ВАЛОПРОВОД ТУРБОАГРЕГАТА С СОЕДИНИТЕЛЬНЫМИ МУФТАМИ, СОВМЕЩЕННЫМИ С ПОДШИПНИКОВЫМИ ОПОРАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ, И ОПОРНЫЙ ИЛИ ОПОРНО-УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК ТАКОГО ВАЛОПРОВОДА
SHAFT LINE OF TURBINE UNIT WITH CONNECTING SLEEVES, ALIGNED WITH BEARING SLIDING SUPPORTS AND SUPPORT OR THRUST BEARING OF THIS SHAFT LINE

Область использования
Заявляемая группа изобретений относится к области энергомашиностроения и теплоэнергетики и может быть использована при разработке новых энергетических паротурбинных установок.
Уровень техники
Известен опорный подшипник скольжения валопровода турбоагрегата, содержащий в качестве опорного элемента вала внешние цилиндрические поверхности ответных полумуфт соединительной муфты двух стыкуемых смежных роторов указанного валопровода (RU 2150008, F01D 3/02, 2000 [1]).
Из того же источника может считаться известным опорно-упорный подшипник скольжения валопровода турбоагрегата, содержащий в качестве опорного и упорного элементов вала внешние соответственно цилиндрические и одна из торцевых поверхностей ответных полумуфт соединительной муфты двух стыкуемых смежных роторов указанного валопровода.
К недостаткам указанных опорного и опорно-упорного подшипников, совмещенных с муфтовыми соединениями роторов турбоагрегата, можно отнести допускаемую возможность существенного несовпадения диаметров, составляющих муфту ответных полумуфт. Это может стать причиной неравномерного распределения давления масляного клина по длине опорного вкладыша подшипника с возникновением вибраций вала. Другим недостатком указанных подшипников является то, что при разборке традиционных муфтовых соединений плотно вставляемые в стыкуемые отверстия полумуфт шпильки обычно выбивают кувалдой, что может привести к повреждению внешних участков полумуфт, используемых в качестве подшипниковых элементов.
Известен принятый в качестве ближайшего аналога третьего патентуемого изобретения указанной группы валопровод турбоагрегата, содержащий скрепленные между собой соединительными муфтами и установленные на подшипниковых опорах роторы многоцилиндровой паровой турбины и электрогенератора (Турбины тепловых и атомных электрических станций под ред. А.Г. Костюка, М.: Издательство МЭИ, 2001, с. 331 [2]).
Подшипниковые опоры такого валопровода требуют для своего размещения специально предусмотренных для этого свободных участков вала (цапф) на каждом из роторов, что существенно увеличивает общую длину валопровода с соответствующим увеличением его металлоемкости и ухудшением вибрационных характеристик. Еще одним недостатком известного валопровода является большая силовая нагрузка на стяжные шпильки, скрепляющие между собой ответные полумуфты соединительных муфт роторов валопровода, которые испытывают не только растягивающие, но также изгибные и срезающие напряжения, что уменьшает их ресурс и снижает надежность работы.
Раскрытие изобретений
Задачей, на решение которой направлены первое и второе изобретение патентуемой группы, является повышение эффективности и надежности работы соединительной муфты в качестве элемента вала опорного и опорно-упорного подшипников скольжения подшипниковых опор валопровода турбоагрегата. Достигаемые при этом технические результаты состоят в обеспечении гарантированного контакта внешних цилиндрических поверхностей обеих ответных полумуфт соединительной муфты смежных роторов валопровода с опорным вкладышем подшипника через равномерный масляный клин, а также - в предотвращении повреждения контактных поверхностей полумуфт при разборке муфтового соединения и повреждения стяжных шпилек муфтового соединения при использовании торцов полумуфт в качестве упорного элемента вала в опорно-упорном подшипнике скольжения.
Указанные технические результаты для решения указанной задачи в отношении первого изобретения патентуемой группы обеспечиваются тем, что в опорном подшипнике скольжения валопровода турбоагрегата, содержащем в качестве опорного элемента вала внешние цилиндрические поверхности ответных полумуфт соединительной муфты двух стыкуемых смежных роторов указанного валопровода, согласно изобретению разность диаметров указанных полумуфт составляет не более 10 мкм, а шпильки, стягивающие указанные полумуфты, выполнены легкосъемными с промежуточными упругими распорными втулками.
В отношении второго изобретения патентуемой группы обеспечивается тем, что в опорном подшипнике скольжения валопровода турбоагрегата, содержащем в качестве опорного и упорного элементов вала внешние соответственно цилиндрические и одну из торцевых поверхностей ответных полумуфт соединительной муфты двух стыкуемых смежных роторов указанного валопровода, согласно изобретению разность диаметров указанных полумуфт составляет не более 10 мкм, шпильки, стягивающие указанные полумуфты, выполнены легкосъемными с промежуточными упругими распорными втулками, а отверстия под указанные стяжные шпильки в стыкуемых полумуфтах закрыты заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками. Задачей, на решение которой направлено третье изобретение патентуемой группы, является уменьшение длины и металлоемкости валопровода, а также повышение надежности его работы, включая надежность подшипниковых опор и соединительных муфт, а техническими результатами - уменьшение металлоемкости и увеличение жесткости роторов из-за уменьшения длины валопровода и уменьшение силовых и вибрационных нагрузок на вал, стяжные шпильки муфтовых соединений и на подшипниковые опоры.
Указанные технические результаты для решения указанной задачи в отношении третьего изобретения патентуемой группы обеспечиваются тем, что в валопроводе турбоагрегата, содержащем скрепленные между собой соединительными муфтами и установленные на подшипниковых опорах роторы многоцилиндровой паровой турбины и электрогенератора согласно изобретению каждая из указанных соединительных муфт объединена с общей для двух стыкуемых ею роторов подшипниковой опорой, причем одно из указанных объединений выполнено в виде опорно-упорного подшипника по п. 2, а все остальные в виде опорного подшипника.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и достигаемыми техническими результатами в отношении первого и второго изобретений патентуемой группы заключается в том, что ограничение разности ответных полумуфт величиной не более 10 мкм гарантирует равномерное распределение давления масляного клина между опорными элементами вала в подшипнике. Выполнение стяжных шпилек легкосъемными с промежуточными упругими распорными втулками позволяет многократно производить разборку и сборку муфтовых соединений без повреждения их элементов, а закрытие отверстий под стяжные шпильки в стыкуемых поверхностях полумуфт заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками предотвращает повреждение шпилек и навинченных на них гаек в процессе взаимодействия торца полумуфты с упорным элементом опорно-упорного подшипника скольжения.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и достигаемыми техническими результатами в отношении третьего изобретения патентуемой группы заключается в том, что использование опорно-упорного и опорных подшипников, выполненных в соответствии с первыми двумя изобретениями патентуемой группы, во всех местах расположения на валопроводе соединительных муфт позволяет существенно уменьшить длину и металлоемкость валопровода при устранении опасности возникновения вибраций и возможного повреждения подшипников при сборке и разборке муфтовых соединений.
Дополнительные технические результаты, создаваемые заявляемой группой изобретений, будут показаны ниже в разделе «Работа турбоагрегата с валопроводом согласно изобретению» при сравнении различных примеров компоновки цилиндров ПТ турбоагрегата с валопроводом согласно изобретению и расположения на нем подшипниковых опор различного типа.
Изобретательский уровень
Изобретение «Валопровод» патентуемой группы отвечает условию «изобретательский уровень», так как известный из уровня техники опорно-упорный подшипник [1] предназначен для компенсации небаланса осевых усилий между встречно расположенными цилиндрами высокого и среднего давления паровой турбины и соответственно установлен только между этими цилиндрами, тогда как в патентуемом изобретении решается задача уменьшения длины и металлоемкости всего валопровода турбоагрегата, включая электрогенератор. Кроме того, в патентуемом валопроводе предусматривается установка усовершенствованных по сравнению с [1] подшипников, входящих в состав патентуемой группы изобретений.
Принятые условные обозначения
ПК - паровой котел
ПТ - паровая турбина
ЦВД - цилиндр высокого давления;
ЦСД - цилиндр среднего давления;
ЦНД - цилиндр низкого давления;
ЭГ - электрогенератор.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 изображена конструктивная схема одного из возможных примеров компоновки турбоагрегата с валопроводом в соответствии с третьим изобретением патентуемой группы со встречным направлением потоков пара в цилиндре высокого давления (ЦВД) и цилиндре среднего давления (ЦСД) и размещением между ЦВД и ЦСД опорно-упорного подшипника, совмещенного с соответствующим муфтовым соединением; на фиг. 2 - то же, для второго примера компоновки турбогенератора с противоположными направленными потоками пара в ЦВД и ЦСД; на фиг. 3 - то же, с использованием муфт только в опорных подшипниках и стандартным опорно-упорным подшипником, расположенным со стороны ЦВД; на фиг. 4 - то же, со стандартным опорно-упорным подшипником, расположенным со стороны ЭГ; на фиг. 5 - муфтовое соединение, приспособленное для использования в качестве элементов вала опорно-упорного подшипника.
Перечень позиций чертежа
1 - валопровод турбоагрегата; 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 - роторы валопровода; 2 - ЦВД; 3 - ЦСД; 4 - ЦНД; 5 - ЭГ; 6 - ПК; 7 - паропровод острого пара; 8.1, 8.2 - линии промежуточного перегрева пара; 9 - линия возврата конденсата в ПК; 10 - соединительная муфта; 10.1, 10.2 - полумуфты; 10.3, 10.4 - цилиндрическая и торцевая части внешней поверхности полумуфт; 10.5, 10.6 - опорный и упорный элементы (вкладыши) подшипника скольжения; 10.7 - стяжная шпилька крепления полумуфт; 10.8 - нарезной хвостовик стяжной шпильки; 10.9 - гайка; 10.10 - промежуточная распорная втулка; 10.11 - защитные колпачки; 10.12 - нарезное осевое сверление для крепления захвата домкрата; 11-15 - подшипниковые опоры, в том числе 11, 15 - стандартные, 12-14 - совмещенные с муфтовыми соединениями.
Подробное описание изобретений
Валопровод 1 турбоагрегата согласно изобретению содержит роторы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 многоцилиндровой ПТ соответственно с ЦВД 2, ЦСД 3, двухпоточным ЦНД 4 и ЭГ 5 (фиг. 1-4). ПТ включена в контур циркуляции рабочего тела с ПК 6, паропроводом 7 острого пара, линиями 8.1 8.2 промежуточного перегрева пара и линией 9 возврата конденсата в ПК 6. Роторы 1.1-1.4 скреплены между собой соединительными муфтами, каждая - с двумя ответными полумуфтами 10.1, 10.2 (фиг. 1-5). При этом каждый из указанных роторов 1.1-1.4 должен быть установлен на двух подшипниковых опорах, но с учетом использования в качестве опорных или опорно-упорных подшипниковых элементов вала внешних поверхностей соответственно цилиндрической и торцевой части полумуфт 10.3, 10.4, число подшипниковых опор сокращается с восьми до пяти за счет совмещения промежуточных опор смежных роторов. Соответственно опоры 11 и 12 предназначены для ротора 1.1 ЦВД 2, опоры 12 и 13 - для ротора 1.2 ЦСД 3, опоры 13 и 14 - для ротора 1.3 ЦНД 4, опоры 14 и 15 - для ротора 1.4 ЭГ 5. Как уже отмечалось, внешние цилиндрические поверхности 10.3 всех указанных муфт используются в качестве опорных элементов вала в опорных или опорно-упорном подшипниках скольжения подшипниковых опор 11-15. Возможно использование также внешней торцевой поверхности 10.4 указанной муфты в качестве упорных элементов вала в опорно-упорном подшипнике скольжения подшипниковой опоры 12 (фиг. 1, 2). В каждом подшипнике скольжения подшипниковых опор 12-14, совмещенных с муфтовыми соединениями роторов валопровода, предусмотрены опорные вкладыши 10.5 (фиг. 1-4), а при использовании совмещенного с муфтовым соединением опорно-упорного подшипника - упорные вкладыши 10.6 (фиг. 1, 2).
В муфтовом соединении, входящем в состав подшипника скольжения согласно изобретению (фиг. 5), разность диаметров ΔD стягиваемых шпильками 10.7 ответных полумуфт 10.1, 10.2 муфты 10 составляет не более 10 мкм. Стяжные шпильки 10.7 с двумя нарезными хвостовиками 10.8 и гайками 10.9 на каждом из хвостовиков выполнены легкосъемными в соответствии с [3]. Для этого тело шпильки 10.7 выполнено слегка конусообразным и помещено в промежуточную упругую металлическую распорную втулку 10.10 с ответной обратной конусностью. В торцевой части одного из хвостовиков 10.8 предусмотрено нарезное осевое сверление 10.12 для крепления не показанного на чертеже захвата специализированного домкрата, с помощью которого шпилька 10.7 в пределах упругой деформации растягивается, плотно обжимая благодаря своей конусности промежуточную втулку 10.10, затем на данном хвостовике подвинчивается гайка 10.9, после чего домкрат снимают. При необходимости разборка муфты легко осуществляется в обратном порядке без риска повреждения ее контактных по отношению к подшипниковой опоре поверхностей. Для предотвращения повреждения торцов шпилек 10.7 и гаек 10.9 стыкуемые отверстия полумуфт 10.1, 10.2 закрыты заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками 10.11.
Работа турбоагрегата с валопроводом согласно изобретениям
Пример фиг. 1. Пар, проходя через проточную часть ЦВД 2 и ЦСД 3, помимо передачи на валопровод 1 крутящего момента, создает встречно направленные осевые усилия, благодаря чему большая часть крутящего момента передается за счет трения прижатых друг к другу торцов полумуфт 10.1, 10.2 соединительной муфты 10, а не за счет стяжных шпилек 10.7. Это дает возможность максимально сократить диаметр муфты. Так как осевые усилия от ЦВД 2 и ЦСД 3 уравновешивают друг друга, то при такой конструктивной схеме возможно уменьшение размеров думмисов (утолщения на роторе, предназначенные для компенсации осевых усилий) вплоть до полного отказа от них. Уменьшение же размеров думмисов означает минимизацию утечек через них пара. Данная конструктивная схема обеспечивает увеличенную экономичность проточной части, так как при ней отсутствует поворот потока пара в ЦВД, и нет необходимости предпринимать дополнительные меры для снижения осевых усилий при стационарной работе турбоагрегата.
Пример фиг. 2. Пар, проходя через проточную часть ЦВД 2 и ЦСД 3, помимо передачи на валопровод 1 турбоагрегата крутящего момента, создает разнонаправленные осевые усилия, совпадающие с направлением тепловых расширений роторов цилиндров, благодаря чему исключаются осевые задевания между рабочими и сопловыми лопатками одной ступени при различных скоростях прогрева ротора и корпуса цилиндра, что позволяет увеличить скорость изменения нагрузки турбоагрегата, не вводя дополнительных ограничений по величине допустимых относительных расширений ротора и статора. Такая конструктивная схема оптимальна для энергоблоков с высокими требованиями к маневренности. Но осевые усилия в данном случае необходимо уравновешивать для каждого цилиндра отдельно.
В примерах фиг. 1 и фиг. 2 полумуфты 10.1, 10.2 соединительной муфты 10 подшипниковой опоры 12 одновременно выполняют функцию опорных 10.3 и упорных элементов 10.4 валопровода 1, взаимодействующих с ответными неподвижными опорно-упорными элементами (вкладышами) 10.5, 10.6 подшипниковой опоры. В совмещенных опорных подшипниках опор 13, 14 соответственно осуществляется аналогичное взаимодействие только внешних цилиндрических поверхностей 10.3 полумуфт 10.1, 10.2 с ответными опорными вкладышами 10.5 соответствующих опор.
В примерах фиг. 3, 4 предполагается, что муфты 10 совмещаются только с опорными подшипниками, а осевые усилия воспринимаются традиционным опорно-упорным подшипником, установленным крайним либо со стороны ЦВД 2 (фиг. 3, опора 11), либо со стороны ЭГ 5 (фиг. 4, опора 15). В этих случаях осевые усилия также необходимо уравновешивать для каждого цилиндра отдельно.
Таким образом, дополнительно к отмеченным выше техническим результатам, выполнение валопровода 1 согласно изобретению в примерах фиг. 1, фиг. 3, фиг. 4 изобретения обеспечивают повышение экономичности и надежности работы, а в примере согласно фиг. 2 - повышение маневренности турбоагрегата.