ПАРОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F01D3/04 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[101] Данное изобретение относится в целом к способам, системам и/или устройствам для улучшения эксплуатации паротурбинных двигателей. Более конкретно, но без ограничения этим, данное изобретение относится к усовершенствованным способам, системам и/или устройствам, относящимся к эксплуатации паровых турбин с трехпоточными турбинами низкого давления.

[102] Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что паротурбинные установки могут содержать роторный механизм, который при помощи общего вала соединяет несколько турбин, работающих при различных уровнях давления. Обычно каждая их данных турбин расположена в паре с другой турбиной так, что осевое усилие (или «упорное усилие»), прикладываемое к валу каждой из турбин, может быть уравновешено другой из них. Например, паротурбинная установка может содержать турбину высокого давления, которая расположена в паре с турбиной среднего давления. Указанные турбины могут быть выполнены таким образом, что в процессе эксплуатации осевое усилие, прикладываемое к валу каждой из турбин, уравновешено (или по существу уравновешено) осевым усилием, прикладываемым другой из них. Кроме того, паротурбинные установки часто содержат две турбины низкого давления, которые расположены в паре друг с другом таким же образом, то есть осевое усилие, прикладываемое каждой из турбин к валу, уравновешивает осевое усилие другой турбины.

[103] Однако в некоторых случаях осевые усилия, прикладываемые к роторному механизму, содержащему общий вал, не могут быть уравновешены путем расположения турбин попарно. Следует понимать, что в таких ситуациях требуется применение крупногабаритных, дорогостоящих упорных подшипников, создающих противодействующие усилия с достижением осевого равновесия. В некоторых областях применения наличие нечетного числа турбин является преимущественным, особенно если одна из турбин может быть приведена в действие и отсоединена в зависимости от требований по нагрузке. В этом случае нечетное число турбин и/или тот факт, что одна турбина работает только в периоды пиковой нагрузки, означает, что осевой баланс не может быть достигнут только путем расположения турбин попарно с обеспечением компенсации одинаковых осевых усилий. Вместо этого данная система должна содержать упорный подшипник подходящего размера, обеспечивающий противодействие усилию, создаваемому при эксплуатации непостоянно работающей турбины. Однако такое решение нежелательно, поскольку изготовление и обслуживание упорного подшипника требует значительных затрат, что является еще более невыгодным с учетом того, что осевой подшипник необходим только в определенные периоды времени, то есть при приведении в действие непостоянно работающей турбины.

В патентном документе США №20060140747 описана паротурбинная энергетическая установка, содержащая упорный поршень, расположенный на общем валу между секцией высокого давления и комбинированной секцией среднего и низкого давления. Соответственно, в указанной установке на упорный поршень подается пар среднего или низкого давления. Подача пара при пониженном давлении требует применения упорного поршня со значительной площадью поверхности, на которую может оказывать воздействие пар. Такие крупногабаритные поршни требуют больших затрат на изготовление и обслуживание и негативно влияют на КПД двигателя, поскольку затормаживают вращение вала.

[104] Таким образом, существует необходимость в создании усовершенствованных систем и/или устройств для уравновешивания осевого роторного усилия при изменяющихся режимах эксплуатации, а также при использовании роторных механизмов, в которых равновесие является труднодостижимым вследствие разных размеров и числа турбин, в частности, с обеспечением усовершенствований, которые являются экономически эффективными и простыми с точки зрения как выполнения, так и эксплуатации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[105] Таким образом, в данной заявке описана паротурбинная энергетическая установка, которая содержит первую паровую турбину, а также упорный поршень, функционально соединенный с первой паровой турбиной при помощи вала, и средство подачи сжатого пара на упорный поршень с обеспечением приложения указанным поршнем заданного осевого усилия к валу. В некоторых вариантах выполнения указанное заданное осевое усилие представляет собой осевое усилие, которое частично уравновешивает осевое усилие, прикладываемое первой паровой турбиной к валу в процессе эксплуатации. В некоторых вариантах выполнения заданное осевое усилие представляет собой осевое усилие, которое уравновешивает осевое усилие, прикладываемое первой паровой турбиной к валу в процессе эксплуатации.

[106] В некоторых вариантах выполнения заданное осевое усилие представляет собой осевое усилие, которое по меньшей мере частично уравновешивает осевое усилие, прикладываемое первой паровой турбиной к валу в процессе эксплуатации. Установка может дополнительно содержать вторую паровую турбину, которая работает при более высоком давлении, чем указанная первая паровая турбина, причем подаваемый сжатый пар отбирается из второй паровой турбины.

[107] Кроме того, в данной заявке описан упорный поршень, входящий в состав паротурбинной энергетической установки, которая содержит роторный механизм, содержащий турбину высокого давления, турбину среднего давления и три турбины низкого давления, причем указанные три турбины низкого давления содержат две двухпоточные турбины низкого давления и однопоточную турбину низкого давления, при этом турбина высокого давления и турбина среднего давления выполнены таким образом, что каждая из них по существу уравновешивает осевое усилие другой, а указанные две двухпоточные турбины низкого давления выполнены таким образом, что каждая из них по существу уравновешивает осевое усилие другой, при этом средство отбора пара подает пар высокого давления от турбины высокого давления к полости, расположенной перед однопоточной турбиной низкого давления, причем в направлении к указанной турбине указанная полость по существу ограничена неподвижной конструкцией, которая окружает вал роторного механизма. Упорный поршень может быть соединен с валом, при этом в направлении от однопоточной турбины низкого давления указанная полость по существу ограничена указанным поршнем, который выполнен с возможностью противодействия заданному количеству осевого усилия, создаваемого однопоточной турбиной низкого давления в процессе эксплуатации.

Соответственно, расположение упорного поршня таким образом, что на него подается пар высокого давления от турбины высокого давления, обеспечивает возможность использования поршня с меньшей площадью поверхности, что позволяет снизить затраты на изготовление и обслуживание и повысить КПД по сравнению с известными установками.

[108] В некоторых вариантах выполнения упорный поршень выполнен с возможностью противодействия по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной низкого давления в процессе эксплуатации. В некоторых вариантах выполнения площадь поверхности упорного поршня, которая ограничивает полость, имеет размер, обеспечивающий противодействие по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной низкого давления с учетом давления пара высокого давления, который подается в указанную полость.

[109] В некоторых вариантах выполнения средство отбора пара содержит точку отбора пара в паровой турбине высокого давления, из которой подается пар высокого давления в полость при давлении, достаточном для противодействия по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной низкого давления с учетом размера площади поверхности упорного поршня, ограничивающей указанную полость. В некоторых вариантах выполнения однопоточная турбина низкого давления имеет область, расположенную смежно с выпуском турбины высокого давления, а двухпоточная турбина низкого давления имеет область, расположенную смежно с выпуском турбины среднего давления.

[110] В некоторых вариантах выполнения упорный поршень содержит жесткую часть вала, диаметр которой превышает диаметр вала, причем упорный поршень имеет форму цилиндра, ось которого параллельна оси вала, а также имеет относительно небольшую осевую толщину и заранее заданную площадь кругового поперечного сечения, при этом указанная заданная площадь представляет собой площадь поперечного сечения, требуемую с учетом заданного осевого усилия, необходимого для противодействия, и уровня давления пара высокого давления, поступающего в полость.

[111] В некоторых вариантах выполнения средство отбора пара содержит первый трубопровод, выполненный с возможностью отбора пара высокого давления из заданной ступени турбины высокого давления. В некоторых вариантах выполнения предусмотрен второй трубопровод, обеспечивающий направление пара высокого давления из полости в конечную ступень турбины высокого давления, причем указанная конечная ступень представляет собой ступень, расположенную ниже по потоку относительно указанной заданной ступени, в которой происходит отбор пара высокого давления.

[112] В некоторых вариантах выполнения полость в направлении к однопоточной турбине низкого давления дополнительно ограничена первым набором уплотнений, который предназначен для обеспечения герметичности между неподвижной конструкцией и валом, при этом в направлении от однопоточной турбины низкого давления полость дополнительно ограничена вторым набором уплотнений, который предназначен для обеспечения герметичности между неподвижной конструкцией и упорным поршнем. В некоторых вариантах выполнения вал содержит муфту, которая при необходимости обеспечивает подсоединение однопоточной турбины низкого давления к роторному механизму и ее отсоединение от него.

[113] В некоторых вариантах выполнения при подсоединении однопоточной турбины низкого давления с помощью муфты средство отбора пара обеспечивает подачу пара высокого давления из турбины высокого давления в полость, а при отсоединении однопоточной турбины низкого давления с помощью муфты средство отбора пара прекращает подачу пара высокого давления из турбины высокого давления в полость.

[114] Эти и другие особенности данного изобретения станут понятны из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения при его рассмотрении совместно с чертежами и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[115] Эти и другие особенности данного изобретения станут более очевидны и понятны при тщательном рассмотрении нижеследующего более подробного описания иллюстративных вариантов выполнения изобретения совместно с сопроводительными чертежами, на которых:

[116] фиг. 1 изображает схематический вид иллюстративной паротурбинной энергетической установки в соответствии с обычной конструкцией,

[117] фиг. 2 изображает схематический вид другой иллюстративной паротурбинной энергетической установки в соответствии с обычной конструкцией,

[118] фиг. 3 изображает схематический вид паротурбинной энергетической установки в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[119] Для ясного понимания описания изобретения может быть необходимым выбор терминологии, которая относится к конкретным компонентам установки или частям турбинного двигателя и используется для их описания. Там, где это возможно, используется общепринятая для данной отрасли терминология, применяемая в общепринятом значении. Однако подразумевается, что такая терминология используется в широком, а не в узком понимании, которое необоснованно ограничивает подразумеваемое в данном документе значение термина и объем прилагаемой формулы изобретения. Специалистам должно быть понятно, что часто конкретные компоненты могут обозначаться несколькими различными терминами. Кроме того, элемент, описанный в данном документе как единый элемент, в другом контексте может рассматриваться как содержащий несколько компонентов, или же элемент, описанный в данном документе как содержащий несколько компонентов, может быть выполнен в виде единого элемента или, в некоторых случаях, может рассматриваться как единый элемент. По существу, для понимания объема изобретения, описанного в данном документе, следует уделять внимание не только приведенным терминологии и описанию, а также описанным в данном документе конструкции, конфигурации, назначению /или способу применения компонента.

[120] Кроме того, в данном документе может использоваться несколько пояснительных терминов. Значения этих терминов охватывают следующие определения. Выражения «нижний по потоку» и «верхний по потоку» указывают направление относительно потока рабочей текучей среды, проходящего через турбину. По существу, выражение «нижний по потоку» обозначает направление потока, а выражение «верхний по потоку» обозначает направление, противоположное направлению потока, проходящего через турбинный двигатель. Выражения «ведомый» и «ведущий» в целом относятся к положению относительно направления вращения вращающихся компонентов. По существу, «ведущая кромка» вращающегося элемента представляет собой лицевую или переднюю кромку относительно направления вращения указанного элемента, а «ведомая кромка» вращающегося элемента представляет собой хвостовую или заднюю кромку относительно направления вращения указанного элемента. Термин «радиальный» относится к перемещению или положению, перпендикулярному оси. Часто имеется необходимость в описании элементов, расположенных в различных радиальных положениях относительно оси. В этом случае, если первый компонент находится ближе к оси, чем второй компонент, то в данном документе может быть указано, что первый компонент расположен «радиально внутри» или «внутри» второго компонента. С другой стороны, если первый компонент находится дальше от оси, чем второй компонент, то в данном документе может быть указано, что первый компонент расположен «радиально снаружи» или «снаружи» второго компонента. Термин «осевой» относится к перемещению или положению, параллельному оси. Наконец, термин «периферический» относится к перемещению или положению вокруг оси.

[121] На чертежах фиг. 1 изображает схематический вид паротурбинной энергетической установки 100 в соответствии с возможной обычной конфигурацией. Следует понимать, что указанная установка 100 может содержать роторный механизм, в состав которого входит несколько турбин или турбинных секций, название которых может быть приведено с учетом относительного уровня давления пара, направляемого через каждую из них. Как показано на чертеже, установка 100 может содержать соединенные при помощи общего ротора или вала 102 турбину 104 высокого давления («турбину ВД»), которая содержит систему 105 подачи пара высокого давления, турбину 106 среднего давления («турбину СД»), которая содержит систему 107 подачи пара среднего давления, и три различные турбины низкого давления, две из которых являются частью двухпоточной турбины 108 низкого давления («двухпоточные турбины НД»), содержащей систему 109 подачи пара низкого давления, а третья представляет собой однопоточную турбину 110 низкого давления («однопоточную турбину НД»), которая также содержит систему 109 подачи пара низкого давления.

[122] Несмотря на то что это не показано на чертежах, следует понимать, что установка 100 содержит источник пара или котел (не показан), обеспечивающий подачу сжатого пара при помощи указанных систем 105, 107, 109 к турбинным секциям 104, 106, 108, 110. Специалистам должно быть понятно, что для подачи пара могут использоваться различные конфигурации и системы подачи. Например, системы подачи пара могут содержать одно или более прямых или непрямых соединений, выполненных между котлом и различными турбинными секциями, либо, например, возможно выполнение одного или более соединений между выходом или выпуском одной из турбинных секций повышенного давления и системой подачи пара одной из турбинных секций пониженного давления, либо возможно использование какой-либо комбинации любых из указанных систем. Система может дополнительно содержать один или более перегревателей, подогревателей и/или других традиционных компонентов и систем. Кроме того, вал 102 соединен с генератором 112, в котором механическая энергия вращающегося вала преобразуется в электричество.

[123] Как показано на чертеже, паротурбинная энергетическая установка 100 выполнена таким образом, что турбина 104 расположена в паре с турбиной 106 СД. Следует понимать, что турбина 104 ВД и турбина 106 СД могут быть выполнены таким образом, что в процессе эксплуатации создаваемое ими осевое усилие, прикладываемое к валу 102, уравновешено (или по меньшей мере частично уравновешено) осевым усилие, прикладываемым к валу 102 другой из указанных турбин. Кроме того, как показано на фиг. 1, двухпоточные турбины 108 НД могут быть расположены в паре друг с другом аналогичным образом, то есть так, что осевое усилие, прикладываемое к валу каждой из указанной турбин, уравновешено осевым усилием другой из них.

[124] Однако следует понимать, что попарное расположение невозможно для однопоточной турбины 110 НД, которая также показана на фиг. 1. Тем не менее, при работе указанной турбины 110 она прикладывает к валу 102 значительное осевое усилие, которое должно быть учтено или «уравновешено» тем или иным способом. Для решения этой проблемы обычная технология в целом направлена на использование крупногабаритного упорного подшипника 116. А именно, упорный подшипник 116 может быть расположен напротив однопоточной турбины 110 НД (и перед ней) с обеспечением осевой опоры, которая необходима для противодействия осевому усилию, создаваемому при работе указанной турбины 110. Упорные подшипники 116 обычно являются крупногабаритными, требуют больших затрат на изготовление и обслуживание и негативно влияют на КПД двигателя, поскольку затормаживают вращение вала 102. Кроме того, поскольку в данной области применения имеет место уравновешивание большого осевого усилия, то требуются упорные подшипники чрезвычайно большого размера, что еще больше усиливает их отрицательные свойства. По этим причинам данное альтернативное решение является относительно неприемлемым и служит одной из причин, по которой «дополнительная» однопоточная турбина 110 НД не используется в областях применения энергетических установок.

[125] Однако следует понимать, что наличие непарной однопоточной турбины 110, которая изображена на фиг. 1, может быть преимущественным, в частности, если имеется возможность подсоединения и отсоединения указанной турбины для удовлетворения изменяющимся требованиям по нагрузке. Следует понимать, что такая система обеспечивает операторам энергетической установки большую гибкость для удовлетворения различных требований по нагрузке. На фиг. 1 изображен обычный муфтовый механизм или муфта 118, которая подходит для применения в данном случае, поскольку однопоточная турбина 110 НД может быть подсоединена с помощью муфты 118 при необходимости и отсоединена, когда в соответствии с требованиями по нагрузке ее использование не требуется. Разумеется, что в такой системе дисбаланс осевого усилия, создаваемый турбиной 110, необходимо уравновешивать упорным подшипником 116 только во время подсоединения турбины 110 с помощью муфты 118, что вероятно предполагает необходимость использования дорогостоящего упорного подшипника 116 увеличенного размера только в периоды пиковой нагрузки, при этом во все остальные периоды необходимость в нем отсутствует.

[126] Понятно, что паротурбинная энергетическая установка 100 может содержать множество других компонентов и систем, таких как различные тепловые источники (котельные на органическом топливе, геотермальные источники, ядерные источники и т.д.), котлы различных типов, другие паровые турбины, другие муфтовые механизмы, дополнительные валы, узлы зубчатой передачи, системы перегрева пара, подогревательные системы, клапаны, подшипники скольжения, перепускные трубы, газовые турбины и т.д. Для упрощения и по причине того, что указанные компоненты являются несущественными для работы заявленной системы, данные компоненты не показаны. Это также относится к паротурбинным энергетическим установкам, изображенным на фиг. 2 и 3.

[127] На фиг. 2 изображен схематический вид паротурбинной энергетической установки 200 в соответствии с другой возможной обычной конфигурацией. Следует понимать, что, аналогично установке 100, указанная установка 200 содержит несколько турбин, название которых может быть приведено с учетом относительного уровня давления пара, направляемого через каждую из них, а именно турбину 104 ВД, которая содержит систему 105 подачи пара высокого давления, турбину 106 СД, которая содержит систему 107 подачи пара среднего давления, и четыре турбины НД (каждая из которых входит в пару из двух двухпоточных турбин 108), каждая из которых содержит систему 109 подачи пара низкого давления. Как и в случае энергетической установки, изображенной на фиг. 1, установка 200 выполнена таким образом, что турбина 104 ВД расположена в паре с турбиной 106 СД, так что осевое усилие каждой из указанных турбин по существу уравновешено осевым усилием другой из них. Указанные две группы двухпоточных турбин 108 НД расположены попарно аналогичным образом, то есть так, что осевое усилие, прикладываемое каждой из указанных турбин к валу 102, уравновешено осевым усилием другой из них. По существу, в данном случае можно сказать, что вместо дополнительной однопоточной турбины 110 НД (как на фиг. 1) имеются две дополнительные турбины 108 НД, которые могут использоваться для удовлетворения изменяющихся требований по нагрузке путем подсоединения и отсоединения двухпоточных турбин 108 НД при помощи муфты 118 в соответствии с необходимостью.

[128] Однако специалистам должно быть понятно, что изображенная на фиг. 2 энергетическая установка 200 не обеспечивает такую же эксплуатационную гибкость, как установка, изображенная на фиг. 1, поскольку в большинстве случаев применения подсоединение двух турбин 110 НД является чрезмерным для решения поставленной задачи и неэффективным. То есть для удовлетворения условиям пиковой нагрузки оператор энергетической установки, изображенной на фиг. 2, должен задействовать две дополнительные турбины НД (то есть те две турбины, которые образуют двухпоточную турбину 108 НД), тогда как оператор энергетической установки, изображенной на фиг. 1, имеет возможность задействовать однопоточную НД турбину 109. По существу, в тех случаях, когда требуется только одна дополнительная турбина НД, установка, изображенная на фиг. 1, является гораздо более эффективной и экономичной. Однако, как изложено выше, несбалансированная однопоточная турбина 110 НД имеет свои недостатки, заключающиеся в том, что она требует применения дорогостоящего упорного подшипника 116 для уравновешивания осевых усилий.

[129] На фиг. 3 изображен схематический вид паротурбинной энергетической установки 300 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения. Следует понимать, что указанная установка 300 содержит те же паровые турбины, что и установка 100, показанная на фиг. 1: турбину 104 ВД, которая содержит систему 105 подачи пара высокого давления, турбину 106 СД, которая содержит систему 107 подачи пара среднего давления, и три турбины 108, 110 НД, содержащие две двухпоточные турбины 108 НД и однопоточную турбину 110 НД. Каждая из турбин 108, 110 НД может содержать систему 109 подачи пара низкого давления, как показано на чертеже. Кроме того, аналогично энергетической установке, изображенной на фиг. 1, турбина 104 ВД расположена в паре (и в целом уравновешена) с турбиной 106 СД, а две двухпоточные турбины 108 НД расположены в паре (и в целом уравновешены) друг с другом так, что осевое усилие, прикладываемое каждой из указанных турбин к валу, уравновешивает осевое усилие другой из них.

[130] Однако однопоточная турбина 110 не может быть уравновешена другой турбиной. Следует понимать, что при работе указанной турбины 110 она прикладывает существенное осевое усилие вдоль вала, которое должно быть учтено или уравновешено тем или иным способом.

[131] Следует отметить, что между пунктирными линиями 122 и 124 на фиг. 3 приведено схематическое изображение неподвижного корпуса турбины или наружной конструкции 125, которая окружает роторный механизм в данном местоположении. Данное изображение представлено именно в этой части энергетической установки 300, поскольку это чрезвычайно хорошо иллюстрирует данное изобретение. Следует понимать, что наружная конструкция 125 представляет собой обычные компоненты и конструкции, известные в данной области техники.

[132] В соответствии с вариантами выполнения данного изобретения, как показано на фиг. 3, осевое усилие однопоточной турбины 110 НД уравновешено или по меньшей мере частично уравновешено упорным поршнем 128, на который воздействует пар высокого давления. В частности, пар высокого давления, действующий на поршень 128, который расположен вблизи турбины 110 и перед ней, компенсирует или по меньшей мере частично компенсирует дисбаланс осевого усилия, создаваемый турбиной 110 при ее эксплуатации и подсоединении. В целом упорный поршень 128 может содержать жесткую секцию вала увеличенного размера, то есть имеющую диаметр, превышающий диаметр вала 102. В целом поршень 128 имеет форму цилиндра, ось которого параллельна оси вала 102. Кроме того, указанный цилиндр в целом имеет относительно небольшую осевую толщину и площадь кругового поперечного сечения, размеры которой могут зависеть от конкретной области применения, как описано более подробно ниже. Упорный поршень 128 обычно изготовлен из стандартных материалов.

[133] Пар высокого давления, который воздействует на упорный поршень 128, для этого может быть отобран при помощи обычных средств из турбины 104 ВД. От точки отбора подаваемый пар высокого давления может быть направлен по первому трубопроводу 132 из турбины 104 в полость 135. Указанная полость 135 представляет собой по существу замкнутое пространство, расположенное между поршнем 128 и однопоточной турбиной 110 НД. В направлении турбины 110 полость 135 ограничена неподвижной конструкцией 125 и набором уплотнений 137, которые образуют уплотнение между конструкцией 125 и валом 102. Указанные уплотнения 137 могут представлять собой обычные уплотнения, обеспечивающие герметичность между неподвижными компонентами, которые в данном случае представляют собой неподвижную конструкцию 125, и вращающимися компонентами, которые в данном случае представлены валом 102. Например, уплотнения 137 могут представлять собой щеточные уплотнения, ступенчатые уплотнения или уплотнения других типов. В противоположном направлении (то есть в направлении от турбины 110) полость 135 может быть расположена смежно с упорным поршнем 128 и уплотнениями 137, которые образуют уплотнение между неподвижной конструкцией 125 и поршнем 128, и ограничена ими. Как указано выше, уплотнения 137 могут содержать обычные уплотнения, обеспечивающие герметичность между неподвижным компонентами, которые в данном случае представляют собой неподвижную конструкцию 125, и вращающимися компонентами, которые в данном случае представляют собой внешний радиальный край цилиндрического упорного поршня 128.

[134] В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 3, сжатый пар возвращается из полости 135 к выходным ступеням турбины 104 ВД по второму трубопроводу 141. Возвращенный таким образом пар может быть выпущен в последующие ступени турбины 104. Данная конфигурация может ограничивать потери пара в системе. Пар из полости 135 может использоваться и для других задач. Например, он может быть подан в турбину СД или одну из турбин НД либо использован в нагревательной системе.

[135] Может быть предусмотрена муфта 118, так что имеется возможность подсоединения однопоточной турбины 110 НД, когда это необходимо, и ее отсоединения, когда другие имеющиеся турбины установки 300 обеспечивают надлежащее удовлетворение требований по нагрузке. Следует понимать, что если турбина 110 отсоединена, то необходимость в уравновешивании общего осевого усилия отсутствует. Следовательно, линия подачи пара высокого давления из турбины 104 ВД может быть перекрыта, что обеспечивает возможность использования пара, предназначенного для отбора, указанной турбиной 104. Перекрытие подачи пара высокого давления может быть выполнено при помощи клапана 143 или другими обычными способами.

[136] При подсоединенной однопоточной турбине 110 необходимость в крупногабаритном и дорогостоящем упорном подшипнике отпадает благодаря воздействию пара высокого давления на упорный поршень 128 с обеспечением уравновешивания системы. Следует понимать, что при использовании пара высокого давления, как предложено в данном документе, упорный поршень 128, необходимый для уравновешивания однопоточной турбины 110 НД, может оставаться относительно компактным по размеру. Более конкретно, следует понимать, что размер поршня 128, который необходим для уравновешивания турбины 110, зависит от давления пара, поданного в полость 135. Подача пара при пониженном давлении требует применения упорного поршня 128 со значительной площадью поверхности, на которую может оказывать воздействие пар. С другой стороны, подача пара при повышенном давлении требует меньшей площади поверхности, на которую должно оказываться давление, но при этом также обеспечивает уравновешивание осевого усилия турбины 110. Отбор пара из турбины 104 ВД, как предложено в данном документе, обеспечивает подачу пара при высоком давлении, что позволяет использовать относительно небольшой, экономически эффективный упорный поршень 128 для уравновешивания однопоточной турбины 110 НД. В некоторых вариантах выполнения могут использоваться известные, обычные точки отбора пара в пределах ВД турбины 104, при этом упорный поршень 128 выполнен с расположением в нем данной конкретной точки отбора. То есть с учетом давления пара, который может быть подан в полость 135 из точки отбора, и осевого усилия турбины 110, которое необходимо компенсировать, упорный поршень 128 может быть выполнен с предоставлением необходимой площади поверхности. Как правило, это требует регулирования диаметра поршня 128 для придания ему заданной площади поверхности. В других вариантах выполнения поршень 128 может быть выполнен с учетом других критериев или ограничений, и исходя из этого может быть определена точка отбора пара. То есть с учетом осевого усилия, которое необходимо компенсировать и исходя из площади поверхности упорного поршня 128 может быть определено местоположение точки отбора пара в пределах турбины 104 ВД, которая обеспечивает подачу пара при заданном давлении в полость 135.

[137] Следует понимать, что в некоторых вариантах выполнения данного изобретения упорный поршень 128 может быть выполнен таким образом, что он уравновешивает только часть осевого усилия, создаваемого однопоточной турбиной 110 НД. В данных вариантах выполнения поршень 128 может быть выполнен с возможностью частичного уравновешивания осевого усилия турбины 110, при этом для обеспечения равновесия системы используются упорные подшипники 116. Следует понимать, что в этих случаях размер подшипников 116 может быть существенно уменьшен, что может сделать данный вариант подходящим для некоторых областей применения.

[138] В одном предпочтительном варианте выполнения однопоточная турбина 110 НД может быть соединена с валом 102 смежно или рядом с выпуском турбины 104 ВД, при этом двухпоточная секция НД соединена с роторным механизмом смежно с выпуском турбины 106 СД, как показано на фиг. З. Однако данный вариант применения приведен исключительно в качестве примера. Следует понимать, что те же принципы могут быть применены для уравновешивания осевого усилия турбин в энергетических установках других конфигураций. Например, предложенные в данном документе принципы могут быть эффективно применены для обеспечения равновесия любой паровой турбины (турбины низкого давления или иного типа) в системе, которая содержит паровую турбину, работающую при повышенном давлении, или содержит другой источник пара повышенного давления.

[139] Следует понимать, что в процессе эксплуатации пар может быть отобран из турбины 104 ВД и направлен по трубопроводу 132 в полость 135. В полости 135 сжатый пар оказывает действующее вдоль оси усилие в обоих направлениях. В направлении к однопоточной турбине 110 НД пар главным образом оказывает давление на неподвижную конструкцию 125. (Небольшая часть пара давит на уплотнение 137, и еще меньшая его часть вытекает через уплотнения 137. Система выполнена таким образом, что пар, выходящий через уплотнения 137, поступает в турбину 110, где он может быть использован.) В направлении от турбины 110 пар, находящийся в полости 135, главным образом оказывает давление на упорный поршень 128. Следует понимать, что результирующим эффектом давления при наличии полости 135 является осевое усилие, прикладываемое к валу 102 на расстоянии от турбины 110. Величина данного суммарного усилия может быть установлена путем изменения площади поверхности поршня 128 с обеспечением уравновешивания заданной части осевого усилия, создаваемого однопоточной турбиной 110 НД.

[140] Специалисту должно быть понятно, что различные особенности и конфигурации, описанные выше в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, могут дополнительно выборочно использоваться для создания других возможных вариантов выполнения данного изобретения. Для краткости и принимая во внимание квалификацию специалистов, в данном документе отсутствует подробное изложение и рассмотрение всех возможных этапов данного изобретения, но при этом все комбинации и возможные варианты выполнения, охватываемые несколькими пунктами нижеследующей формулы изобретения или иным образом, являются частью данного изобретения. Кроме того, на основании вышерассмотренных нескольких иллюстративных вариантов выполнения изобретения специалистами могут быть выполнены усовершенствования, изменения и модификации. Предполагается, что такие усовершенствования, изменения и модификации, очевидные для специалиста, также охватываются прилагаемой формулой изобретения. Более того, должно быть очевидным, что вышеизложенное относится только к описанным вариантам выполнения данного изобретения и что возможно выполнение многочисленных изменений и модификаций без отклонения от сущности и объема изобретения, определенных пунктами последующей формулы изобретения и их эквивалентами.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

100 Паротурбинная энергетическая установка

102 Общий ротор или вал

104 Турбина высокого давления

105 Система подачи пара высокого давления

106 Турбина среднего давления

107 Система подачи пара среднего давления

108 Двухпоточная турбина низкого давления

109 Система подачи пара низкого давления

110 Однопоточная турбина низкого давления

112 Генератор

116 Упорный подшипник

118 Муфта

125 Корпус турбины или наружная конструкция

128 Упорный поршень

132 Первый трубопровод

135 Полость

137 Уплотнение

141 Второй трубопровод

143 Клапан

200 Паротурбинная энергетическая установка

300 Паротурбинная энергетическая установка

Паротурбинная энергетическая установка содержит турбину (104) высокого давления, турбину (106) среднего давления и три турбины низкого давления. Три турбины низкого давления содержат две турбины (108) низкого давления, образующие двухпоточную турбину (108) низкого давления, и однопоточную турбину (110) низкого давления. Турбина (104) высокого давления и турбина (106) среднего давления выполнены таким образом, что каждая из них по существу уравновешивает осевое усилие другой. Двухпоточная турбина (108) низкого давления также выполнена уравновешенной по осевому усилию. Средство отбора пара подает пар высокого давления от турбины (104) высокого давления к полости, расположенной перед однопоточной турбиной (110) низкого давления. В направлении к однопоточной турбине низкого давления указанная полость по существу ограничена неподвижной конструкцией, которая окружает вал (102). Установка содержит упорный поршень (128), соединенный с валом (102), и в направлении от однопоточной турбины низкого давления указанная полость по существу ограничена указанным поршнем (128). Упорный поршень (128) выполнен с возможностью противодействия осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной (110) низкого давления в процессе эксплуатации. Позволяет снизить затраты на изготовление и обслуживание и повысить КПД за счёт использования упорного поршня с меньшей площадью поверхности и подачи на него пара высокого давления. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Паротурбинная энергетическая установка, содержащая роторный механизм, который содержит турбину (104) высокого давления, турбину (106) среднего давления и три турбины низкого давления, причем указанные три турбины низкого давления содержат две турбины (108) низкого давления, образующие двухпоточную турбину (108) низкого давления, и однопоточную турбину (110) низкого давления, при этом турбина (104) высокого давления и турбина (106) среднего давления выполнены таким образом, что каждая из них по существу уравновешивает осевое усилие другой, а указанные две турбины (108) низкого давления, образующие двухпоточную турбину (108) низкого давления, выполнены таким образом, что каждая из них по существу уравновешивает осевое усилие другой, при этом средство отбора пара подает пар высокого давления от турбины (104) высокого давления к полости, расположенной перед однопоточной турбиной (110) низкого давления, причем в направлении к указанной однопоточной турбине низкого давления указанная полость по существу ограничена неподвижной конструкцией, которая окружает вал (102) роторного механизма,
при этом указанная установка содержит упорный поршень (128), соединенный с валом (102), и в направлении от однопоточной турбины низкого давления указанная полость по существу ограничена указанным поршнем (128),
при этом упорный поршень (128) выполнен с возможностью противодействия осевому усилию заданной величины, создаваемому однопоточной турбиной (110) низкого давления в процессе эксплуатации.

2. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой упорный поршень (128) выполнен с возможностью противодействия по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной (110) низкого давления в процессе эксплуатации.

3. Паротурбинная энергетическая установка по п. 2, в которой площадь поверхности упорного поршня (128), ограничивающая указанную полость, имеет размер, обеспечивающий противодействие по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной (110) низкого давления с учетом давления пара высокого давления, подаваемого в полость.

4. Паротурбинная энергетическая установка по п. 2, в которой средство отбора пара содержит точку отбора пара в паровой турбине высокого давления, из которой подается пар высокого давления в полость при давлении, достаточном для противодействия по существу всему осевому усилию, создаваемому однопоточной турбиной низкого давления с учетом размера площади поверхности упорного поршня (128), ограничивающей указанную полость.

5. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой однопоточная турбина (110) низкого давления имеет область, расположенную смежно с выпуском турбины (104) высокого давления, а одна из двух турбин (108) низкого давления, образующих двухпоточную турбину (108) низкого давления, имеет область, расположенную смежно с выпуском турбины (106) среднего давления.

6. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой упорный поршень (128) содержит жесткую часть вала (102), диаметр которой превышает диаметр вала (102).

7. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой упорный поршень (128) имеет форму цилиндра, ось которого параллельна оси вала (102).

8. Паротурбинная энергетическая установка по п. 7, в которой упорный поршень (128) имеет относительно небольшую осевую толщину и заданную площадь кругового поперечного сечения.

9. Паротурбинная энергетическая установка по п. 8, в которой указанная заданная площадь представляет собой площадь поперечного сечения, требуемую с учетом заданного осевого усилия, необходимого для противодействия, и уровня давления пара высокого давления, поступающего в полость.

10. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой средство отбора пара содержит первый трубопровод, выполненный с возможностью отбора пара высокого давления из заданной ступени турбины (104) высокого давления.

11. Паротурбинная энергетическая установка по п. 10, в которой выполнен второй трубопровод, обеспечивающий направление пара высокого давления из указанной полости в конечную ступень турбины (104) высокого давления, причем указанная конечная ступень представляет собой ступень, расположенную ниже по потоку относительно указанной заданной ступени, в которой происходит отбор пара высокого давления.

12. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой указанная полость в направлении к однопоточной турбине низкого давления дополнительно ограничена первым набором уплотнений, предназначенным для обеспечения уплотнения между неподвижной конструкцией и валом (102), при этом указанная полость в направлении от однопоточной турбины низкого давления дополнительно ограничена вторым набором уплотнений, предназначенным для обеспечения уплотнения между неподвижной конструкцией и упорным поршнем (128).

13. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой вал (102) содержит муфту (118), при необходимости обеспечивающую подсоединение однопоточной турбины (110) низкого давления к роторному механизму и ее отсоединение от него.

14. Паротурбинная энергетическая установка по п. 1, в которой средство отбора пара обеспечивает подачу пара высокого давления из турбины (104) высокого давления в указанную полость, когда однопоточная турбина (110) низкого давления присоединена с помощью муфты (118), а когда однопоточная турбина (110) низкого давления отсоединена с помощью муфты (118), средство отбора пара прекращает подачу пара высокого давления из турбины (104) высокого давления в указанную полость.