляющей предпочтительно является, по существу, дугообразным.

Патрубок предпочтительно содержит верхнюю половину и нижнюю половину, при этом колпак направляющей проходит вдоль направляющей в верхней половине выпускного патрубка.

Колпак направляющей предпочтительно проходит от направляющей к турбине.

Колпак направляющей предпочтительно выполнен с возможностью увеличения эффективной площади потока текучей среды между направляющей и наружной стенкой выпускного патрубка.

Направляющая предпочтительно содержит переднюю поверхность и заднюю поверхность, при этом колпак направляющей проходит от задней поверхности для содействия уменьшению потока текучей среды вдоль задней поверхности.

Патрубок предпочтительно выполнен с возможностью направления пара из турбины в конденсатор.

Указанная задача также решается посредством паровой турбины, содержащей ротор, множество ступеней и выпускной патрубок, выполненный с возможностью направления пара из последней ступени множества ступеней, при этом выпускной патрубок содержит опорный конус, по существу, окружающий ротор, направляющую, расположенную радиально снаружи опорного конуса, и колпак направляющей, проходящий от направляющей и выполненный с возможностью предотвращения образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке.

Колпак направляющей предпочтительно является, по существу, дугообразным.

Выпускной патрубок предпочтительно содержит верхнюю половину и нижнюю половину, причем колпак направляющей проходит вдоль направляющей в верхней половине выпускного патрубка.

Техническим результатом, который достигается посредством настоящего изобретения, является уменьшение потерь потока на пути пара, увеличение производительности турбины и уменьшение стоимости работы и/или технического обслуживания турбины.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематичный вид приведенной в качестве примера паровой турбины с противоположным потоком;

Фиг.2 представляет собой вид в перспективе в разрезе приведенного в качестве примера выпускного патрубка, который может использоваться со ступенями низкого давления турбины, показанной на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой схематичный вид выпускного патрубка, показанного на фиг.2, соединенного рядом со ступенью низкого давления турбины, показанной на фиг.1; и

Фиг.4 представляет собой схематичный вид потока пара в выпускном патрубке. Фиг.4A представляет собой схематичный вид потока пара в выпускном патрубке без колпака направляющей. Фиг.4B представляет собой схематичный вид поток пара в выпускном патрубке, показанном на фиг.2.

Подробное описание изобретения

В настоящем изобретении предложен выпускной патрубок паровой турбины. Выпускной патрубок выполнен с возможностью направления пара из турбины к конденсатору. В приведенном в качестве примера варианте осуществления изобретения выпускной патрубок содержит колпак направляющей, который проходит от направляющей в выпускном патрубке. Колпак направляющей способствует предотвращению образования вихрей пара в выпускном патрубке, а также способствует увеличению до максимума эффективной площади потока пара между направляющей и внешней стенкой выпускного патрубка. В одном варианте осуществления изобретения колпак направляющей проходит от задней поверхности направляющей для содействия уменьшению потока пара вдоль задней поверхности.

Следует отметить, что хотя настоящее изобретение описано в отношении выпускного патрубка для паровых турбин, специалисту в данной области техники очевидно, что оно не ограничено только паровыми турбинами. Изобретение может быть использовано в любой системе, где направляют текучую среду. В дальнейшем, для упрощения, настоящее изобретение будет описано только в отношении выпускных патрубков. Однако, как оценят специалисты в данной области техники, настоящее изобретение не ограничено только выпускными патрубками и также может быть использовано в любых устройствах, в которых направляют текучую среду.

На фиг.1 показан схематичный вид приведенной в качестве примера паровой турбины 10 с противоположным потоком. Турбина 10 содержит первую и вторую ступени низкого давления (НД) 12 и 14. Известно, что каждая из ступеней 12 и 14 турбины может включать множество ступеней диафрагм (не показаны на фиг.1). Вал 16 ротора проходит через секции 12 и 14. Каждая из ступеней 12 и 14 НД содержит сопла 18 и 20. Единый наружный кожух или корпус 22 разделен вдоль горизонтальной плоскости и по оси на верхнюю и нижнюю полусекции 24 и 26, соответственно, и охватывает обе ступени 12 и 14. Центральная секция 28 кожуха 22 включает впуск 30 пара низкого давления. Внутри наружного кожуха или корпуса 22 ступени 12 и 14 НД расположены в едином вращающемся узле, поддерживаемом опорными подшипниками 32 и 34. Разделитель потока 40 проходит между первой и второй ступенями турбины 12 и 14.

Следует отметить, что хотя на фиг.1 показана турбина низкого давления с противоположным потоком, специалисты в данной области техники оценят, что настоящее изобретение не ограничено только турбинами низкого давления и может использоваться для любой турбины с противоположным потоком, включая, но не ограничиваясь, турбины среднего давления (СД) и/или турбины высокого давления (ВД). Кроме того, настоящее изобретение не ограничивается только турбинами с противоположным потоком и также может быть использовано, например, в паровых турбинах с одним потоком.

Во время работы на впуск 30 пара низкого давления поступает пар 50 низкого давления со средней температурой из источника, такого как, но не ограничиваясь, турбина ВД или турбина СД через перепускной трубопровод (не показан). Пар 50 поступает через впуск 30 на разделитель потока 40, после которого поток пара разделяется на два противоположных потока 52 и 54. Более конкретно, в приведенном в качестве примера варианте осуществления пар 50 проходит через ступени 12 и 14 НД, где он отдает работу для вращения вала 16 ротора. Затем пар выходит из ступеней 12 и 14 НД, после чего направляется, например, в конденсатор.

На фиг.2 показан вид в перспективе в разрезе приведенного в качестве примера выпускного патрубка 100, который может использоваться со ступенью 12 турбины низкого давления. Хотя на фиг.2 показано использование выпускного патрубка 100 со ступенью 12 турбины низкого давления, специалисты в данной области техники оценят, что выпускной патрубок 100 может также использоваться со ступенью 14 турбины низкого давления. На фиг.3 показан схематичный вид выпускного патрубка 100, соединенного со ступенью 12 турбины низкого давления. Более конкретно, выпускной патрубок 100 соединен рядом с последней ступенью 102 ступени 12 турбины низкого давления.

В приведенном в качестве примера варианте осуществления выпускной патрубок 100 содержит опорный конус 104, направляющую 106 и наружную стенку 108. Опорный конус 104, по существу, окружает вал 16 ротора ступени 12 турбины низкого давления, а направляющая 106 расположена радиально снаружи опорного конуса 104. Более конкретно, направляющая 106 соединена с корпусом 112 ступени 12 турбины низкого давления. В качестве альтернативы, направляющая 106 может быть соединена с любой частью ступени 12 турбины низкого давления. Еще в одном приведенном в качестве примера варианте осуществления направляющая 106 соединена с частью патрубка 100. В приведенном в качестве примера варианте осуществления направляющая 106 и опорный конус 104 направляют пар из ступени 12 турбины низкого давления через выпускной канал 114 выпускного патрубка 100 в конденсатор (не показан), сообщающийся по текучей среде с выпускным патрубком 100. Наружная стенка 108 окружает выпускной патрубок 100 и предотвращает нежелательную утечку пара из выпускного патрубка 100.

В приведенном в качестве примера варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит от края 118 направляющей 106. В альтернативном варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит от любой части направляющей 106. В одном варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит частично вдоль края 118. Более конкретно, выпускной патрубок 100 включает верхнюю половину 120 и нижнюю половину 122, и в одном варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит вдоль края 118 верхней половины 120. В альтернативном варианте осуществления, колпак 116 направляющей проходит вдоль любой части края 118.

Например, в одном варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит вдоль края 118 верхней половины 120 патрубка и примерно на тридцать градусов в нижнюю половину 122 по обеим сторонам выпускного патрубка 100. В еще одном альтернативном варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит целиком вдоль края 118. В приведенном в качестве примера варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит от края 118 к ступени 12 турбины низкого давления. Направляющая 106 имеет переднюю поверхность 124 и противоположную заднюю поверхность 126, и в приведенном в качестве примера варианте осуществления колпак 116 направляющей проходит от задней поверхности 126 к ступени 12 турбины низкого давления. Соответственно, в приведенном в качестве примера варианте осуществления колпак 116 направляющей является, по существу, дугообразным. Однако в альтернативном варианте осуществления колпак 116 направляющей может иметь любую форму, которая обеспечивает работу выпускного патрубка 100, как описано здесь.

Во время работы узла колпак 116 направляющей способствует разрушению вихрей за направляющей 106 пара. Соответственно улучшается рассеивание потока пара между направляющей 106 и наружной стенкой 108. Улучшенное рассеивание потока в свою очередь улучшает восстановление статического давления потока в выпускном патрубке и устанавливает более ровный градиент давления в месте соединения выпускного патрубка 100 и последней ступени турбины.

На фиг.4 схематично показан поток пара 200 через выпускной патрубок. Более конкретно, на фиг.4(A) схематично показан поток пара 200 через выпускной патрубок без колпака 116 направляющей (см. фиг.2). На фиг.4(B) схематично показан поток пара 200 через выпускной патрубок, содержащий колпак 116 направляющей. Как показано на фиг.4(B), колпак 116 направляющей ограничивает дополнительный поток пара 202 позади направляющей 106, а также предотвращает смешивание дополнительного потока пара 202 с основным потоком пара 200. Предотвращение смешивания потоков пара 200 и 202 увеличивает эффективную площадь потока Ai, образованную между направляющей 106 и наружной стенкой 108. Благодаря этому улучшается рассеивание потока между направляющей 106 и внешней стенкой 108, в результате чего улучшается восстановление статического давления в выпускном патрубке 100. Более того, улучшенное рассеивание потока в верхней половине 120 выпускного патрубка 100 приводит к более однородному градиенту давления на стыке выпускного патрубка 100 и последней ступени 102 ступени 12 турбины низкого давления, улучшая таким образом эффективность работы ступени 12 турбины низкого давления.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение способствует повышению восстановленного статического давления в выпускном патрубке 100 и, соответственно, улучшению тепловой эффективности ступени 12 турбины низкого давления. В приведенном в качестве примера варианте осуществления сборка выпускного патрубка 100 с колпаком 116 направляющей выполняется при относительно небольшом увеличении стоимости сборки по сравнению со сборкой выпускного патрубка 100 без колпака 116 направляющей. При этом установка колпака 116 направляющей приводит к повышению эффективности турбины, что в результате снижает затраты на обеспечение работы и/или техобслуживания ступени 12 турбины низкого давления.

В одном варианте осуществления изобретения предложен способ сборки выпускного патрубка для использования с турбиной. Способ включает обеспечение опорного конуса, который, по существу, окружает ротор турбины, и расположение направляющей радиально снаружи опорного конуса. Направляющая и опорный конус выполнены с возможностью направления текучей среды из турбины. Способ также включает обеспечение колпака направляющей, проходящего от направляющей. Колпак направляющей выполнен с возможностью предотвращения образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке. В приведенном в качестве примера варианте осуществления выпускной патрубок выполнен с возможностью направления пара из турбины к конденсатору.

В приведенном в качестве примера варианте осуществления способ также включает обеспечение дугообразного колпака направляющей, проходящего от направляющей. В одном варианте осуществления колпак направляющей проходит вдоль направляющей в верхней половине выпускного патрубка. В другом варианте осуществления колпак направляющей проходит от направляющей к турбине.

Кроме того, в приведенном в качестве примера варианте осуществления изобретения способ включает ориентирование колпака направляющей для содействия увеличению эффективной площади потока текучей среды между направляющей и наружной стенкой выпускного патрубка. В другом варианте осуществления изобретения способ включает обеспечение колпака направляющей, проходящего от задней поверхности направляющей для содействия уменьшению потока текучей среды вдоль задней поверхности.

Описанные выше системы и способы способствуют улучшению рассеивания потока пара между направляющей выпускного патрубка и наружной стенкой выпускного патрубка. Соответственно, улучшается восстановление статического давления в выпускном патрубке, и градиент давления становится более ровным в месте соединения выпускного патрубка и последней ступени турбины. При этом производительность турбины повышается, в то время как стоимость работы и/или технического обслуживания турбины уменьшается.

Если в описании указано «в одном варианте осуществления», это не означает, что данные конструктивные элементы не могут использоваться в других вариантах осуществления изобретения.

Выше подробно описаны приведенные в качестве примера варианты осуществления систем и способов сборки выпускного патрубка. Показанные системы и способы не ограничиваются конкретными вариантами осуществления, описанными здесь, и элементы системы могут использоваться отдельно и независимо от других элементов, описанных здесь. Кроме того, этапы, приведенные в описании способа сборки, могут использоваться отдельно и независимо от других этапов, описанных здесь.

Хотя изобретение описано в различных конкретных вариантах осуществления, специалисты в данной области техники оценят, что изобретение может быть осуществлено с изменениями, не выходящими за рамки сущности и объема формулы изобретения.

Выпускной патрубок для использования с турбиной, включающей множество ступеней, выполнен с возможностью направления пара из турбины в конденсатор и содержит опорный конус, окружающий ротор турбины, направляющую и колпак направляющей. Направляющая расположена радиально снаружи опорного конуса, при этом направляющая и опорный конус выполнены с возможностью направления текучей среды из турбины. Колпак направляющей проходит от края и задней поверхности направляющей к турбине и содействует предотвращению образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке. Другое изобретение группы относится к паровой турбине, включающей указанный выше выпускной патрубок. Группа изобретений позволяет увеличить производительность турбины. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Выпускной патрубок (100) для использования с турбиной (10), включающей множество ступеней, при этом выпускной патрубок выполнен с возможностью направления пара (50) из турбины (10) в конденсатор и содержит:
опорный конус (104), по существу, окружающий ротор турбины;
направляющую (106), расположенную радиально снаружи опорного конуса, при этом направляющая и опорный конус выполнены с возможностью направления текучей среды из турбины; и
колпак (116) направляющей, проходящий от края (118) и задней поверхности (126) направляющей (106) к турбине (10), причем колпак (116) направляющей содействует предотвращению образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке.

2. Патрубок (100) по п.1, в котором колпак (116) направляющей является, по существу, дугообразным.

3. Патрубок (100) по п.1, в котором он содержит верхнюю половину (120) и нижнюю половину (122), при этом колпак (116) направляющей проходит вдоль направляющей (106) в верхней половине выпускного патрубка.

4. Патрубок (100) по п.1, в котором колпак (116) направляющей выполнен с возможностью увеличения эффективной площади потока текучей среды между направляющей (106) и наружной стенкой (108) выпускного патрубка (100).

5. Патрубок (100) по п.1, в котором направляющая (106) содержит переднюю поверхность (124) и заднюю поверхность (126), при этом колпак (116) направляющей проходит от задней поверхности для содействия уменьшению потока текучей среды вдоль задней поверхности.

6. Паровая турбина (10), содержащая
ротор (16), содержащий множество ступеней; и
выпускной патрубок (100), выполненный с возможностью направления пара (50) из последней ступени множества ступеней, при этом выпускной патрубок содержит:
опорный конус (104), по существу, окружающий ротор;
направляющую (106), расположенную радиально снаружи опорного конуса; причем направляющая и опорный конус выполнены с возможностью направления текучей среды из турбины; и
колпак (116) направляющей, проходящий от края (118) и задней поверхности (126) направляющей (106) к турбине (10), при этом колпак (116) направляющей содействует предотвращению образования вихрей текучей среды в выпускном патрубке.

7. Турбина (10) по п.6, в которой колпак (116) направляющей является, по существу, дугообразным.

8. Турбина (10) по п.6, в которой выпускной патрубок (100) содержит верхнюю половину (120) и нижнюю половину (122), причем колпак (116) направляющей проходит вдоль направляющей (106) в верхней половине выпускного патрубка.