ВЫПУСКНОЙ ПАТРУБОК ДЛЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫПУСКНЫХ ПОТЕРЬ В ВЫПУСКНОМ ПАТРУБКЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
OUTLET BRANCH PIPE FOR STEAM TURBINE AND METHOD TO REDUCE OUTPUT LOSSES IN OUTLET BRANCH PIPE OF STEAM TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение относится в целом к паровым турбинам и, более конкретно, к выпускным патрубкам паровых турбин.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] При выпуске отработанного пара из осевой турбины, например при выпуске отработанного пара к конденсатору, желательно обеспечивать максимально равномерный поток пара и сведение к минимуму потерь энергии, обусловленных увеличением завихрений и турбулентности, а также неоднородности в таком потоке. Обычно отработанный пар, выходящий из турбины, направляется в выпускной патрубок, а затем через выпускное отверстие в патрубке - в конденсатор, в направлении, по существу перпендикулярном к оси турбины. При этом желательно получить плавный переход от осевого потока на выпуске турбины к радиальному потоку в выпускном патрубке и, следовательно, равномерное прохождение потока у выпускного отверстия данного патрубка в конденсатор.
[0003] При проектировании эффективного выпускного патрубка, предназначенного для использования с такой осевой турбиной, желательно устранить потери, обусловленные ускорением, в любом используемом в турбине направляющем средстве и получить по существу равномерное распределение потока у выпускного отверстия выпускного патрубка для наиболее эффективного преобразования энергии в турбине и эффективной подачи отработанного пара к конденсатору, с которым она соединена.
[0004] Кроме того, желательно получить оптимальную производительность на лопатках последней ступени турбины, прежде чем отработанный пар выйдет из турбины, путем достижения по существу равномерного периферического и радиального распределения давления в выходной плоскости лопаток последней ступени. И наконец, желательно достичь этих результатов при использовании патрубка с максимально короткой осевой длиной.
[0005] В известном уровне техники в выпускном патрубке паровой турбины используются лопатки, имеющие плавно изогнутые поверхности для перехода осевого потока пара, выходящего из турбины, в по существу радиальный поток. Пример такой конструкции для преобразования осевого потока выходящего из турбины отработанного пара в радиальный поток приведен в патенте США №3552877 авторов Christ и др. В других разработках, относящихся к выпускным патрубкам для осевых турбин известного уровня техники и приведенных, например, в патентном документе США №4013378 автора Herzog, имеется несколько групп лопаток для дополнительного выравнивания потока.
[0006] Однако подобные конструкции не обеспечивали в полной мере эффективное направление отработанного пара к выпускному отверстию выпускного патрубка с уменьшением потерь от ускорения и потерь, обусловленных образованием завихрений, поглощающих энергию, в потоке отработанного пара. Кроме того, они не обеспечивали в полной мере достижение по существу равномерного распределения периферического и радиального давления в выходной плоскости лопаток последней ступени турбины, что особенно важно учитывать, если лопатки имеют высокую скорость концевой части и высокие числа Маха для выпускного потока.
[0007] В паровых турбинах широко используются диффузоры. Эффективные диффузоры могут улучшить производительность турбины и ее выходную мощность. К сожалению, сложные структуры потока, существующие в таких турбинах, а также проблемы проектирования, вызванные пространственными ограничениями, делают почти невозможным создание в полной мере эффективных диффузоров. Часто встречающимся следствием является отрыв потока, который полностью или частично нарушает способность диффузора повышать статическое давление, поскольку скорость потока снижается вследствие увеличения его площади сечения. Это часто происходит под действием пограничного слоя пара, который становится толще вдоль поверхности диффузора в направлении прохождения потока, в результате чего появляется возможность возникновения упомянутого выше отрыва потока.
[0008] В патенте США №5167123 автора Ronald Е. Brandon приведено описание способа и устройства, предназначенных для повышения рабочих характеристик диффузоров паровой турбины путем предотвращения отрыва потока от стенок диффузора. Такой отрыв потока от стенок диффузора уменьшают или исключают путем охлаждения стенок диффузора до температуры ниже температуры насыщения, что вызывает возникновение некоторой конденсации и обеспечение прохождения потока пара к стенкам для исключения его естественного стремления к отрыву в рассеивающих пар проходах.
[0009] Несмотря на то что использование лопаток для потока может выравнивать поток пара, проходящий от последней ступени турбины к конденсатору, а охлаждение стенок диффузора может повышать рабочие характеристики диффузоров паровой турбины путем предотвращения отрыва потока от стенок диффузора, в выпускном патрубке остаются другие области с высокими скоростями потока пара. Соответственно, может быть желательным принятие дополнительных мер, обеспечивающих уменьшение областей с высокими скоростями потока в выпускном патрубке.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Данное изобретение относится к снижению скорости потока насыщенного пара на пути прохождения отработанного пара между паровой турбиной и конденсатором с обеспечением, таким образом, снижения выпускных потерь. В выпускном тракте в областях с высокими скоростями потока могут быть выполнены один или более охлаждаемых направляющих элементов выпускного патрубка, обеспечивающих конденсацию насыщенного пара.
[0011] Вкратце, в соответствии с одним аспектом предложено выпускное устройство для паровой турбины. Указанное выпускное устройство содержит выпускной патрубок, присоединенный к корпусу паровой турбины, и диффузор, расположенный в выпускном патрубке и предназначенный для приема потока отработанного пара, выходящего из выпускного отверстия корпуса паровой турбины, и выпуска потока отработанного пара. Для приема потока отработанного пара, выходящего из выпускного патрубка, выполнен конденсатор. Поток отработанного пара направляется из выпускного отверстия диффузора к конденсатору. В выпускном патрубке выполнен по меньшей мере один направляющий элемент, предназначенный для обеспечения по существу равномерного распределения отработанного пара. Внутри по меньшей мере одного направляющего элемента выпускного патрубка проходит охлаждающий поток, предназначенный для конденсации отработанного пара вблизи него. В одном варианте выполнения изобретения предложен выпускной патрубок для паровой турбины, содержащий: выпускной патрубок, который содержит нижний выпускной патрубок, присоединенный к паровой турбине, направляющую для пара, расположенную в нижнем выпускном патрубке и предназначенную для направления потока отработанного пара от лопаток последней ступени корпуса паровой турбины, отверстие конденсатора, расположенное под нижним выпускным патрубком и предназначенное для приема потока отработанного пара из указанного патрубка, по меньшей мере один направляющий элемент, установленный в нижнем выпускном патрубке и предназначенный для направления распределенного потока отработанного пара к отверстию конденсатора, и внутренний канал, который расположен в указанном по меньшей мере одном направляющем элементе и предназначен для направления потока теплоносителя внутри него, а также для охлаждения и конденсации потока отработанного пара вблизи указанного по меньшей мере одного направляющего элемента. В одном варианте выполнения изобретения указанный по меньшей мере один направляющий элемент может быть расположен в потоке отработанного пара между направляющей для пара и отверстием конденсатора. В еще одном варианте выполнения изобретения указанный по меньшей мере один направляющий элемент меняет направление потока отработанного пара от осевого направления на радиальное направление. В еще одном варианте выполнения изобретения указанный по меньшей мере один направляющий элемент содержит направляющие элементы с двойными стенками и внутренний канал, в котором поток теплоносителя направляется через указанные элементы с двойными стенками для охлаждения и конденсации потока отработанного пара. В еще одном варианте выполнения изобретения поток теплоносителя в указанном внутреннем канале направляется к охлаждаемым поверхностям для обеспечения предпочтительного охлаждения. В еще одном варианте выполнения изобретения поток теплоносителя в указанном внутреннем канале направляется к охлаждаемым поверхностям для обеспечения предпочтительного охлаждения исходя из локальных значений параметров потока отработанного пара. В еще одном варианте выполнения изобретения поток теплоносителя содержит конденсат, поступающий из конденсатора. В еще одном варианте выполнения изобретения поток теплоносителя содержит охлажденный теплоноситель. В еще одном варианте выполнения изобретения поток теплоносителя содержит неводный теплоноситель.
[0012] В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предложен способ снижения выпускных потерь в выпускном патрубке паровой турбины, содержащем диффузор и выпускной тракт, проходящий от выпускного отверстия диффузора к конденсатору. Указанный способ включает составление карты профилей скоростей потока отработанного пара между выпускным отверстием последней ступени паровой турбины и конденсатором и дальнейшее определение областей с высокими скоростями потока отработанного пара. В потоке отработанного пара располагают по меньшей мере один направляющий элемент, который охлаждают. Поток отработанного пара вблизи направляющего элемента охлаждают и конденсируют. В одном варианте выполнения изобретения предложен способ снижения выпускных потерь в выпускном патрубке паровой турбины, который содержит нижний выпускной патрубок и в котором поток отработанного пара проходит от паровой турбины к впускному отверстию конденсатора, включающий: составление карты профилей скоростей потока отработанного пара в нижнем выпускном патрубке между лопатками последней ступени паровой турбины и впускным отверстием конденсатора, определение областей потока отработанного пара с высокими скоростями вблизи направляющего элемента нижнего выпускного патрубка, выполнение внутреннего канала в направляющем элементе нижнего выпускного патрубка вблизи областей с высокими скоростями потока отработанного пара и изменение направления внутреннего канала направляющего элемента для обеспечения предпочтительного направления потока теплоносителя, проходящего через внутренний канал и охлаждающего поверхность направляющего элемента вблизи областей с высокими скоростями потока отработанного пара.
[0013] В соответствии с дополнительным аспектом данного изобретения предложена паровая турбина, содержащая выпускное устройство с выпускным патрубком, присоединенным к корпусу паровой турбины, и диффузором, расположенным в указанном патрубке и предназначенным для приема потока отработанного пара, выходящего из выпускного отверстия корпуса паровой турбины, и выпуска потока отработанного пара. Для приема потока отработанного пара, выходящего из выпускного патрубка, выполнен конденсатор. Поток отработанного пара направляется из выпускного отверстия диффузора к конденсатору. В выпускном патрубке выполнен по меньшей мере один направляющий элемент, предназначенный для обеспечения по существу равномерного распределения отработанного пара. К внутренней части указанного по меньшей мере одного направляющего элемента выпускного патрубка направляется охлаждающий поток, предназначенный для конденсации находящегося вблизи него отработанного пара.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны при прочтении последующего подробного описания, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
[0015] фиг.1 изображает вид в аксонометрии с частичным вырезом паровой турбины,
[0016] фиг.2 изображает часть паровой турбины, содержащей тракт выпускного потока,
[0017] фиг.3 изображает иллюстративную структуру потока отработанного пара в нижней половине выпускного патрубка паровой турбины, и
[0018] фиг.4 изображает направляющий элемент выпускного патрубка, выполненный для охлаждения потока пара в нижней половине выпускного патрубка.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] Приведенные ниже варианты выполнения данного изобретения имеют множество преимуществ, в том числе обеспечивают уменьшение областей с высокими скоростями потока отработанного пара, выходящего из паровой турбины, со снижением, таким образом, потерь в выпускном потоке.
[0020] Существующая в настоящее время технология производства выпускных патрубков паровой турбины в основном заключается в изготовлении стальной конструкции, которая поддерживает неподвижные и вращающиеся компоненты турбины и изолирует область отработанного пара от атмосферного воздуха. Отработанный пар паровой турбины сильно разрежен, т.е. находится под давлением значительно ниже атмосферного. Таким образом, конструкция выпускного патрубка должна быть достаточно жесткой для обеспечения противодействия силе давления атмосферного воздуха, а также достаточно большой для обеспечения возможности расширения пара и его рассеивания через нее. В данном изобретении предложены направляющие элементы выпускного патрубка, которые расположены в потоке отработанного пара и по которым циркулирует теплоноситель. Указанные охлаждаемые направляющие элементы обеспечивают конденсацию находящегося рядом с ними пара и улучшают проходящий через выпускной патрубок поток вследствие воздействия такой конденсации. Направляющие элементы выпускного патрубка могут представлять собой конструктивные элементы, расположенные в выпускном патрубке и выполненные с обеспечением целостности его конструкции. Указанные направляющие элементы также могут работать в качестве лопаток или направляющих потока, выполненных с обеспечением содействия равномерному направлению потока отработанного пара, выходящего из турбины и проходящего через выпускной патрубок к соединенному с ним конденсатору.
[0021] Потери в выпускном патрубке могут оказывать сильное влияние на рабочие характеристики паровой турбины. Указанный выпускной патрубок может быть выполнен с обеспечением рассеивания пара, выходящего из последней ступени, в результате чего потери в выпускном патрубке могут быть снижены. Благодаря циркуляции теплоносителя через направляющие элементы выпускного патрубка на пути прохождения потока, пар вблизи охлаждаемых элементов охлаждается и конденсируется на них. Эта конденсация происходит в области потока с низкими скоростями, расположенной около указанных элементов, что уменьшает пограничный слой и улучшает поток, проходящий через патрубок. Такое воздействие конденсации также способствует удерживанию потока отработанного пара у патрубка и противодействует отрыву потока.
[0022] Фиг.1 изображает вид в аксонометрии с частичным вырезом паровой турбины. Фиг.2 изображает часть паровой турбины, содержащей выпускной тракт. Паровая турбина, обозначенная в целом номером 10 позиции, содержит ротор 12 с установленными на нем лопатками 14 турбины. Кроме того, показан внутренний корпус 16, в котором установлены диафрагмы 18. Расположенный по центру по существу радиальный впуск 20 обеспечивает подачу пара к каждой лопатке турбины и лопаткам статора, расположенным на противоположных относительно оси сторонах турбины, для обеспечения приведения ротора во вращение. Статорные лопатки диафрагм 18 и аксиально смежные лопатки 14 образуют различные ступени турбины, формирующие проточный тракт, при этом следует понимать, что пар выпускается из последней ступени турбины для прохождения в конденсатор, не показанный на чертеже.
[0023] На чертеже также показан внешний выпускной патрубок 22, который окружает и поддерживает внутренний корпус турбины, а также другие ее части, например подшипники. Указанная турбина содержит направляющие 24 для пара, предназначенные для направления пара, выходящего из турбины в выпуск 26, для его прохождения к одному или более конденсаторам. При использовании выпускного патрубка, поддерживающего турбину, подшипники и вспомогательные части, проточный тракт для отработанного пара является извилистым и подвержен потерям давления с последующим снижением рабочих характеристик и эффективности. В выпускном патрубке 22 могут быть выполнены опорные конструкции, обеспечивающие укрепление указанного патрубка и способствующие направлению потока отработанного пара. Для обеспечения приема и направления потока 35 отработанного пара, проходящего от паровой турбины 10, выполнена типичная опорная конструкция 30. Указанная конструкция 30 описана далее более подробно со ссылкой на фиг.4.
[0024] Фиг.3 изображает иллюстративную структуру 100 потока отработанного пара в паровой турбине, выходящего через нижнюю половину 105 выпускного патрубка 110. Поток 120 отработанного пара, выходящий из турбины, направляется вниз с помощью внешнего кожуха 125 патрубка и направляющего элемента (пластина выпускного патрубка) 130. Стрелками 140 структуры потока отработанного пара показаны профили скоростей потока 120 отработанного пара. Указанные профили скоростей могут быть получены с помощью аналитических способов или путем измерения параметров потока. Скорость в пределах проточного тракта представлена плотностью стрелок, причем более высокая плотность стрелок отображает более высокую скорость потока. Область наибольшей скорости 150 в поле скоростей показана с помощью плотно расположенных стрелок вблизи поверхности 160 направляющего элемента 130. Анализ или измерение параметров могут дополнительно обеспечить прогнозирование наличие слоя пара с низкой скоростью вблизи поверхности 160, который может препятствовать потоку и создавать более высокую скорость потока через оставшееся пространство.
[0025] В варианте выполнения данного изобретения направляющие элементы выпускного патрубка, расположенные в таких областях с высокими скоростями, могут охлаждаться. В случае, приведенном на данном иллюстративном чертеже, может быть желательным охлаждение поверхности 160 для обеспечения конденсации пара, уменьшения пограничного слоя и улучшения потока, проходящего через выпускной патрубок. Другие направляющие элемент выпускного патрубка, расположенные в паровом проточном тракте, также могут охлаждаться.
[0026] Фиг.4 изображает вариант выполнения направляющего элемента 200, предназначенного для охлаждения потока пара в нижнем выпускном патрубке 105. Нижний выпускной патрубок 105 может быть ограничен сторонами 230 (на чертеже показана одна сторона) и торцевой конструкцией 180. Как показано, направляющий элемент 200 выпускного патрубка может представлять собой конструктивный элемент, который обычно может проходить по существу в вертикальной плоскости от боковой рамы (фиг.1, номер 40 позиции) нижнего выпускного патрубка к ротору 12. Нижняя часть 210 элемента 200 может быть установлена на основании 170 нижнего выпускного патрубка 105. Направляющий элемент 200 может быть дополнительно сопряжен с опорными стойками (на чертеже не показаны), проходящими от боковой рамы выпускного кожуха к торцевой раме выпускного патрубка и идущего вверх от основания выпускного патрубка. В нижнем выпускном патрубке могут быть расположены другие направляющие элементы 250, однако эти конструкции могут находиться не в областях высокоскоростного потока отработанного пара и, соответственно, могут не нуждаться в охлаждении для улучшения потока отработанного пара.
[0027] Направляющие элементы 200 выпускного патрубка могут дополнительно действовать в качестве направляющих выпускного потока, которые способствуют направлению выпускного потока от первоначального осевого направления к радиальному направлению в выпускном патрубке. Эти элементы могут иметься как в верхней половине, так и в нижней половине выпускного патрубка. Однако анализ скорости потока в соответствующих верхней и нижней половинах выпускного патрубка может показывать более высокие скорости отработанного пара в нижней половине патрубка, что делает применение охлаждения конструкции нижней половины более желательным с экономической точки зрения.
[0028] Предназначенные для охлаждения направляющие элементы 200 выпускного патрубка могут содержать элементы 205 с двойными стенками, причем между указанными элементами 205 образован внутренний канал 215 для потока теплоносителя. Поток теплоносителя может дополнительно направляться внутренними направляющими перегородками, расположенными между элементами 205. Теплоноситель может быть специально направлен для охлаждения конкретных поверхностей 260 направляющих элементов так, что он обеспечивает конденсацию вдоль поверхности. Благодаря уменьшению путем охлаждения объема пара, находящегося вблизи указанной поверхности, может обеспечиваться наличие большего пространства для прохождения остального отработанного пара, в результате чего уменьшаются области с высокими скоростями прохождения пара около поверхности направляющих элементов. Конденсация пара в выпускном патрубке уменьшает площадь, требуемую для рассеивания пара. Локальная конденсация в пограничном слое потока пара уменьшает пограничный слой, а также уменьшает отрыв потока.
[0029] Система охлаждения может подавать теплоноситель от боковой поверхности 230 нижнего выпускного патрубка 105 через впускное отверстие 225 к каналу 215 между элементами 205. На противоположных сторонах нижнего выпускного патрубка 105 могут быть выполнены отверстия для охлаждения. Система охлаждения может выпускать теплоноситель из выпускного отверстия 235, выполненного в удобном местоположении, которое может содержать основание 170 нижнего выпускного патрубка. Теплоноситель может содержать охлажденный конденсат, охлажденную воду или неводный теплоноситель. Система охлаждения может дополнительно содержать впускные клапаны, выпускные клапаны, расходомеры и другие известные компоненты для текучей среды.
[0030] Направляющие элементы выпускного патрубка с охлаждением могут быть выполнены на выпускных патрубках будущих паровых турбин или могут использоваться для модернизации выпускных патрубков существующих паровых турбин. Модернизация выпускных патрубков существующих паровых турбин может быть особенно желательна в случае усовершенствованных паровых турбин, в которых более высокие показатели усовершенствованного блока приводят к воздействию более высоких скоростей выпуска отработанного пара на направляющие элементы выпускного патрубка и возможности возникновения более высоких перепадов давления и потерь эффективности при отсутствии конденсирующих эффектов, обеспечиваемых данным изобретением.
[0031] Несмотря на то, что в данном документе приведено описание различных вариантов выполнения, следует понимать, что возможно выполнение различных комбинаций элементов, изменений или улучшений, которые находятся в рамках объема данного изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
10 Паровая турбина
12 Ротор
14 Лопатки
16 Внутренний корпус
18 Диафрагмы
20 Радиальное паровпускное отверстие
22 Выпускной патрубок
24 Направляющие для пара
26 Впускное отверстие конденсатора
30 Опорная конструкция
35 Поток отработанного пара
40 Боковая рама
100 Структура потока отработанного пара
105 Нижняя половина выпускного патрубка
110 Выпускной патрубок
120 Поток отработанного пара
125 Внешний кожух выпускного патрубка
130 Направляющий элемент
150 Область наибольшей скорости
160 Поверхность направляющего элемента
170 Основание
200 Направляющие элемент
205 Направляющий элемент с двойными стенками
210 Нижняя часть
215 Внутренний канал
225 Впускное отверстие
230 Боковая поверхность
235 Выпускное отверстие
250 Другие направляющие элементы
260 Охлаждаемая поверхность