УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СУММАРНОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ) И ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2015 года по МПК F01D3/00 

ССЫЛКА НА ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка относится к находящейся на рассмотрении переуступленной заявке на патент США №12/821386, поданной 23 июня 2010 года, озаглавленной «Устройство для регулирования осевой нагрузки в паровой турбине», описание которой включено в данный документ путем ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится, в целом, к паровым турбинам и, более конкретно, к устройству для регулирования суммарной осевой нагрузки в паровой турбине для поддержания уровней осевых нагрузок в допустимом диапазоне значений с исключением повреждения осевых подшипников. Данное устройство также может препятствовать повреждению активного втягиваемого уплотнения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В ротационных турбоустановках осевая нагрузка представляет собой осевое усилие, действующее на вращающиеся части. Осевая нагрузка создается за счет неодинаковых давлений, действующих на неравные площади поверхности, и изменения количества движения текучей среды (пара), циркулирующей в данной установке. Сумма всех осевых сил, действующих на вращающиеся компоненты турбины, называется «суммарной осевой нагрузкой». Указанная суммарная осевая нагрузка обычно передается к неподвижному осевому подшипнику, который в свою очередь прикреплен к фундаменту паровой турбины. Осевая нагрузка, возникающая в паровой турбине, состоит из двух компонентов. Первый компонент - это осевая нагрузка в ступени, которая является осевой нагрузкой, возникающей в результате распределения давления вокруг лопатки ступени (лопасти), бандажа, рабочего колеса и т.д. Направление действия осевой нагрузки в ступени обычно совпадает с направлением потока пара. Второй компонент - это ступенчатая осевая нагрузка, которая возникает в результате изменения диаметра вращающегося вала, к которому прикреплены лопатки, а также за счет локального давления в участках по длине паровой турбины.

[0003] Обычные способы регулирования осевой нагрузки в паровой турбине включают 1) использование уравновешивающего поршня в секции высокого давления (ВД), 2) изменение диаметра ротора в каждой секции, 3) изменение количества ступеней в каждой секции, и 4) обеспечение соответствующей конфигурации для каждой из секций, секции паровой турбины низкого давления (НД), секции среднего давления (СД) и секции высокого давления (ВД). Однако большая часть существующих способов обеспечивает регулирование осевой нагрузки только при «нормальных» рабочих условиях. По завершении проектирования двигателя и установления условий его эксплуатации определяют суммарную осевую нагрузку паровой турбины, которую, как правило, невозможно регулировать динамически или активно, ни при нормальных условиях, ни во время экстремальных рабочих режимов, возможно связанных с отказами.

[0004] Существуют экстремальные рабочие режимы, потенциально создающие большие осевые усилия. К их неограничительным примерам относятся состояние закрытия отсечного клапана, состояние автоматического отключения, при котором прекращается течение всех потоков пара, использование пара с максимальным давлением в турбине высокого давления, когда при отборе пара из турбины высокого давления он не сбрасывается обратно в паровую турбину. Вышеперечисленные состояния обусловливают необходимость создания осевых подшипников с размерами, удовлетворяющими всем различным рабочим режимам, даже исключительным рабочим режимам с экстремальной осевой нагрузкой. Установка осевого подшипника, удовлетворяющего исключительным рабочим режимам, увеличивает стоимость и вызывает потери энергии. Если конструкция осевого подшипника не удовлетворяет всем рабочим режимам при экстремальной нагрузке, то данная паровая турбина не сможет работать при этих условиях, что может привести к невыполнению оптимального соотношения качество-цена. Предшествующие подходы к решению этой проблемы включали выпуск давления пара из впускной чашеобразной части, или сброс давления к зоне низкого давления для компенсации осевой нагрузки. Однако указанные методы не способны компенсировать большие значения осевой нагрузки без потери больших объемов пара, что также значительно снижает эксплуатационные качества турбины.

[0005] Другая проблема заключается в защите уплотнений по время переходных процессов. Для исключения истирания уплотнительных зубцов и ухудшения уплотнительных функций во время переходных процессов, например, при превышении критической скорости вращения ротора уплотнения могут быть втянуты за счет поджатия пружиной, а затем закрыты с помощью давления при достижении состояния устойчивого рабочего режима. Большая часть конструкций содержит пассивное втягиваемое уплотнение, приводимое в действие имеющимся в установке технологическим давлением. Более современная конструкция представляет собой активное втягиваемое уплотнение (АВУ), в котором используется перепускной клапан для активного регулирования открытия и закрытия уплотнения по необходимости. АВУ находится в открытом положении, пока турбина не достигает устойчивого рабочего состояния, и закрывается сразу, если эффективность турбины вызывает опасение. Если выявляется наличие высокочастотных вибраций, превышение допустимой скорости или любой непредусмотренный режим, то уплотнение может быть втянуто вместо ожидания падения давления в данной установке. Соответственно, обеспечивается защита уплотнений от истирания и поддержание устойчивых эксплуатационных характеристик. АВУ в виде кольца может состоять из множества дуговых сегментов. Открытие (втягивание) и закрытие может ограничиваться некоторыми сегментами, в то время как другие сегменты постоянно поджаты в закрытое положение.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Первый аспект данного изобретения предлагает устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины, содержащей вращающийся вал, причем данное устройство содержит: активное втягиваемое уплотнение (АВУ), предназначенное для уплотнения вращающегося вала смежно со ступенчатым участком на вращающемся валу в секции турбины; первый канал для протечки, проточно соединяющий первую ступень секции турбины с уплотнительной зоной смежно с АВУ, и содержащий первый регулирующий клапан и второй регулирующий клапан, второй канал для протечки, проточно соединяющий вторую ступень секции турбины, давление в которой отличается от давления в первой ступени, с зоной уступа, расположенной непосредственно рядом со ступенчатым участком, и содержащий третий регулирующий клапан, соединительный канал, проточно соединяющий первый канал для протечки, между первым и вторым регулирующими клапанами, со вторым каналом для протечки и содержащий четвертый регулирующий клапан, и контроллер, выполненный с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на ступенчатом участке.

[0007] Второй аспект данного изобретения предлагает устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины, содержащей вращающийся вал, причем данное устройство содержит первый канал для протечки, проточно соединяющий первую ступень секции турбины с уплотнительным участком, расположенным вблизи ступенчатого участка на вращающемся валу, и содержащий первый регулирующий клапан и второй регулирующий клапан, второй канал для протечки, проточно соединяющий вторую ступень секции турбины, давление в которой отличается от давления в первой ступени, с зоной уступа, расположенной непосредственно смежно со ступенчатым участком, и содержащий третий регулирующий клапан, соединительный канал, проточно соединяющий первый канал для протечки, между первым и вторым регулирующими клапанами, со вторым каналом для протечки и содержащий четвертый регулирующий клапан, и контроллер, выполненный с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на ступенчатом участке с использованием пара из первой и второй ступеней секции турбины.

[0008] Третий аспект данного изобретения предлагает паровую турбину, содержащую впускное отверстие для подачи пара в секцию турбины и контроллер, предназначенный для регулирования суммарной осевой нагрузки на ступенчатом вращающемся валу секции турбины, а также для втягивания активного втягиваемого уплотнения, которое уплотняет ступенчатый вращающийся вал, с использованием пара из двух каналов для протечки, проточно соединенных с отдельными ступенями секции турбины.

[0009] Приведенные иллюстративные аспекты предназначены для решения указанных в данном документе проблем и/или других проблем, которые не рассматриваются.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Эти и другие свойства данного изобретения будут более понятны из последующего подробного описания различных его аспектов в сочетании с сопроводительными чертежами, изображающими различные варианты выполнения данного изобретения, на которых

[0011] Фиг.1 показывает схематически вид сбоку паровой турбины;

[0012] фиг.2 показывает частичный вид в разрезе секции турбины высокого давления, содержащей регулирующее суммарную осевую нагрузку устройство в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения;

[0013] фиг.3 показывает частичный вид в разрезе секции турбины высокого давления, содержащей регулирующее суммарную осевую нагрузку устройство в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения.

[0014] Отметим, что чертежи данного изобретения выполнены не в масштабе. Данные чертежи предназначены для изображения только типовых аспектов данного изобретения, и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем правовой охраны данного изобретения. На данных чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые компоненты.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] В соответствии с вариантами выполнения данного изобретения предлагается устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины путем регулирования осевого давления на ступенчатом участке вращающегося вала в секции высокого давления паровой турбины с возможностью тем самым использования осевого подшипника с меньшими размерами. Данное устройство обеспечивает указанное регулирование, используя пар, просачивающийся из секции турбины, к которой он подается, без необходимости использования дополнительного пара или подключения к главному подающему паропроводу. Данное устройство также может обеспечить втягивание активного втягиваемого уплотнения (АВУ) при жестких рабочих условиях. То есть, регулирование суммарной осевой нагрузки выполняется без ухудшения работы АВУ, это означает, что либо до, либо после изменения осевой нагрузки, АВУ, при необходимости, может быть приведено в закрытое и открытое состояние. Этот аспект улучшает эффективность турбины. Кроме того переключение АВУ, например либо из открытого в закрытое состояние, либо из закрытого в открытое состояние, не влияет на осевую нагрузку. Данный аспект улучшает работоспособность турбины, поскольку внезапное изменение равновесия осевой нагрузки в середине процесса отключения турбины или остановки является нежелательным во время втягивания АВУ для исключения истирания.

[0016] На фиг.1 показана паровая турбина 90, содержащая секцию 92 высокого давления (ВД), секцию 94 среднего давления (СД) и смежную секцию 96 низкого давления (НД). Каждая секция может состоять из одной или более ступеней. Вращающиеся элементы, расположенные в указанных различных ступенях, обычно установлены на осевом вращающемся валу 98 (или роторе). Как показано на фиг.1, секция 92 ВД расположена напротив секций 94, 96 среднего и низкого давления паровой турбины 90. Данное расположение уравновешивает осевые нагрузки в ступенях. Кроме того, между секциями 92, 94 ВД и СД установлен осевой подшипник 100. Размеры (площадь) осевого подшипника 100 выбраны так, что при широком диапазоне рабочих режимов (например, уровнях нагрузки на турбоустановку, рабочей скорости, температуре и давлении в паровой турбине и.т.д.) осевое давление будет находиться в пределах заданного диапазона значений.

[0017] Для паровой турбины 90, показанной на фиг.1, осевые нагрузки в ступенях, как правило, определяют на основе анализа аэродинамики, механики и эффективности пути прохождения потока. Соответственно, компенсацию осевой нагрузки обычно обеспечивают путем создания ступенчатого осевого усилия в концевых уплотнительных зонах. Ступенчатое осевое усилие главным образом возникает в четырех уплотнительных участках - уплотнительном приспособлении N1 у нижнего по потоку конца секции 96 ВД, уплотнительном приспособлении N2 у верхнего по потоку конца секции 94 СД, и уплотнительных приспособлениях N3 и N4 соответственно у верхнего и нижнего по потоку концов секции 92 ВД турбины. Уплотнительные приспособления (или паровые уплотнения) обычно являются уплотнениями лабиринтного типа, хорошо известными в данной области техники, хотя возможно использование уплотнений других типов. Каждое уплотнительное приспособление для конкретной секции паровой турбины 90 может содержать ряд уплотнительных элементов, например лабиринтных уплотнений.

[0018] Ступенчатые осевые нагрузки, создаваемые в секциях 94, 96 СД и НД, являются относительно малыми, так как давление в этих секциях сравнительно небольшое (например, в диапазоне от давления, меньше окружающего (вакуум) до примерно 4800 Па (~0,7 фунт/дюйм²) в секции НД, до давления примерно 24000 Па (~0,35 фунт/дюйм²) в секции СД). Наибольшая ступенчатая осевая нагрузка возникает в уплотнительном приспособлении ВД на входе (уплотнительное приспособление N3 на фиг.1), вследствие высокого давления в этой секции. Ступенчатая осевая нагрузка у уплотнительного приспособления N4 обусловлена аналогичным уровнем осевой нагрузки, так как диаметр вала 98 может резко уменьшаться при переходе от последней ступени секции 92 ВД к уплотнительному устройству N4. Поскольку суммарная осевая нагрузка может возрастать до уровней, превышающих допустимую нагрузку на осевой подшипник 100, то для выравнивания осевой нагрузки на вращающемся валу 98 создается ступенчатая осевая нагрузка в конкретном месте паровой турбины 90. Такое решение позволяет использовать осевой подшипник 100 приемлемого размера.

[0019] В паровой турбине 90 уплотнительные приспособления N1-N4 работают либо как уплотнения со стороны давления для предотвращения протечки пара с более высоким давлением из секции турбины в выпускное отверстие, либо как уплотнения со стороны разрежения для предотвращения протечки воздуха в паровую турбину 90. По мере увеличения рабочей нагрузки на паровую турбину 90, соответственно, повышается давление в секциях 92, 94 ВД и СД паровой турбины 90. Уплотнительные приспособления у концов этих секций (уплотнительные приспособления N2-N4, показанные на фиг.1) действуют в таком случае как уплотнения со стороны давления. Когда турбина 90 работает для обеспечения поворота зубчатых передач и создания пониженного давления, все уплотнительные приспособления (уплотнительные приспособления N1-N4) работают как уплотнения со стороны разрежения и обеспечивают сведение к минимуму потери от протечки пара.

[0020] На фиг.2 и 3 показаны частичные разрезы секции 92 ВД турбины, содержащей устройство 102 в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения. Несмотря на то, что устройство 102 описано в отношении секции 92 ВД турбины, следует понимать, что идеи данного изобретения могут быть применены к любой секции турбины. В нижней части фиг.2 и 3 показан вращающийся вал 98 со ступенями 104, проходящий через них известным способом. Впускное отверстие 108 высокого давления для подачи пара к секции 92 ВД имеет по существу форму чаши. По мере прохождения потока протечки пара через компонент уплотнительного приспособления (например, уплотнительное приспособление N3-1), увеличивается перепад давлений на данном элементе уплотнительного приспособления. Например, если давление P_bowI в чашеобразной части турбины 90 у впускного отверстия 108 равно 13,3 МПа (~1930 фунт/дюйм²), то давление на нижней по потоку стороне элемента уплотнительного приспособления N3-1 может составлять примерно 12,7 МПа (~1842 фунт/дюйм²). Подобным образом, давление на нижней по потоку стороне следующего элемента уплотнительного приспособления N3-2 может составлять, например, 12,0 МПа (~1740 фунт/дюйм²). Специалисты должны понимать, что давление на нижней по потоку стороне каждого элемента уплотнительного приспособления отражает аналогичные изменения давления в секции 92 ВД паровой турбины 90. На выходе секции, на нижней по потоку стороне уплотнительного приспособления N3 давление P_atm обозначает давление выпускного отверстия.

[0021] Фиг.2 и 3 также показывают ступенчатый участок 110 на вращающемся валу 98. Обычно ступенчатый участок 110 в секции 92 ВД используется для регулирования осевой нагрузки паровой турбины 90 совместно с уплотнительными приспособлениями N-3 и N-4. На чертеже показана пара уплотнительных приспособлений (N3-9 и N3-10 на фиг.2 и N3-5 и N3-6 на фиг.3) уплотняющих ступенчатый участок 110, однако, возможно использование большего или меньшего количества уплотнительных приспособлений. Следует понимать, что расположение ступенчатого участка 110 может изменяться в зависимости от различных факторов, например, габаритов турбины, используемых давлений, количества предшествующих уплотнительных приспособлений и т.д.

[0022] Устройство 102 может содержать уплотнительное приспособление 112, которое в некоторых вариантах выполнения может быть выполнено в виде активного втягиваемого уплотнения (АВУ) 114, расположенного смежно со ступенчатым участком 110 для уплотнения вращающегося вала 98 смежно со ступенчатым участком 114. Как показано, уплотнительное приспособление 112 и АВУ 114 содержат два уплотнительных приспособления N3-7, N3-8, однако, возможно использование большего или меньшего количества уплотнительных приспособлений. Кроме того, расположение уплотнительного приспособления 112 и АВУ 114 может изменяться в зависимости от различных факторов, например, габаритов турбины, используемых давлений, количества предшествующих уплотнительных приспособлений и т.д. Например, на фиг.2 уплотнительное приспособление 112 и АВУ 114 расположены выше по потоку от ступенчатого участка 110, тогда как на фиг.3 они расположены ниже по потоку от ступенчатого участка 110. АВУ 114 может содержать любое существующее или разработанное позже активное втягиваемое уплотнение, поджимаемое пружиной в открытое неуплотняющее положение, однако, разность давлений, приложенная к АВУ 114, может преодолеть указанное поджатие пружиной с перемещением уплотнительных приспособлений в закрытое, уплотняющее положение (показано), при котором АВУ 114 уплотняет вал 98. Подробные конструкции АВУ 114 хорошо известны и поэтому в дальнейшем не обсуждаются.

[0023] На фиг.2 и 3 также показано устройство 102, содержащее первый канал 120 для протечки, проточно соединяющий первую ступень 122 секции 92 ВД с зоной 124 уплотнительного приспособления около ступенчатого участка 110. На фиг.2 зона 124 расположена перед уплотнительным приспособлением 112 (и АВУ 114, при его использовании) и выше по потоку от ступенчатого участка 110. В противоположность этому на фиг.3 зона 124 расположена за приспособлением 112 (и АВУ 114, при его использовании) и значительно ниже по потоку от ступенчатого участка 110. Давление на приспособлении 112 или в зоне 124 обозначено символом P_P-A. В варианте выполнения, показанном на фиг.2, первая ступень 122 является второй ступенью секции 92 ВД турбины, а в варианте выполнения, показанном на фиг.3, первая ступень 122 является пятой ступенью секции 92 ВД турбины. Однако следует понимать, что первая ступень 122 может быть расположена у другой ступени в зависимости от давления, требуемого для обеспечения рабочих процессов, описанных где-либо еще в настоящем документе. Первый канал 120 для протечки содержит первый регулирующий клапан V1 и, в отличие от обычных устройств, второй регулирующий клапан V2. Второй канал 130 для протечки проточно соединяет вторую ступень 132 паровой турбины (ВД), давление в которой отличается от давления в первой ступени 122, с зоной 134 уступа, расположенной смежно со ступенчатым участком 110, т.е. с отсутствием между ними других уплотнительных приспособлений. В варианте выполнения, показанном на фиг.2, вторая ступень 132 следует за первой ступенью 122 (т.е. еще ниже по потоку), а зона 134 уступа расположена непосредственно перед ступенчатым участком 110. В противоположность этому в варианте выполнения на фиг.3 вторая ступень 132 предшествует первой ступени 122 (т.е. еще выше по потоку), а зона 134 уступа расположена непосредственно за ступенчатым участком 110. Давление в зоне 134 уступа обозначено символом P_step. В варианте выполнения, показанном на фиг.2, вторая ступень 132 является пятой ступенью секции 92 ВД, тогда как в варианте выполнения, показанном на фиг.3, вторая ступень 132 является второй ступенью секции 92 ВД. Однако следует понимать, что вторая ступень 132 может быть расположена у другой ступени, следующей за первой ступенью 122 в варианте выполнения на фиг.2, или другой ступени, предшествующей первой ступени 122 в варианте выполнения на фиг.3, в зависимости от давления, требуемого для обеспечения рабочих процессов, описанных где-либо еще в настоящем документе. Второй канал 130 также содержит третий регулирующий клапан V3.

[0024] Устройство 102 также содержит соединительный канал 140, проточно соединяющий первый канал 120 для протечки, между первым регулирующим клапаном V1 и вторым регулирующим клапаном V2, со вторым каналом 130 для протечки. Как показано, соединительный канал 140 содержит четвертый регулирующий клапан V4.

[0025] Регулирующие клапаны V1-V4 могут представлять собой любые известные существующие или разработанные позже клапаны, выполненные с возможностью электронной регулировки, например, электромагнитные клапаны. Как известно в данной области техники, электромагнитные клапаны представляют собой регулирующие устройства, используемые для автоматической регулировки давлений на компонентах уплотнительных приспособлений в паровой турбине 90. При открытии или закрытии электрическим способом регулирующие клапаны V1-V4 обеспечивают либо прохождение пара, либо его остановку.

[0026] Далее, в соответствии с фиг.2 и 3 устройство 102 также содержит контроллер 150, выполненный с возможностью активного управления клапанами V1-V4 для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на ступенчатом участке 110, с использованием пара, протекающего через уплотнительные приспособления (N3-1-N3-6) от впускной чашеобразной части 108, и направления протекающего пара обратно к первой и второй ступеням 122, 132 секции 92 ВД для выполнения дополнительной работы. Как рассмотрено далее, контроллер 150 также выполнен с возможностью обеспечения втягивания АВУ 114, если оно используется, во время по меньшей мере одного из режимов, режима с экстремальной осевой нагрузкой и жесткого рабочего режима. Под «рабочим режимом с экстремальной осевой нагрузкой» может пониматься любое рабочее состояние с уровнями осевой нагрузки, при которых требуется более крупный осевой подшипник 100. К неограничительным примерам указанного состояния относится использование максимального давления пара, отбор пара из паровой турбины 90 (включая инициирование отбора пара из турбины 90), или сбрасывание пара. Под «жестким рабочим режимом» может пониматься любое рабочее состояние, не обязательно с указанными выше уровнями осевой нагрузки, но возможно требующее втягивания АВУ 114 для предотвращения повреждения, например, запуск или выключение паровой турбины 90, тепловой переходный процесс или автоматическое отключение из-за вибрации или избыточной скорости вращения турбины 90 и т.д. Под «устойчивым рабочим режимом» может пониматься любое рабочее состояние, во время которого секция турбины не находится в режиме переходного процесса. Подобным образом, под «неустойчивым рабочим режимом» может пониматься любое рабочее состояние, во время которого возникает переходное состояние или переходный процесс, например, превышение критической скорости вращения ротора и т.д. Следует понимать, что вышеуказанные рабочие состояния могут возникать как раздельно, так и совместно, или вообще не возникать. То есть, при неэкстремальной осевой нагрузке может возникать жесткий рабочий режим, или при экстремальной осевой нагрузке может возникать нежесткий рабочий режим, каждый из которых может возникать во время устойчивого или неустойчивого рабочего режима. Несмотря на то, что контроллер 150 показан в виде отдельного устройства, следует понимать, что он может быть встроен в общую систему регулирования паровой турбины 90, например, в виде части ее аппаратного и/или программного обеспечения.

[0027] Независимо от используемого варианта выполнения устройство 102 выполнено с возможностью создания различных положений регулирующих клапанов, которые удовлетворяют рабочим режимам паровой турбины 90. По существу, устройство 102 добавляет регулируемую функцию баланса осевой нагрузки на ступенчатый участок 110 и/или АВУ 114 для приближения суммарной осевой нагрузки в рабочем режиме с экстремальной осевой нагрузкой, например, при максимальном высоком давлении (макс. ВД) при отборе или сбросе пара, к другим рабочим значениям. Эти свойства уменьшают необходимые габариты осевого подшипника 100 и позволяют осуществлять вышеуказанное функционирование на установках, которые не рассчитаны на такие высокие суммарные осевые нагрузки. Кроме того, устройство 102 позволяет втягивать АВУ 114 для предотвращения повреждения во время жестких рабочих режимов и/или рабочих режимов с экстремальной осевой нагрузкой. Размер ступенчатого участка 110, т.е. диаметр, увеличенный по сравнению со смежными окружностями ступенчатого вращающегося вала 98, выбирается исходя из значения противодействующего осевого усилия, требуемого во время рабочего режима с экстремальной осевой нагрузкой. В одном примере ступенчатый участок 110 может иметь диаметр, увеличенный приблизительно на 15,24 см (6 дюймов), по сравнению со смежными участками вала 98.

[0028] Далее приведено описание различных конфигураций, которые может обеспечить контроллер 150 устройства 102 для удовлетворения различных рабочих режимов. При неэкстремальной осевой нагрузке, нежестком устойчивом рабочем режиме контроллер 150 открывает первый, второй и третий регулирующие клапаны V1, V2, V3 и закрывает четвертый регулирующий клапан V4. Эта конфигурация предназначена для рабочих режимов, которые рассматриваются как имеющие непроблематичную суммарную осевую нагрузку и нежесткий рабочий режим для обеспечения втягивания АВУ 114. В этой конфигурации первый канал 120 для протечки пара проточно соединяет первую ступень 122 с зоной 124 уплотнительного приспособления для регулирования давления в указанной зоне 124. Если уплотнительные приспособления (N3-1-N3-6) обеспечивают лучшее уплотнение по сравнению с нижними по потоку уплотнительными приспособлениями (N3-7 и следующими за ней), то от первой ступени 122 к зоне 124 уплотнительного приспособления может проходить пар с более высоким давлением для создания обратного давления с целью уменьшения протечки высокоэнергетического пара из впускной чашеобразной части 108. В других случаях, когда верхние по потоку уплотнительные приспособления не обеспечивают уплотнение так же хорошо, т.е. верхняя по потоку протечка превышает нижнюю по потоку протечку, то избыточную протечку из чашеобразной части 108 отводят из зоны 124 уплотнительного приспособления обратно к первой ступени 122 для выполнения дополнительной работы. В каждом случае давление у зоны 124 по существу равно давлению у первой ступени 122. Подобным образом, второй канал 130 для протечки пара проточно соединяет вторую ступень 132 с зоной 134 уступа так, что давление в зоне 134 уступа по существу равно давлению на второй ступени 132. Клапан V4 перекрывает соединительный канал 140. По существу, давления в зоне 124 уплотнительного приспособления и в зоне 134 уступа являются устойчивыми, так как они зависят от давления основного потока и не подвержены влиянию характеристик уплотнений или ухудшения уплотнения. Соответственно, осевая нагрузка от ступенчатого участка 110 является известной и устойчивой. Регулирование суммарного осевого давления (фиг.1) может обеспечиваться путем подачи на ступенчатый участок 110 давления или от первой ступени 122, или от второй ступени 132. В этой конфигурации, поскольку давление P_P-A зоны уплотнительного приспособления отличается от давления P_step зоны уступа, то АВУ 114, при его наличии, удерживается в закрытом, уплотняющем вал 98 положении. То есть, поскольку давление у первой ступени 122 отличается от давления у второй ступени 132 в степени, достаточной для преодоления давления подпружиненного втягивания АВУ 114, то АВУ 114 удерживается в закрытом, уплотняющем вал 98 положении. В варианте выполнения на фиг.2 давление первой ступени 122 будет превышать давление второй ступени 132, а в варианте выполнения на фиг.3 давление первой ступени 122 будет меньше давления второй ступени 132.

[0029] Как отмечено выше, жесткий рабочий режим может возникать при вышеописанной конфигурации, например, из-за автоматического отключения турбины по высокому уровню вибрации или превышению скорости, или из-за теплового переходного режима, например во время запуска или выключения турбины 90. Жестким может быть рабочий режим, при котором может потребоваться втягивание АВУ 114, при его наличии, для предотвращения повреждения уплотнительных зубцов уплотнительных приспособлений, вызываемого отклонением ротора и тепловым сжатием, но при этом отсутствует экстремальный дисбаланс осевой нагрузки. При неэкстремальной осевой нагрузке и наличии или создании жесткого рабочего режима контроллер 150 закрывает первый регулирующий клапан V1 и открывает второй, третий и четвертый регулирующие клапаны V2-V4. В этой конфигурации зона 124 уплотнительного приспособления проточно соединена через первый канал 120 (т.е. левая сторона канала 120, как показано) со вторым каналом 130, причем последний из них также проточно соединяет зону 134 уступа со второй ступенью 132. Соответственно, на зону 124 уплотнительного приспособления действует такое же давление, как и на зону 134 уступа, т.е. P_step≈Р_P-A, при этом АВУ 114 отводится от вала 98, тем самым предотвращая повреждения деталей секции ВД турбины, например, уплотнительных приспособлений N3-7 и N3-8, а также вала 98. Отметим, что вышеописанная работа клапанов не изменяет давления в зоне 134 уступа. Соответственно, во время указанного процесса, осевая нагрузка не будет резко изменяться, что создавало бы дополнительную нестабильность установки.

[0030] В другом рабочем режиме секция 92 ВД работает при экстремальной осевой нагрузке в устойчивом рабочем режиме. Этот рабочий режим создает более высокую осевую нагрузку в ступени ВД (фиг.1) по сравнению с режимами с меньшим давлением пара. В этом случае контроллер 150 открывает первый и четвертый регулирующие клапаны V1 и V4 и закрывает второй и третий регулирующие клапаны V2 и V3. В этой конфигурации первая ступень 122 проточно соединена с зоной 134 уступа так, что пар с более высоким давлением может проходить из первой ступени 122 к зоне 134 уступа. Отметим, что в варианте выполнения на фиг.2 давление выше по сравнению с вариантом выполнения на фиг.3, что обусловлено местоположением ступени 122. Кроме того, второй регулирующий клапан V2, который находится в закрытом состоянии, отсоединяет зону 124 от первого канала 120, а клапан V3, который находится в закрытом состоянии, отсоединяет вторую ступень 132 от второго канала 130. Поскольку зона 124 больше не связана с давлением какой-либо ступени, то давление в ней теперь определяется распределением давлений на уплотнительных приспособлениях N3-1-N3-8, от верхнего по потоку давления от впускной чашеобразной части 108 к сравнительно более низкому давлению ниже по потоку в зоне 134 уступа на фиг.2, или определяется распределением давлений по уплотнительным приспособлениям N3-7, N3-8, соответственно, на фиг.3. При этом на каждом из указанных уплотнительных приспособлений будет наблюдаться падение давления, обусловленное балансировкой по массе протечек. То есть давление до приспособления 112 (P_P-A - на фиг.2, P_step - на фиг.3) превышает давление за приспособлением 112 (P_step - на фиг.2, P_P-A - на фиг.3). Соответственно, АВУ 114 остается в закрытом состоянии, т.е. оно уплотняет вал 98. Одновременно изменение давления P_step (повышение на фиг.2, понижение на фиг.3) от первой ступени 122 обеспечивает противоположную осевую нагрузку, действующую на ступенчатый участок 110 для противодействия более высокой осевой нагрузке ступени ВД, создаваемой в рабочем режиме с максимально высоким давлением, регулируя таким образом суммарную осевую нагрузку. Отметим, что подобное изменение выполняется без выведения из работы каких-либо уплотнений (или перерыва в работе каких-либо уплотнительных приспособлений). Указанные приспособления просто перемещают к другим зонам давления.

[0031] Как отмечено выше, рабочий режим с экстремальной осевой нагрузкой может возникать при вышеуказанной конфигурации в результате, например, начала отбора пара для других целей из секции 92 ВД, приводящего к экстремальной осевой нагрузке и жесткому рабочему режиму. В этом случае перед ступенчатым участком 110 (т.е. перед ступенчатым участком 110 на фиг.2, и за ступенчатым участком 110 на фиг.3) устанавливается более высокое значение давления для контрбаланса увеличенной суммарной осевой нагрузки, как изложено выше. Для запуска установки при подобной уставке осевой нагрузки или для выключения при подобной уставке вследствие принудительного или автоматического отключения установки необходимо втянуть АВУ для предупреждения истирания уплотнительных зубцов. В этом случае контроллер 150 открывает первый, второй и четвертый регулирующие клапаны V1, V2 и V4 и закрывает третий регулирующий клапан V3. В этой конфигурации первая ступень 122 проточно соединена с зоной 134 уступа и зоной 124 уплотнительного приспособления так, что соответствующие давления, т.е. P_P-A и P_step, по существу выравниваются. Соответственно, АВУ 114 отводится от вала 98 с предотвращением тем самым повреждения, например, деталей секции турбины таких, как приспособления N3-7 и N3-8, а также вала 98. Одновременно изменяющееся давление P_step в зоне уступа из первой ступени 122 продолжает создавать противоположную осевую нагрузку на ступенчатом участке 110 для противодействия более высокой осевой нагрузке ступени ВД, создаваемой рабочим режимом с максимально высоким давлением, регулируя тем самым суммарную осевую нагрузку. Еще раз отметим, что работа клапанов, обеспечивающих открытие и закрытие АВУ 114 при рабочем режиме с максимальной осевой нагрузкой, не изменяет давление в зоне 134 уступа. Соответственно, во время указанного процесса, осевая нагрузка не будет резко изменяться, что создавало бы дополнительную нестабильность установки.

[0032] Несмотря на отсутствие в данном документе подробного описания, следует понимать, что устройство 102 может взаимодействовать с любым количеством известных в настоящее время или разработанных позже датчиков 152 для определения условий работы паровой турбины 90. Датчики 152 могут измерять любые эксплуатационные параметры, включая, но не ограничиваясь следующими: осевая нагрузка на каждой стороне опорного подшипника 100, повышение рабочего давления в любой секции турбины, изменения в условиях отбора пара, например открытие клапана отбора пара (не показан), инициация процедуры запуска, автоматическое отключение установки, инициация процедуры выключения и т.д.

[0033] Как изложено выше, технический эффект от использования контроллера 150 заключается в регулировке суммарной осевой нагрузки на ступенчатом вращающемся валу 98 секции 92 ВД турбины и втягивании АВУ 114, которое уплотняет вал 98, используя пар, полученный из пары каналов 120, 130, проточно соединенных с отдельными ступенями 122, 132 секции 92 ВД турбины. Преимущество, которое может быть реализовано на практике в некоторых вариантах выполнения описанных устройств и способов, заключается в использовании существующих каналов для протечек вместе с дополнительными каналами и системой клапанов с целью изменения давления на ступенчатом участке 110 вращающегося вала для компенсации осевой нагрузки в одной рабочей точке экстремальной осевой нагрузки так, что изменения суммарной осевой нагрузки уменьшаются. В частности, инициация отбора пара во время максимально высокого давления в секции 92 ВД турбины представляет собой редкое (аномальное) рабочее состояние с точки зрения требуемой прочности осевого подшипника 100. Устройство 102 выполнено с возможностью уменьшения размера осевого подшипника и снижает потребляемую мощность (например, 300 кВт в одном состоянии) за счет противодействия суммарной осевой нагрузке в этой конкретной и других рабочих точках с экстремальной осевой нагрузкой, которые обычно определяют размер осевого подшипника. Соответственно, устройство 102 может обеспечить отвод высокого давления в паровых турбинах 90, которые не рассчитаны на подобную работу. Кроме того, устройство 102 поддерживает работоспособность АВУ 114, при его наличии, т.е. оно может быть открыто и закрыто по мере надобности, без изменения суммарной осевой нагрузки, когда АВУ либо втянуты, либо закрыты так, что при автоматическом отключении вращающегося вала 98 не возникает дополнительного нарушения работы.

[0034] Терминология, используемая в данном документе, применяется только с целью описания конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения данного описания. Используемые в данном документе существительные в единственном числе также охватывают формы множественного числа, если в контексте с очевидностью не указано иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» определяют наличие указанных свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавления одного или более других свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или составленных из них групп.

[0035] Предполагается, что соответствующие конструкции, материалы, действия и эквиваленты всех средств или этапов плюс исполнительные элементы в приведенной ниже формуле изобретения включают любую конструкцию, материал или действие для выполнения назначения в сочетании с другими заявленными элементами, как конкретно определено в формуле изобретения. Описание данного изобретения приведено с иллюстративной и описательной целью, поэтому не предполагается, что оно всесторонне описывает или ограничивает данное изобретение в изложенной форме. Очевидные для специалистов модификации и изменения данного изобретения не отклоняются от объема его правовой охраны и сущности. Приведенный вариант выполнения выбран и описан с целью наилучшего объяснения принципов изобретения и его практического применения, а также для понимания специалистами описания различных вариантов выполнения с различными модификациями, подходящими для конкретного предполагаемого использования.

Перечень элементов

Паротурбинная установка 90 Секция высокого давления (ВД) турбины 92 Секция промежуточного давления (ПД) турбины 94 Секция низкого давления (НД) турбины 96 Осевой вращающийся вал (или ротор) 98 Осевой подшипник 100 Устройство 102 Ступени 104 Впускное отверстие высокого давления 108 Ступенчатый участок 110 Уплотнительное приспособление 112 Активное втягиваемое уплотнение (АВУ) 114 Первый канал для протечки 120 Первая ступень 122 Зона уплотнительного приспособления 124 Второй канал для протечки 130 Вторая ступень 132 Зона уступа 134 Соединительный канал 140 Контроллер 150 Датчики 152

Изобретение относится к энергетике. Устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины, содержащей ступенчатый вращающийся вал, причём первый канал для протечки проточно соединяет первую ступень секции турбины с уплотнительным приспособлением около ступенчатого участка на вращающемся валу, а второй канал для протечки проточно соединяет вторую ступень секции турбины, давление в которой отличается от давления в первой ступени, с зоной уступа, расположенной смежно со ступенчатым участком, при этом соединительный канал проточно соединяет первый канал для протечки со вторым каналом для протечки. Указанные каналы содержат регулирующие клапаны, так что контроллер может активно регулировать суммарную осевую нагрузку путем регулирования осевого давления на ступенчатом участке с использованием пара от первой и второй ступеней секции турбины. Указанный контроллер также может предотвращать повреждение активного втягиваемого уплотнения с помощью регулирующих клапанов. Также представлена паровая турбина, содержащая устройство согласно изобретению. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины, содержащей вращающийся вал, содержащее
активное втягиваемое уплотнение (АВУ), предназначенное для уплотнения вращающегося вала смежно со ступенчатым участком на указанном валу в секции турбины,
первый канал для протечки, проточно соединяющий первую ступень секции турбины с зоной уплотнительного приспособления смежно с АВУ и содержащий первый регулирующий клапан и второй регулирующий клапан,
второй канал для протечки, проточно соединяющий вторую ступень секции турбины, давление в которой отличается от давления в первой ступени, с зоной уступа, расположенной непосредственно рядом с указанным ступенчатым участком, и содержащий третий регулирующий клапан,
соединительный канал, проточно соединяющий первый канал для протечки, между первым и вторым регулирующими клапанами, со вторым каналом для протечки и содержащий четвертый регулирующий клапан, и
контроллер, выполненный с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на указанном ступенчатом участке.

2. Устройство по п.1, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на указанном ступенчатом участке с одновременным обеспечением втягивания АВУ во время по меньшей мере одного из рабочих режимов, режима с экстремальной осевой нагрузкой или жесткого рабочего режима.

3. Устройство по п.2, в котором рабочий режим с экстремальной осевой нагрузкой выбран из группы, состоящей из использования максимального давления пара, отбора пара из паровой турбины и сброса пара, а жесткий рабочий режим выбран из группы, состоящей из запуска паровой турбины, выключения паровой турбины, теплового переходного процесса и автоматического отключения паровой турбины.

4. Устройство по п.2, в котором при нежестком устойчивом рабочем режиме с неэкстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый, второй и третий регулирующие клапаны и закрывает четвертый регулирующий клапан.

5. Устройство по п.4, в котором в ответ на возникновение жесткого рабочего режима с неэкстремальной осевой нагрузкой контроллер закрывает первый регулирующий клапан и открывает второй, третий и четвертый регулирующие клапаны.

6. Устройство по п.2, в котором при устойчивом рабочем режиме с экстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый и четвертый регулирующие клапаны и закрывает второй и третий регулирующие клапаны.

7. Устройство по п.6, в котором в ответ на возникновение жесткого рабочего режима с экстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый, второй и четвертый регулирующие клапаны и закрывает третий регулирующий клапан.

8. Устройство по п.1, в котором зона уплотнительного приспособления расположена перед АВУ, вторая ступень следует за первой ступенью, а зона уступа расположена непосредственно перед ступенчатым участком.

9. Устройство по п.1, в котором зона уплотнительного приспособления расположена за АВУ, вторая ступень расположена перед первой ступенью, а зона уступа расположена непосредственно за ступенчатым участком.

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее осевой подшипник, расположенный с возможностью восприятия суммарной осевой нагрузки, оказываемой вращающимся валом, причем секция турбины содержит секцию высокого давления (ВД), и осевой подшипник расположен между секцией ВД и по меньшей мере одной из секций паровой турбины, секцией низкого давления (НД) и секцией среднего давления (СД).

11. Устройство для регулирования суммарной осевой нагрузки паровой турбины, содержащей вращающийся вал, содержащее
первый канал для протечки, проточно соединяющий первую ступень секции турбины с зоной уплотнительного приспособления, расположенной вблизи ступенчатого участка на вращающемся валу, и содержащий первый регулирующий клапан и второй регулирующий клапан,
второй канал для протечки, проточно соединяющий вторую ступень секции турбины, давление в которой отличается от давления в первой ступени, с зоной уступа, расположенной непосредственно рядом с указанным ступенчатым участком, и содержащий третий регулирующий клапан,
соединительный канал, проточно соединяющий первый канал для протечки, между первым и вторым регулирующими клапанами, со вторым каналом для протечки и содержащий четвертый регулирующий клапан, и
контроллер, выполненный с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на указанном ступенчатом участке с использованием пара из первой и второй ступеней секции турбины.

12. Устройство по п.11, в котором уплотнительное приспособление содержит активное втягиваемое уплотнение (АВУ), предназначенное для уплотнения вращающегося вала смежно с указанным ступенчатым участком, а контроллер дополнительно выполнен с возможностью активного управления регулирующими клапанами для регулирования суммарной осевой нагрузки путем регулирования осевого давления на указанном ступенчатом участке с одновременным обеспечением втягивания АВУ во время по меньшей мере одного из рабочих режимов: режима с экстремальной осевой нагрузкой и жесткого рабочего режима.

13. Устройство по п.11, в котором рабочий режим с экстремальной осевой нагрузкой выбран из группы, состоящей из использования максимального давления пара, отбора пара из паровой турбины и сброса пара, а жесткий рабочий режим выбран из группы, состоящей из запуска паровой турбины, выключения паровой турбины, теплового переходного процесса и автоматического отключения паровой турбины.

14. Устройство по п.11, в котором при устойчивом рабочем режиме с неэкстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый, второй и третий регулирующие клапаны и закрывает четвертый регулирующий клапан.

15. Устройство по п.14, в котором в ответ на возникновение жесткого рабочего режима с неэкстремальной осевой нагрузкой контроллер закрывает первый регулирующий клапан и открывает второй, третий и четвертый регулирующие клапаны.

16. Устройство по п.11, в котором при устойчивом рабочем режиме с экстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый и четвертый регулирующие клапаны и закрывает второй и третий регулирующие клапаны.

17. Устройство по п.16, в котором в ответ на возникновение жесткого рабочего режима с экстремальной осевой нагрузкой контроллер открывает первый, второй и четвертый регулирующие клапаны и закрывает третий регулирующий клапан.

18. Устройство по п.11, в котором вторая ступень следует за первой ступенью, зона уступа расположена непосредственно перед ступенчатым участком, а зона уплотнительного приспособления расположена выше по потоку перед ступенчатым участком, чем зона уступа.

19. Устройство по п.11, в котором вторая ступень расположена перед первой ступенью, зона уступа расположена непосредственно за ступенчатым участком, а зона уплотнительного приспособления расположена ниже по потоку, чем зона уступа.

20. Паровая турбина, содержащая впускное отверстие для подачи пара в секцию турбины и контроллер, предназначенный для регулирования суммарной осевой нагрузки на ступенчатом вращающемся валу секции турбины и для втягивания активного втягиваемого уплотнения, которое уплотняет ступенчатый вращающийся вал, с использованием пара из двух каналов для протечки, проточно соединенных с отдельными ступенями секции турбины.