Разгруженный поворотный регулирующий клапан Российский патент 2021 года по МПК F16K3/00 F16K39/04 F16K47/04 F01D17/14 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и посвящено повышению надежности и снижению гидравлического сопротивления регулирующих клапанов предназначенных, преимущественно для паровых турбин.

По функциональному назначению аналогом для рассматриваемого нового клапана может служить разгруженный регулирующий клапан, который используется на турбинах Ленинградского Металлического завода, изображенный на фигуре 1 (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П., «Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин», Издательский дом МЭИ 2005 г.)

На фигуре 1 приняты следующие обозначения.

1 - тарельчатый золотник

2 - цилиндрическая часть золотника (гайка)

3 - разгрузочный клапан

4 - шток

5 - втулка, ограничивающая ход разгрузочного клапана

6 - направляющий цилиндр

7 - окна подвода пара во внутреннюю часть клапана

8 - окна подвода пара к окнам 7 в цилиндрической части золотника

9 - внутренняя полость клапана

10 - защитный стакан

В начальный момент открытия клапана, когда разгрузочный клапан при его подъеме в пределах, определяющих ограничительной втулкой 5, обеспечивает соединение внутренней полости клапана 9 с пространством за клапаном, происходит выравнивание давлений между указанными полостями и, соответственно, резко снижается сила необходимая для подъема золотника 1. Однако, по мере подъема клапана, давление за ним увеличивается и сила, прижимающая золотник клапана к головке 3 штока 4, резко снижается и при наличии в потоке высоких пульсаций давления возможно самопроизвольное перемещение золотника в пределах свободного хода разгрузочного клапана. В представленной конструкции для предотвращения развития автоколебаний используется при больших подъемах клапана добавочная подгрузка его паровым усилием.

С этой целью примерно при половинном открытии клапана происходит соединение окна 7 на цилиндрической части золотника с окнами 8 в направляющем цилиндре 6 и возникает интенсивное вторичное течение пара через внутреннюю полость 9 и седло разгрузочного клапана в диффузорную часть седла.

При этом давление внутри клапана повышается и увеличивается сила, прижимающая золотник клапана к головке штока, предотвращающая его самопроизвольное осевое перемещение. Основной недостаток рассматриваемого клапана с проточной подгрузкой добавочным осевым усилием состоит в том, что при смешении пара, проходящего через внутреннюю часть золотника с основной частью пара, проходящего между золотником и седлом возникают очень большие пульсации давления (до 10% от начального давления пара) (Костюк А.Г., Кушенко А.И., Некрасов А.В., Медведев С.В. «Экспериментальный анализ пульсации давлений паропроводящих органов турбоагрегата» Теплоэнергетика 2000 г. №6 с. 50-57) и в результате возникают высокие динамические нагрузки на все детали регулирующего клапана, существенно снижая его вибрационную надежность.

Кроме того, высоконестационарный поток пара после клапана, поступающий в сопловой аппарат первой ступени турбины, отрицательно влияет на ее надежность.

К недостаткам клапана можно отнести и то обстоятельство, что при тарельчатой форме золотника гидравлическое сопротивление клапана находится на уровне 5% от начального давления пара.

По степени соответствия регулирующего клапана сложными и многочисленными эксплуатационными требованиям в качестве прототипа примем клапан, изображенный на фигуре 2, где приняты следующие обозначения

2 - цилиндрическая часть (гайка) золотника

3 - разгрузочный клапан

4 - шток

6 - направляющий цилиндр

9 - внутренняя полость клапана

11 - профилированный золотник

12 - седло разгрузочного клапана

13 - диффузорное седло клапана

14 - втулка

15 - отверстие перфорации

16 - букса

17 - демпферная камера

(Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. «Регулирующие и стопорно регулирующие клапана паровых турбин» Издательский дом МЭИ 2005)

В отличие от аналога (фигура 1) в данном случае принципиальным образом изменена как система разгрузки, так и система подгрузки клапана добавочным паровым усилием при его подъеме свыше 50% от общего открытия.

Здесь стандартная система разгрузки клапана от осевых сил смещена внутрь клапана, а между седлом 12 разгрузочного клапана 3 и профилированным золотником 11 образована демпферная камера 17, соединенная с пространством за клапаном двумя поясами перфорации 15, через отверстия которых происходит сброс пара из внутренней полости 9, в диффузорное седло 12 золотника клапана.

При подъеме клапана свыше 50% от полного его открытия отверстия в цилиндрической гайке 2 перекрываются втулкой 14 и давление во внутренней полости 9 клапана возрастает до начального давления пара, обеспечивая надежное прижатие золотника 11 к головке 3 штока 4.

С помощью отверстий перфораций на профилированной обтекаемой поверхности золотника 11, замкнутых на общую демпферную камеру 17, обеспечивается гашение пульсаций давления, что обеспечивает резкое снижение динамических сил, воспринимаемых штоком 4.

Кроме того, с помощью отверстий перфорации на золотнике 11 и на поверхности диффузорного седла 13 обеспечивается снижение окружной неравномерности потока пара, а при возникновении сверхзвуковых скоростей (режимы пуска турбины) эти отверстия играют роль гасителей волновой структуры потока, возникающего в области сверхзвуковых скоростей.

К особенностям прототипа следует отнести профилирование обтекаемой поверхности золотника Ни входного участка седла 13 из условия безотрывного течения пара в клапанном осесимметричном канале, который образуется при подъеме клапана между указанными поверхностями и 100% центровку золотника 11 внутри направляющего цилиндра 6. Такая центровка достигается за счет выполнения на внешней цилиндрической части золотника центрирующего сектора с углом 60°, радиус которого совпадает с радиусом внутренней поверхности направляющего цилиндра 6.

С помощью указанных конструктивных изменений рассматриваемый клапан удовлетворяет почти всем эксплуатационным требованиям, имея следующие характеристики.

1 - Гидравлическое сопротивление на полном открытии при отсутствии защитной сетки не превышает 2% от начального давления пара

2 - Допускает любую степень разгрузки от осевых усилий без опасности развития осевых автоколебаний

3 - Динамические усилия, действующие на шток клапана, не превосходят 0,5% от максимальных статических усилий на штоке

4 - Сохраняет в течении всего времени эксплуатации исходную центровку золотника относительно седла, что обеспечивает ему высокую плотность

5 - По сравнению со стандартными клапанами имеет сниженное акустическое излучение. К недостаткам этого клапана следует отнести:

- общий для всех угловых клапанов (кроме клапанов с жидкометаллическим уплотнением штоков) недостаток, состоящий в утечке пара вдоль штока;

- сравнительно сложную конструкцию, увеличивающую себестоимость клапана;

- общий для всех существующих разгрузочных клапанов недостаток - сильную зависимость силовой характеристики клапана от начального давления пара и положения золотника клапана.

Техническая задача, решаемая в настоящем изобретении, состоит в устранении отмеченных недостатков. В новом клапане все указанные недостатки отсутствуют при сохранении всех перечисленных выше достоинствах прототипа. Продольный разрез нового клапана изображен на фигуре 3, где приняты следующие обозначения.

4 - шток

16 - букса

17 - цилиндрический стакан с диффузором

18 - кольцевая поворотная диафрагма

19 - шлицевая муфта

20 - кольцевой клапан

21 - окна на входной части цилиндрического стакана

22 - окна на цилиндрической кольцевой диафрагме

23 - кольцевое полусферическое седло

24 - клапанная коробка

25 - входной патрубок

26 - крышка клапанной коробки

27 - выходной патрубок

Основной частью нового клапана является цилиндрический стакан с диафрагмой 17, запрессованный в корпус клапанной коробки 24.

Для прохода пара внутри цилиндрического стакана 17 на его боковой поверхности выполнены окна 21. Их суммарная площадь F₀ с целью максимального снижения гидравлического сопротивления должна не менее чем на 50 - 60% превышать внутреннюю поперечную площадь стакана 17.

Таким образом, при диффузорном отводе пара из клапанной коробки общая площадь окон 21 должна быть равна

(n - число окон на цилиндрической поверхности стакана, l₀ - высота, a h₀ - ширина этих окон, a D₀ - внутренний диаметр цилиндрического стакана 17).

Поскольку суммарная ширина окна для прохода пара не может занимать более половины длины внутреннего обвода цилиндрического стакана 17 с внутренним диаметром D₀, ширина одного окна h₀ будет равна

Тогда, подставляя (3) в (2), получаем

Из соотношения (4) следует, что высота окон l₀ в цилиндрической входной части диффузора не зависит от их ширины h₀, которая определяется внутренним диаметром входного участка диффузора D₀ и принятым числом окон n₀.

Наружная цилиндрическая часть стакана 17 перекрывается поворотной диафрагмой 18, на цилиндрической части которой выполнены указанные выше окна для прохода пара. Их число n₁ равно числу окон по на поверхности стакана 17, а конфигурации окон на поворотной части диафрагмы идентична с окнами на входной цилиндрической части диффузора.

Однако, для надежного перекрытия поворотной диафрагмой окон на входе в диффузор, окна на диафрагме следует выполнить несколько меньшей площадью и принять их линейные размеры l₁ и h₁ равными

l₁=0,95*l₀ и h₁=0,95*h₀ (где h₁ - ширина окон на поворотной диафрагме 18)

т.е. ввести 5% перекрышу между рассматриваемыми окнами.

Кольцевая поворотная диафрагма 18 соединяется со штоком 4 с помощью шлицевой муфты 19, допускающей осевое смещение штока 4.

Шток 4 выполнен совместно с кольцевым клапаном 20, обращенным клапанной коробки 26, а в буксе 16 выполнено кольцевое полусферическое седло 23, которое и перекрывается кольцевым клапаном 20, исключая тем самым утечку пара вдоль приводного штока 4.

Шток 4 соединяется со штоком системы привода клапана с помощью поворотной муфты, преобразующей поступательное движение штока системы привода во вращательные движения штока 4, связанною шлицевой муфтой 19 с поворотной кольцевой диафрагмой 18.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. В закрытом состоянии поворотная кольцевая диафрагма 18 полностью перекрывает окна 21 в стакане 17, перекрывая тем самым доступ пара к проточной части турбины.

При подаче пара в клапанную коробку 24 на шток 4 действует выталкивающая сила Ryo, равная

(Р₀ - давление пара в клапанной коробке, В - атмосферное давление, d - диаметр штока)

Под действием этой силы, кольцевой клапан 20 прижимается к кольцевому полусферическому седлу 23, обеспечивая полное уплотнение штока.

При включении сервомотора клапана шток 4 поворачивается и по мере увеличения угла поворота увеличивает степень открытия окон 21, увеличивая тем самым пропуск пара в турбину. Сектор поворота регулирующей поворотной диафрагмы 18 зависит от числа входных окон 21 в цилиндрической части стакана 17. При одном окне (открыта для прохода пара половина цилиндрической поверхности поворотной диафрагмы) угол поворота диафрагмы 18 составляет 180°, при двух окнах угол поворота у диафрагмы равен 90° при четырех окнах 45°, при восьми окнах 22,5° и так далее.

Важно отметить, что в предлагаемом клапане сила, необходимая для поворота диафрагмы 18 не зависит от начального давления пара в клапанной коробке и определяется только силами трения между внутренней поверхностью цилиндрической части поворотной диафрагмы 18 и внешней цилиндрической поверхностью стакана 17 и силой трения кольцевого клапана 20 при его перемещении по кольцевому седлу 23, выполненному в буксе 16.

В этом случае резко снижается необходимая мощность сервомотора и, соответственно, позволяет иметь сравнительно низкое давление в системе регулирования турбины, что заметно повышает надежность всей гидравлической части системы регулирования.

По сравнению с прототипом (фигура 2) клапан предельно прост в изготовлении, практически не требует периодических ремонтов, легко разбирается, не передает на шток динамических нагрузок и при полном открытии имеет минимально возможное гидравлическое сопротивление, что ведет к повышению КПД цилиндра высокого давления турбины.

Таким образом предлагается новый полностью разгруженный от осевых усилий регулирующий клапан, преимущественно для паровых турбин, содержащих клапанную коробку, входной патрубок, выходной патрубок, крышку клапанной коробки, приводной шток, отличающийся тем, что отвод пара из клапанной коробки осуществляется через цилиндрический стакан, содержащий ряд окон для прохода пара, которые перекрываются цилиндрической поворотной диафрагмой с окнами той же конфигурации, что и окна что и окна на цилиндрической поверхности стакана, причем для поворота цилиндрической диафрагмы используется поворотный шток, соединенный с поворотной диафрагмой шлицевой муфтой, а поворотный шток выполнен совместно с уплотнительным диском, на стороне которого, обращенного к буксе клапана, имеется полусферическое кольцо, входящее в ответную полусферическую кольцевую приточку на буксе.

Следует также отметить, что размеры окон для прохода пара на цилиндрической входной части диффузора и на поворотной диафрагме определяются по следующим соотношениям.

l₀=0,75*D₀ h₀=s₁*D₀/2n=1,57 D₀/n l₁=0,95*l₀ h₁=0,95*l₀

Где l₀ и h₀ - высота и ширина окон на цилиндрической входной части диффузора, l₁ и h₁ - высота и ширина окон на поворотной диафрагме, n - число окон, D₂ - внутренний диаметр узкого сечения стакана, D₀ - внутренний диаметр цилиндрической части стакана.

Использованные источники информации

1. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно - регулирующие клапана паровых турбин. Издательский дом МЭИ. 2005 г.

2. Костюк А.Г., Куменко А.И., Некрасов А.В., Медведев С.В. Экспериментальный анализ пульсаций давлений паропроводящих органов турбоагрегата. Теплотехника 2000 г. №6 с. 50-57.

Предлагается разгруженный поворотный регулирующий клапан, преимущественно для паровых турбин, содержащий клапанную коробку, входной и выходной патрубок, шток, буксу, крышку клапанной коробки, отличающийся тем, что для выхода пара из клапана используется цилиндрический стакан с диффузорной частью и окнами на входной цилиндрической части диффузора, площадь которых на 50-60% превышает внутреннюю поперечную площадь цилиндрического стакана, и эти окна перекрываются поворотной диафрагмой с окнами, идентичными окнам на входной цилиндрической части диффузора, причем для поворота диафрагмы используется шток, соединенный с поворотной диафрагмой шлицевой муфтой, а на штоке со стороны буксы выполнен кольцевой клапан, перекрывающий кольцевое полусферическое седло на торцовой поверхности буксы. Технический результат направлен на снижение динамических нагрузок, передающихся на шток, и при полном открытии клапан имеет минимально возможное гидравлическое сопротивление, что ведет к повышению КПД цилиндра высокого давления турбины. 3 ил.

Разгруженный поворотный регулирующий клапан, преимущественно для паровых турбин, содержащий клапанную коробку, входной и выходной патрубок, шток, буксу, крышку клапанной коробки, отличающийся тем, что для выхода пара из клапана используется цилиндрический стакан с диффузорной частью и окнами на входной цилиндрической части диффузора, площадь которых на 50-60% превышает внутреннюю поперечную площадь цилиндрического стакана, и эти окна перекрываются поворотной диафрагмой с окнами, идентичными окнам на входной цилиндрической части диффузора, причем для поворота диафрагмы используется шток, соединенный с поворотной диафрагмой шлицевой муфтой, а на штоке со стороны буксы выполнен кольцевой клапан, перекрывающий кольцевое полусферическое седло на торцовой поверхности буксы.