Турбина, энергоустановка и способ модернизации наружного кожуха паровой турбины Российский патент 2017 года по МПК F01K3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение, рассматриваемое в данном документе, относится к турбинам и более конкретно к модернизации наружного кожуха паровой турбины.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В конструкции некоторых энергоустановок и для их работы, например, в определенных энергоустановках с простым и комбинированным циклом, используют турбины (например, паровые турбины). Эти паровые турбины ограничивают паровой тракт, который используется для направления пара и выработки энергии с помощью пара, проводимого через данную энергоустановку. Некоторые из этих паровых турбин в качестве части парового тракта содержат секцию с рабочими колесами и диафрагмами. Указанная секция содержит ротор, направляющие лопатки, колеса, рабочие лопатки и сопла, которые выполнены с образованием ступеней внутри наружного кожуха паровой турбины. Эти ступени обеспечивают эффективность и реактивность паровой турбины. Однако указанная секция с рабочими колесами и диафрагмами в некоторых паровых турбинах может иметь ограничения по механическим характеристикам, неоптимизированные роторы и паровые тракты, небольшие диаметры роторов, неудовлетворительную жесткость и/или высокую динамическую реакцию. Эти ограничения и недостатки могут вызывать задевание компонентов внутри турбины и снижение производительности данной энергоустановки. В некоторых энергоустановках полностью заменяют указанные секции с рабочими колесами и диафрагмами секциями барабанного ротора, которые могут иметь улучшенную жесткость и производительность. Однако полная замена может повлечь длительный вынужденный простой, значительное переоборудование и затраты на материалы, с необходимостью замены всех компонентов, включая наружный кожух прежней секции с колесами и диафрагмами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В данном документе приведено описание устройств, обеспечивающих повышение эффективности, надежности и долговечности турбины и энергоустановки в целом. В одном варианте выполнения турбина содержит наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением комплементарности с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе, модификаторы кожуха, присоединенные к наружному кожуху с помощью указанных канавок и выполненные с обеспечением комплементарности с элементами барабанного ротора, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и модификаторами кожуха.

[0004] В первом аспекте изобретения предложена турбина, содержащая наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением комплементарности с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе, модификаторы кожуха, присоединенные к наружному кожуху с помощью указанных канавок и выполненные с обеспечением комплементарности с элементами барабанного ротора, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и модификаторами кожуха.

[0005] Во втором аспекте изобретения предложен способ, включающий разделение частей наружного кожуха паровой турбины, содержащего сопла, выполненные с обеспечением комплементарности с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, удаление компонентов с рабочими колесами и диафрагмами из частей наружного кожуха паровой турбины, установку модификаторов кожуха в указанные части наружного кожуха паровой турбины с помощью сопел, причем указанные модификаторы выполнены с обеспечением комплементарности с элементами барабанного ротора, установку барабанного ротора в указанные части наружного кожуха и повторную сборку наружного кожуха. данного изобретения предложена энергоустановка, содержащая генератор и турбину, функционально соединенную с генератором и содержащую наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением комплементарности с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе, модификаторы кожуха, присоединенные к наружному кожуху с помощью канавок и выполненные с обеспечением комплементарности с элементами барабанного ротора, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и модификаторами кожуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Эти и другие свойства изобретения будут более понятны из последующего подробного описания различных аспектов изобретения совместно с сопроводительными чертежами, изображающими различные варианты выполнения изобретения, на которых

[0008] Фиг.1 показывает схематический продольный разрез частей секции паровой турбины с рабочими колесами и диафрагмами;

[0009] фиг.2 показывает схематический продольный разрез частей паровой турбины в соответствии с аспектом изобретения;

[0010] фиг.3 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ в соответствии с вариантами выполнения изобретения;

[0011] фиг.4 показывает схематический вид частей многовальной энергоустановки с комбинированным циклом в соответствии с аспектом изобретения; и

[0012] фиг.5 показывает схематический вид частей одновальной энергоустановки с комбинированным циклом в соответствии с аспектом изобретения.

[0013] Отметим, что чертежи изобретения не обязательно выполнены в масштабе. Данные чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем его правовой охраны. На данных чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые компоненты.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Как указано в данном документе, в аспектах изобретения предложены устройства, обеспечивающие увеличение жесткости, эффективности и надежности паровой турбины путем модернизации наружного кожуха паровой турбины так, чтобы он мог использоваться совместно с секцией парового тракта с барабанным ротором. В этих устройствах используются модификаторы кожуха, выполненные с возможностью присоединения к частям кожуха для существующей секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, причем эти модификаторы присоединены к существующим канавкам кожуха и выполнены комплементарно с секцией парового тракта с барабанным ротором.

[0015] В области техники, относящейся к энергоустановкам (включая ядерные реакторы, паровые турбины, газовые турбины и т.д.), турбины часто используются в качестве части энергоустановки и могут содержать секцию с рабочими колесами и диафрагмами как часть ротора и парового тракта. Обычно секции с колесами и диафрагмами частично ограничивают часть парового тракта и преобразуют тепловую энергию в электроэнергию. Эти секции содержат ротор с рабочими колесами и диафрагмами, который состоит из удлиненного корпуса с дисками и прикрепленными вращающимися лопатками. Указанные секции обычно имеют меньшие диаметры ротора по сравнению с барабанным ротором, что может привести к снижению жесткости, к необходимости увеличенных радиальных зазоров, ограничивает количество ступеней в турбине и приводит к задеванию компонентов в турбине. В противоположность этому барабанный ротор имеет корпус большего диаметра, а вращающиеся лопатки прикреплены непосредственно к корпусу ротора с помощью внутренних пазов.

[0016] В вариантах выполнения изобретения предложена модернизированная паровая турбина, содержащая паровой тракт с барабанным ротором, который установлен в наружном кожухе секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, тем самым заменяя эту секцию парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами. Модификаторы кожуха выполнены с возможностью присоединения к существующим канавкам в наружном кожухе секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами и с обеспечением комплементарности с барабанным ротором. Таким образом, удаленные компоненты и/или части секции парового тракта с колесами и диафрагмами могут быть заменены компонентами и/или частями секции парового тракта с барабанным ротором.

[0017] На чертежах показаны варианты выполнения модернизации паровой турбины, причем указанная модернизация может увеличить тепловой коэффициент полезного действия, надежность и долговечность турбины, ротора и всей энергоустановки путем установки секции парового тракта с барабанным ротором в существующий кожух с рабочими колесами и диафрагмами. Каждый из показанных на данных чертежах компонентов может быть присоединен обычными средствами, например с помощью обычного трубопровода или других известных средств, как показано на фиг.1-5. Более конкретно, фиг.1 показывает схематический продольный разрез частей турбины 100. Части турбины 100, показанные на фиг.1, представляют собой известные секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами и могут содержать наружный кожух 110 и сопла 112, расположенные в наружном кожухе 110 с помощью сопловых канавок 114, тем самым частично ограничивая канал 122 для рабочей текучей среды (например, паровой тракт). Наружный кожух 110 выполнен с возможностью размещения в нем компонентов секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами (например, с соплами 112) и по существу окружает ротор 140 с рабочими колесами и диафрагмами, содержащий турбинные лопатки 142, также ограничивающие канал 122 для рабочей текучей среды. Во время работы пар подается в турбину 100 по каналу 122 и проводится между ротором 140 и наружным кожухом 110 через неподвижные сопла 112 и вращающиеся аэродинамические элементы 119, присоединенные к турбинным лопаткам 142.

[0018] На фиг.2 показан схематический продольный разрез частей турбины 100 в соответствии с аспектом изобретения. Следует понимать, что элементы, обозначенные на фиг.1 и 2 одинаковыми номерами позиций, могут быть по существу одинаковыми. Кроме того, в вариантах выполнения, показанных и описанных в соответствии с фиг.2-5, одинаковые номера позиций могут обозначать одинаковые элементы. Поэтому для ясности изложения дублирующее объяснение этих элементов опущено. И наконец, следует понимать, что компоненты, показанные на фиг.1-5 и сопровождающее их описание, могут использоваться для любого варианта выполнения, рассмотренного в данном документе.

[0019] В соответствии с фиг.2 в этом варианте выполнения турбина 100 может содержать барабанный ротор 240, который по существу окружен наружным кожухом 110. В этом варианте выполнения барабанный ротор 240 заменил ротор 140, показанный на фиг.1. В одном варианте выполнения барабанный ротор 240 может ограничивать пазы 244 пазового соединения для лопаток. В одном варианте выполнения барабанный ротор 240 может быть соединен с турбинными лопатками 242 с помощью пазов 244.

[0020] В варианте выполнения изобретения к наружному кожуху 110 может быть присоединена группа модификаторов 216 кожуха. В одном варианте выполнения модификаторы 216 кожуха могут быть выполнены с возможностью присоединения к существующим сопловым канавкам 114 в наружном кожухе 110 и могут использоваться с барабанным ротором 240 и турбинными лопатками 242. В одном варианте выполнения каждый модификатор 216 из группы модификаторов 216 может быть присоединен к нескольким сопловым канавкам 114.

[0021] В другом варианте выполнения каждый модификатор 216 может соединяться с одной сопловой канавкой 114. В одном варианте выполнения каждый модификатор 216 может ограничивать группу пазовых замков 219 для сопел. В одном варианте выполнения каждый модификатор 216 ограничивает один пазовый замок 219 для сопел. В другом варианте выполнения каждый модификатор 216 ограничивает несколько пазовых замков 219. Следует понимать, что в турбине 100 может быть установлена комбинация из модификаторов 216 кожуха (например, модификаторы 216, ограничивающие один пазовый замок 219 для сопла, и модификаторы 216, ограничивающие несколько пазовых замков 219 для сопел). В одном варианте выполнения сопла 218 могут быть размещены в модификаторах 216 с помощью пазовых замков 219. Сопла 218 в каждом модификаторе 216 выполнены с возможностью использования с барабанным ротором 240 и турбинными лопатками 242 с увеличением тем самым количества ступеней в канале 222 для рабочей текучей среды турбины 100. В одном варианте выполнения группа модификаторов 216 может обеспечивать размещение барабанного ротора 240 при увеличении его размеров. В одном варианте выполнения по меньшей мере один модификатор 217 кожуха может ограничивать направляющую поток поверхность 227 для формирования и регулирования потока текучей среды в участках канала 222. Поверхность 227 обеспечивает регулирование расхода, давления, направления, скорости, перехода и т.д. текучей среды в канале 222. Следует понимать, что угловое положение, ориентация, структура или форма направляющей поверхности 227 могут быть любыми из известных в данной области техники. В одном варианте выполнения сопловые канавки 115 на наружном кожухе 110 закрыты модификаторами 216, но не соединены с ними.

[0022] На фиг.3 показана блок-схема иллюстративного способа в соответствии с вариантами выполнения изобретения. На этапе Р1 наружный кожух 110 турбины 100 снимают/разбирают на соответствующие части (например, отделяют верхнюю и нижнюю половины наружного кожуха 110). Эту операцию могут выполнять техники, и/или она может выполняться с помощью машинного оборудования в соответствии с заданным или управляемым пользователем процессом модификации. На этапе Р2, который следует за этапом Р1, из наружного кожуха 110 извлекают сопла диафрагмы верхней половины. Более конкретно, удаляют сопла 112. На этапе Р3, который следует за этапом Р2, из наружного кожуха 110 извлекают ротор 140 с рабочими колесами и диафрагмами. На этапе Р4, который следует за этапом Р3, из наружного кожуха 110 извлекают сопла 112 нижней половины. После этапа Р4, на этапе Р5 в каждом модификаторе 216 кожуха устанавливают сопла 218. На этапе Р6, который следует за этапом Р5, в нижний наружный кожух 110 устанавливают модификаторы 216, содержащие сопла 218. В одном варианте выполнения группу модификаторов 216 соединяют с имеющимися сопловыми канавками 114 наружного кожуха 110. Модификаторы 216 выполнены с возможностью использования с канавками и/или сопловыми канавками 114 предыдущей секции рабочего колеса и диафрагмы. На этапе Р7, который следует за этапом Р6, в барабанный ротор 240 устанавливают турбинные лопатки 242. В одном варианте выполнения турбинные лопатки 242 выравнивают относительно сопел 218. На этапе Р8, который следует за этапом Р7, в нижнюю половину наружного кожуха 110 устанавливают барабанный ротор 240. На этапе Р9, который следует за этапом Р8, в наружный кожух 110 с помощью существующих сопловых канавок 114 устанавливают модификаторы верхней половины кожуха, содержащие сопла. На этапе Р10, который следует за этапом Р9, наружный кожух 110 паровой турбины 100 устанавливают обратно вокруг барабанного ротора 240.

[0023] Диаграмма потока данных и блок-схемы, показанные на чертежах, иллюстрируют архитектуру, функциональность и работу возможных систем и способов, реализованных в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения. В этом отношении каждый блок в структурной схеме или блок-схемах может являться этапом, сегментом или процессом, в которых выполняется часть модернизации паровой турбины. Кроме того, следует отметить, что в некоторых альтернативных вариантах выполнения функции, отмеченные в блок-схеме, могут выполняться в порядке, отличающемся от указанного на чертежах. Например, два блока, показанные последовательно, фактически могут быть выполнены по существу одновременно, или данные блоки могут иногда быть выполнены в обратном порядке, в зависимости от используемого функционального назначения. Также, следует отметить, что каждый блок на блок-схемах и/или структурной схеме, а также комбинации блоков на блок-схемах и/или структурной схеме могут быть выполнены с помощью специального машинного оборудования (например, автоматизированных систем), которые выполняют заданные функции или действия, или с помощью сочетания специального аппаратного оборудования и машинных команд.

[0024] На фиг.4 показан схематический вид частей многовальной энергоустановки 300 с комбинированным циклом. Указанная энергоустановка 300 может содержать, например, газовую турбину 580, функционально соединенную с генератором 570. Генератор 570 и газовая турбина 580 могут быть механически соединены валом 515, который может передавать энергию между приводным валом (не показан) газовой турбины 580 и генератором 570. Кроме того, на фиг.4 показан теплообменник 586, функционально соединенный с газовой турбиной 580 и паровой турбиной 592. Теплообменник 586 может быть проточно соединен и с газовой турбиной 580, и с паровой турбиной 592 с помощью обычных трубопроводов (номера позиции не опущены). Теплообменник 586 может быть обычным теплоутилизационным парогенератором (ТУПГ), например таким, как парогенераторы, используемые в обычных энергоустановках с комбинированным циклом. Как известно в области энергетики, ТУПГ 586 может использовать горячий отработанный газ от газовой турбины 580, а также воду для создания пара, подаваемого в паровую турбину 592. Паровая турбина 592 может быть дополнительно соединена со второй генераторной установкой 570 (с помощью второго вала 515). Следует понимать, что генераторы 570 и валы 515 могут иметь любой размер или быть любого типа, известного в данной области техники, и могут различаться в зависимости от их применения или установки, с которой они соединены. Одинаковая нумерация указанных генераторов и валов выполнена для ясности изложения и не обязательно предполагает идентичность этих генераторов или валов. Генераторная установка 570 и второй вал 515 могут работать по существу аналогично описанным выше генераторной установке 570 и валу 515. Паровая турбина 592 может быть модернизирована с помощью барабанного ротора 240 и модификаторов 216, показанных на фиг.2 или в других рассмотренных в этом документе вариантах выполнения. В одном варианте выполнения (показанном пунктирными линиями) паровая турбина 592 может быть модернизирована с помощью барабанного ротора 240 и модификаторов 216, показанных на фиг.2 или других рассмотренных в этом документе вариантах выполнения. В другом варианте выполнения, показанном на фиг.5, одновальная энергоустановка 400 с комбинированным циклом может содержать один генератор 570, соединенный и с газовой турбиной 580, и с паровой турбиной 592 с помощью одного вала 515. Паровая турбина 592 может быть модернизирована с помощью барабанного ротора 240 и модификаторов 216, показанных на фиг.2 или других рассмотренных в этом документе вариантах выполнения.

[0025] Устройство и способ по изобретению не ограничиваются какой-либо одной конкретной паровой турбиной, турбиной, энергоустановкой или другой установкой и могут использоваться с другой вырабатывающей энергию установкой и/или установками (например с комбинированным циклом, простым циклом, ядерным реактором и т.д.). Кроме того, предложенное устройство может использоваться с другими, не рассмотренными в данном документе установками, которые могут получить пользу от увеличенного рабочего диапазона, эффективности, долговечности и надежности описанного в данном документе устройства.

[0026] Терминология, используемая в данном документе, применяется только с целью описания конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения данного описания. Предполагается, что используемые в данном документе формы единственного числа также включают 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.

[0027] В изложенном описании используются примеры, характеризующие изобретение, включая предпочтительные варианты выполнения, а также создающие возможность любому специалисту осуществить на практике изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых относящихся к этому способов. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалистам. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или, если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.

Предложены турбина, энергоустановка, содержащая турбину, и способ модернизации наружного кожуха паровой турбины для повышения эффективности турбины и всей энергоустановки в целом. В одном варианте выполнения турбина содержит наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе и содержащий лопатки, прикрепленные непосредственно к ротору, модификаторы кожуха, присоединенные к существующим канавкам в наружном кожухе и выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами барабанного ротора, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и указанными модификаторами. Каждый модификатор содержит сопла и ограничивает по меньшей мере один пазовый замок для сопел. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбина, содержащая наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе и содержащий лопатки, прикрепленные непосредственно к ротору, модификаторы кожуха, присоединенные к указанным существующим сопловым канавкам в наружном кожухе и выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами барабанного ротора, причем каждый модификатор содержит сопла и ограничивает по меньшей мере один пазовый замок для сопел, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и указанными модификаторами.

2. Турбина по п. 1, в которой указанные сопла присоединены к модификаторам с помощью указанных пазовых замков для сопел.

3. Турбина по п. 1, в которой барабанный ротор содержит пазовые замки для рабочих лопаток.

4. Турбина по п. 3, в которой указанные лопатки представляют собой турбинные рабочие лопатки, присоединенные к барабанному ротору с помощью пазовых замков для рабочих лопаток, причем турбинные лопатки выполнены с обеспечением взаимодополнения с указанными модификаторами кожуха.

5. Турбина по п. 1, в которой модификаторы кожуха увеличивают количество ступеней в турбине.

6. Турбина по п. 1, в которой по меньшей мере один модификатор из указанных модификаторов образует поверхность для направления потока.

7. Способ модернизации наружного кожуха паровой турбины, включающий

разделение частей указанного наружного кожуха паровой турбины, который содержит канавки, выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами,

удаление элементов рабочих колес и диафрагм из частей наружного кожуха паровой турбины,

установку модификаторов кожуха в указанных существующих сопловых канавках наружного кожуха паровой турбины, причем указанные модификаторы содержат сопла, ограничивают по меньшей мере один пазовый замок для сопел и выполнены с обеспечением взаимодополнения с элементами барабанного ротора,

установку в указанные части наружного кожуха барабанного ротора, содержащего лопатки, прикрепленные непосредственно к ротору, и

повторную сборку наружного кожуха.

8. Способ по п. 7, в котором указанные лопатки представляют собой турбинные рабочие лопатки в барабанном роторе.

9. Способ по п. 8, в котором дополнительно выравнивают турбинные рабочие лопатки и сопла, размещенные в каждом модификаторе кожуха.

10. Способ по п. 7, в котором при разделении частей наружного кожуха паровой турбины снимают его верхнюю половину с его нижней половины.

11. Способ по п. 7, в котором дополнительно извлекают ротор с колесами и диафрагмами из указанных частей наружного кожуха.

12. Энергоустановка, содержащая генератор и турбину, функционально соединенную с генератором и содержащую наружный кожух, имеющий канавки, выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами секции парового тракта с рабочими колесами и диафрагмами, барабанный ротор, расположенный в наружном кожухе и содержащий лопатки, прикрепленные непосредственно к ротору, модификаторы кожуха, присоединенные к указанным существующим сопловым канавкам в наружном кожухе и выполненные с обеспечением взаимодополнения с элементами барабанного ротора, причем каждый модификатор содержит сопла и ограничивает по меньшей мере один паз для сопел, и канал для рабочей текучей среды, по существу ограниченный барабанным ротором и модификаторами кожуха.

13. Энергоустановка по п. 12, в которой указанные сопла присоединены к модификаторам с помощью указанных пазов для сопел.

14. Энергоустановка по п. 12, в которой барабанный ротор содержит пазовые замки для рабочих лопаток.

15. Энергоустановка по п. 14, в которой указанные лопатки представляют собой турбинные рабочие лопатки, присоединенные к барабанному ротору с помощью указанных пазовых замков для лопаток, причем указанные турбинные лопатки выполнены с обеспечением взаимодополнения с модификаторами кожуха.

16. Энергоустановка по п. 12, в которой каждый модификатор кожуха присоединен к одной канавке в наружном кожухе.