СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПОРНОГО ЭЛЕМЕНТА ПОДШИПНИКА РОТОРА, ПАРОВАЯ ТУРБИНА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
THERMAL CONTROL SYSTEM FOR ROTOR BEARING SUPPORTING ELEMENT, STEAM TURBINE AND POWER PLANT

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Описанное в этом документе изобретение относится к турбинам и, в частности, к системам управления температурным состоянием опорных элементов роторов паровых турбин, конкретнее опорных элементов подшипника ротора.
[0002] Некоторые энергетические установки, например некоторые ядерные энергетические установки с простым циклом и с комбинированным циклом, в своей конструкции и при работе используют турбины. Некоторые из этих турбин содержат вращающиеся части (например, роторы), которые поддерживаются опорами подшипников ротора в турбине. Эти опорные элементы подшипников ротора стабилизируют положение роторов и обеспечивают возможность вращения роторов в турбине. Во время работы рабочая текучая среда (например, высокотемпературный пар, высокотемпературный газ и т.д.) направляется через турбину и по всей длине ротора; эта рабочая текучая среда приводит ротор в движение для производства электроэнергии для различных приложений. Некоторые из этих роторов могут иметь существенную длину, для которой требуется использовать нескольких опорных элементов подшипников в турбине. Расположение и близость опорных подшипников к ротору может привести к существенному воздействию температурных градиентов. При разнице в этих температурных градиентах в диапазоне от сотен до тысяч градусов по Цельсию опорные элементы подшипников ротора могут значительно расширяться и сжиматься в ответ на изменение температуры, которое возникает во время работы турбины. Эти расширения и сжатия могут регулировать высоту опорных элементов подшипников ротора и, следовательно, и положение ротора, требуя от турбины наличия увеличенных радиальных зазоров между ротором и турбиной, которые могут снизить коэффициент полезного действия установки. Кроме того, в турбинах с длинными роторами, требующими наличия нескольких опорных элементов подшипников ротора, изменение температурного режима во всем роторе может привести к дифференциальным температурным изменениям между каждым из опорных элементов подшипников ротора, что приводит к смещению ротора.
[0003] На Фиг.1 показан схематический вид частей турбины 100, где ротор 104 поддерживается в части корпуса 130 первым опорным элементом 120 подшипника ротора и вторым опорным элементом 122 подшипника ротора. Турбина 100, изображенная на Фиг.1, представляет собой известную турбину, которая показана во время работы, будучи подверженной воздействию температурного градиента TG. Температурный градиент TG представляет собой изменяющиеся температурные условия в турбине 100, которые постепенно уменьшаются по температуре от первого опорного элемента 120 подшипника ротора к опорному элементу 122 подшипника ротора, относительно осевого положения. Как видно, корпус 130. который поддерживается опорным элементом 133 корпуса, имеет выровненную/прямолинейную форму. В отличие от этого опорные элементы 120 и 122 подшипников ротора расширяются в результате воздействия температурного градиента TG, и эти расширения приводят к тому, что ротор 104 частично деформируется нелинейным образом. Кроме того, в результате температурных изменений по температурному градиенту TG опорный элемент 120 подшипника ротора расширился до большей высоты, чем опорный элемент 122 подшипника ротора, что приводит к дальнейшему смещению ротора 104.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Раскрыты системы для экранирования и охлаждения компонентов турбины. В одном варианте выполнения система терморегулирования для опорного элемента подшипника ротора содержит корпус, проточно соединенный с входным отверстием и выполненный с возможностью по существу схватывания опорного элемента подшипника ротора, причем корпус ограничивает первую кольцевую полость, выполненную с обеспечением приема текучей среды из впускного отверстия; и выходное отверстие, проточно соединенное с корпусом и выполненное с обеспечением приема текучей среды из кольцевой полости.
[0005] В первом аспекте изобретения представлена система терморегулирования опорного элемента подшипника ротора, содержащая корпус, проточно соединенный с входным отверстием и выполненный с возможностью по существу схватывания опорного элемента подшипника ротора, причем корпус ограничивает первую кольцевую полость, выполненную с обеспечением приема текучей среды из входного отверстия; и выходное отверстие, проточно соединенное с корпусом и выполненное с обеспечением получения текучей среды из кольцевой полости.
[0006] Во втором аспекте изобретения представлена турбина, содержащая статор, ротор, по существу заключенный внутри статора; комплект подшипников ротора, соединенных с ротором; первый опорный элемент подшипника ротора, соединенный с первой частью комплекта подшипников ротора, и второй опорный элемент подшипника ротора, соединенный со второй частью комплекта подшипников ротора; и систему терморегулирования, соединенную с первым опорным элементом подшипника ротора и содержащую входное отверстие; корпус, проточно соединенный с входным отверстием и выполненный с обеспечением по существу схватывания опорного элемента подшипника ротора, причем корпус ограничивает первую кольцевую полость, выполненную с обеспечением приема текучей среды из входного отверстия, и выходное отверстие, проточно соединенное с корпусом и выполненное с обеспечением приема текучей среды из кольцевой полости.
[0007] В третьем аспекте изобретения предложена энергетическая установка, содержащая генератор, турбину, функционально соединенную с генератором, ротор, расположенный в турбине, комплект подшипников ротора, соединенных с ротором, первый опорный элемент подшипника ротора, соединенный с первой частью комплекта подшипников ротора, и второй опорный элемент подшипника ротора, соединенный со второй частью комплекта подшипников ротора, и систему терморегулирования, соединенную с первым опорным элементом подшипника ротора и содержащую входное отверстие, корпус, проточно соединенный с входным отверстием и выполненный с обеспечением по существу схватывания опорного элемента подшипника ротора, причем корпус ограничивает первую кольцевую полость, выполненную с обеспечением приема текучей среды из входного отверстия, и выходное отверстие, проточно соединенное с корпусом и выполненное с обеспечением приема текучей среды из кольцевой полости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Эти и другие признаки настоящего изобретения будут лучше понятны из последующего подробного описания его различных аспектов, совместно с прилагаемыми чертежами, которые изображают различные варианты выполнения изобретения и на которых:
[0009] Фиг.1 изображает схематический вид в частичном разрезе части турбины.
[0010] Фиг.2 изображает схематический вид в частичном разрезе части турбины, выполненной в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
[0011] Фиг.3 изображает вид в аксонометрии части системы терморегулирования, выполненной в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
[0012] Фиг.4 изображает вид в аксонометрии части системы терморегулирования, выполненной в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
[0013] Фиг.5 изображает вид в аксонометрии части турбины, выполненной в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
[0014] Фиг.6 изображает схематический вид частей многовальной комбинированной энергетической установки, выполненной в соответствии с аспектом настоящего изобретения.
[0015] Фиг.7 изображает схематический вид одновальной комбинированной энергетической установки, выполненной в соответствии с аспектом настоящего изобретения.
[0016] Следует отметить, что в описании чертежи необязательно выполнены в масштабе. Чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Одинаковые номера позиций на чертежах обозначают одинаковые элементы на всех чертежах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Как указано в настоящем документе, аспекты изобретения предусматривают системы, выполненные с возможностью контролирования и регулирования набора температурных режимов вокруг и внутри опорного элемента ротора. Эти системы используют корпус, выполненный вокруг опорного элемента ротора и функционально соединенный с гидравлической системой, причем гидравлическая система подает в корпус регулируемое количество текучей среды с управляемой температурой, контролируя и регулируя, тем самым, температурные режимы внутри и вокруг опорного элемента ротора.
[0018] В уровне техники, относящемся к энергетическим установкам (в том числе, например, к ядерным реакторам, паровым турбинам, газовым турбинам и т.д.), в качестве части системы часто используют турбины, приводимые в действие высокотемпературными текучими средами (например, паром). Высокотемпературный пар направляется через турбину, вращая, тем самым, ротор и преобразуя тепловую энергию в механическую энергию. Тем не менее, высокотемпературный пар может оказывать негативное влияние на определенные компоненты турбин, такие как ротор и опорный элемент ротора, увеличивая расходы на техническое обслуживание системы и значительно снижая коэффициент полезного действия и срок службы ротора. В некоторых турбинах роторы поддерживаются несколькими опорными элементами подшипника ротора. Температурные условия в турбине могут значительно изменяться в процессе эксплуатации, в результате чего эти опорные элементы подшипника ротора могут относительно расширяться и сжиматься. Расширение и сжатие опорных элементов подшипника ротора, вызванное этими температурными изменениями, может привести к тому, что ротор будет прогибаться или смещаться внутри турбины, снижая коэффициент полезного действия системы, способствуя износу и/или повреждению компонентов и требуя чрезмерных радиальных допусков или зазоров, которые должны быть заложены при проектировании турбины.
[0019] Варианты выполнения настоящего изобретения предусматривают системы и устройства, выполненные с возможностью защиты частей турбинной системы от деформаций и повреждений, вызванных воздействием температурных изменений, с помощью системы терморегулирования, чтобы регулировать и ограничивать воздействие температурных изменений на компоненты турбины. Система терморегулирования содержит корпус, предусмотренный вокруг опорного элемента ротора турбинной системы. Корпус проточно соединен с гидравлической системой, которая поставляет теплоноситель (например, низкотемпературный пар, воздух, конденсат, воду, масло, газ и т.д.) к корпусу. Низкотемпературный пар проходит через корпус и вокруг опорного элемента ротора, теплоизолируя и регулируя, тем самым, температуру опорного элемента ротора.
[0020] Обратившись к чертежам, на которых изображены варианты выполнения системы терморегулирования, видно, что система терморегулирования может повлиять на коэффициент полезного действия и увеличить расчетный срок эксплуатации ротора, турбины и в целом всей энергетической установки, путем теплоизолирования и регулирования опорных элементов ротора. Каждый из компонентов на чертежах может быть подсоединен с помощью традиционных средств, например, через общий канал или другие известные средства, как показано на Фиг.1-7. В частности, со ссылкой на Фиг.2, изображен частичный разрез турбины 200, выполненной в соответствии с вариантами выполнения изобретения. Турбина 200 может содержать ротор 204, частично поддерживаемый первым опорным элементом 220 подшипника ротора и вторым опорным элементом 222 подшипника ротора. Первый опорный элемент 220 подшипника ротора по существу заэкранирован системой 240 терморегулирования, которая проточно соединена с гидравлической системой 252. Система 240 терморегулирования содержит корпус 242, расположенный для экранирования первого опорного элемента 220 от воздействия экологических факторов и/или условий. Корпус* 242 ограничивает кольцевую полость 244 вокруг первого опорного элемента 220, которая выполнена с возможностью вмещения, циркуляции и/или выпуска теплоносителя (например, масла, конденсата, воды и т.д.), полученной от гидравлической системы 252. Этот теплоноситель поглощает тепло из первого опорного элемента 220 и системы 240 терморегулирования и/или поставляет к ним тепло, регулируя, тем самым, температуру первого опорного элемента 220.
[0021] В одном варианте выполнения изобретения гидравлическая система 252 может быть функционально соединена с системой 254 управления. Система 254 управления может представлять собой систему управления с обратной связью, систему управления с управлением пользователем или любой другой тип системы управления, известный в уровне техники. В одном варианте выполнения система 254 управления может регулировать количество теплоносителя, подаваемого в систему 240 терморегулирования. В другом варианте выполнения система 254 управления может регулировать температуру теплоносителя в гидравлической системе 252. В одном варианте выполнения система 254 управления может быть путем обмена данными соединена с датчиком 223 (например, термометром, датчиком перемещения и т.д.), присоединенным ко второму опорному элементу 222 подшипника ротора. В одном варианте выполнения датчик 223 может контролировать температуру второго опорного элемента 222 подшипника ротора и передать значение температуры системе 254 управления. В другом варианте выполнения датчик 223 может контролировать расширение, сжатие и/или деформацию второго опорного элемента 222. В одном варианте выполнения система 254 управления может регулировать температуру теплоносителя в гидравлической системе 252, основываясь на условиях/показаниях (например, температуры) второго опорного элемента 222, полученных датчиком 223. В одном варианте выполнения система 254 управления может регулировать температуру теплоносителя в гидравлической системе 252, основываясь на условиях, обнаруженных во втором опорном элементе 222. В одном варианте выполнения датчик 223 может контролировать температуру масла, заполняющего среднестандартный опорный элемент подшипника второго опорного элемента 222. В другом варианте выполнения датчик 223 может контролировать увеличение размера второго опорного элемента 222. Система 254 управления может регулировать температуру теплоносителя в гидравлической системе 252, основываясь на расчетном тепловом расширении второго опорного элемента 222, причем тепловое расширение рассчитывается с использованием измерений температуры, получаемых от датчика 223. В одном варианте выполнения система 254 управления регулирует температуру теплоносителя так, чтобы по существу согласовывать расширение первого опорного элемента 220 с расширением второго опорного элемента 222, поддерживая, тем самым, добавочную высоту между первым опорным элементом 220 и вторым опорным элементом 222.
[0022] В одном варианте выполнения изобретения теплоноситель вводится в кольцевую полость 244 через входное отверстие 241, а затем возвращается в гидравлическую систему 252 через выходное отверстие 256 и возвратный трубопровод 257 (показан пунктиром). В другом варианте выполнения теплоноситель циркулирует по кольцевой полости 244, а затем выпускается в окружающую среду через выходное отверстие 256. В одном варианте выполнения теплоноситель может содержать смазочное масло из главной системы 280 смазочного масла (показана пунктиром) турбины 200. Главная система 280 смазочного масла подает смазочное масло в систему 240 терморегулирования через входное отверстие 241, при этом смазочное масло протекает через систему 240 терморегулирования и выпускается обратно в главную систему 280 смазочного масла через выходное отверстие 256. В другом варианте выполнения теплоноситель может содержать конденсат из конденсатора 270 (показан пунктиром) турбины 200. Конденсатор 270 подает конденсат в систему 240 терморегулирования через входное отверстие 241, при этом конденсат протекает через систему 240 терморегулирования и выпускается обратно в насос 272 подкачки конденсата (показан пунктиром) через выходное отверстие 256. В другом варианте выполнения теплоноситель может содержать газ (например, воздух, азот и т.д.) от компрессора 288 (показан пунктиром). Компрессор 288 доставляет газ, который управляется по температуре и/или давлению, к системе 240 терморегулирования через входное отверстие 241. В одном варианте выполнения система 240 может быть выполнена вокруг обоих опорных элементов 220 и 222.
[0023] Со ссылкой на Фиг.3, в соответствии с вариантами выполнения, показан вид в аксонометрии частей системы 340 терморегулирования. Следует понимать, что элементы, имеющие одинаковые номера позиций на Фиг.2 и Фиг.3, могут быть по существу аналогичны тем, что изображены со ссылкой на Фиг.2. Кроме того, в вариантах выполнения, показанных и описанных со ссылкой на Фиг.1-7, одинаковые номера позиций могут обозначать одинаковые элементы. Избыточное описание этих элементов было опущено для ясности. Наконец, следует понимать, что компоненты, показанные на Фиг.1-7, и сопровождающее их описание может быть применено к любому описанному здесь варианту выполнения.
[0024] Возвращаясь к Фиг.3, в данном варианте выполнения система 340 терморегулирования может содержать корпус 342, который ограничивает полость 346, выполненную с возможностью по существу дополнения и/или схватывания опорного элемента 220 подшипника ротора (не показан), тем самым, корпус 342 экранирует опорный элемент 220 подшипника ротора от воздействия условий окружающей среды. В этом варианте выполнения корпус 342 содержит наружную стенку 347 и внутреннюю стенку 348, которые ограничивают кольцевую полость 344. Кольцевая полость 344 служит проходом для теплоносителя, поступающего в корпус 342 через входное отверстие 341 и выходящего из корпуса 342 через выходное отверстие 356, циркулируя, таким образом, по системе 340 терморегулирования. В одном варианте выполнения корпус 342 выполнен из углеродистой стали. В другом варианте выполнения корпус 342 выполнен из алюминия. Понятно, что корпус 342 может состоять из любого материала или комбинации материалов, известных в данной области техники. В любом случае в одном варианте выполнения теплоноситель вводят при температуре ниже, чем температура окружающей среды, тем самым, создавая охлаждающий эффект, действующий на корпус 342, отводя тепло от системы 340 терморегулирования и теплоизолированного опорного элемента 220 подшипника. В другом варианте выполнения, показанном на Фиг.4, система 440 терморегулирования содержит корпус 442 с наружной стенкой 447, первой внутренней стенкой 448 и второй внутренней стенкой 449. Вторая внутренняя стенка 449 и первая внутренняя стенка 448 по существу ограничивают первую кольцевую полость 445, которая проточно соединена со второй кольцевой полостью 444, по существу ограниченной наружной стенкой 447 и второй внутренней стенкой 449. Теплоноситель поступает в первую кольцевую полость 445 через входное отверстие 441, которое проточно соединено с первой кольцевой полостью 445. Теплоноситель проходит через первую кольцевую полость 445 и во вторую кольцевую полость 444, откуда теплоноситель может быть удален из корпуса 442 через выходное отверстие 456.
[0025] На Фиг.5 показан частичный вид в аксонометрии части турбины 500 в соответствии с вариантами выполнения. В этом варианте выполнения система 586 подшипников ротора поддерживает опорный элемент 520 подшипника ротора, который по существу окружен системой 540 терморегулирования. Система 540 терморегулирования выполнена с возможностью экранирования опорного элемента 520 от условий окружающей среды. В одном варианте выполнения система 540 терморегулирования выполнена с возможностью регулирования положения подшипника 586 ротора путем температурного регулирования опорного элемента 520, управляя, тем самым, расширением и сжатием опорного элемента 520.
[0026] На Фиг.6 показан схематический вид частей многовальной энергетической установки 900 с комбинированным циклом. Установка 900 может содержать, например, газовую турбину 902, функционально соединенную с генератором 908. Генератор 908 и газовая турбина 902 могут быть механически соединены валом 907, который может передавать энергию между приводным валом (не показан) газовой турбины 902 и генератором 908. На Фиг.6 также изображен теплообменник 904, функционально соединенный с газовой турбиной 902 и паровой турбиной 906. Теплообменник 904 может быть проточно соединен с газовой турбиной 902 и паровой турбиной 906 с помощью традиционных каналов (нумерация опущена). Газовая турбина 902 и/или паровая турбина 906 может быть проточно соединена с системой 240 терморегулирования, изображенной на Фиг.2, или с другими описанными здесь вариантами выполнения. Теплообменник 904 может представлять собой обычный теплоутилизационный парогенератор (HRSG), такой как те, которые используются в традиционных энергетических установках с комбинированным циклом. Как известно из уровня техники выработки электроэнергии, HRSG 904 может использовать горячие выхлопные газы из газовой турбины 902 в сочетании с водой, для создания пара, который подается в паровую турбину 906. Паровая турбина 906 может быть также соединена со второй системой генераторов 908 (через второй вал 907). Следует понимать, что генераторы 908 и валы 907 могут иметь любой размер и тип, известный в данной области техники, и могут отличаться, в зависимости от их применения или системы, к которой они подключены. Общая нумерация генераторов и валов приведена для ясности и необязательно подразумевает, что эти генераторы или валы одинаковы. В одном варианте выполнения (показан пунктиром) система 240 терморегулирования может получать текучую среду из HRSG 904. В другом варианте выполнения система 240 может получать текучую среду из паровой турбины 906. В одном варианте выполнения изобретения (показан пунктиром) система 240 терморегулирования получает текучую среду из гидравлической системы 252 (показана на Фиг.2). Гидравлическая система 252 может содержать компрессор, источник находящегося под давлением газа или другой источник текучей среды, как известно в уровне техники. В другом варианте выполнения (показан пунктиром) система 240 терморегулирования может получать текучую среду в виде сжатого воздуха, получаемого в результате работы газовой турбины 902. В другом варианте выполнения паровая турбина 906 может быть проточно интегрирована с системой 240 терморегулирования. В другом варианте выполнения, показанном на Фиг.7, установка 900 может содержать один генератор 908, соединенный как с газовой турбиной 902, так и с паровой турбины 906 с помощью одного вала 907. Паровая турбина 906 и/или газовая турбина 902 может быть проточно соединена с системой 240 терморегулирования, изображенной на Фиг.2, или с другими описанными здесь вариантами выполнения.
[0027] Система терморегулирования, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, не ограничивается какой-либо конкретной турбиной, энергетической установкой или другой системой и может использоваться с другими энергетическими установками и/или системами (например, с комбинированным циклом, простым циклом, ядерным реактором и т.д.). Кроме того, предложенная система терморегулирования может использоваться с другими системами, не описанными в данном документе, может получать эффект от тепловой защиты описанной здесь системы терморегулирования.
[0028] Терминология, используемая в настоящем документе, приведена с целью описания исключительно конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения изобретения. Используемые в настоящем документе различные формы единственного числа существительных также подразумевают и включение формы множественного числа, если только из контекста явным образом не указано иное. Также следует понимать, что при использовании в настоящем описании термины «содержит» и/или «содержащий» указывают на наличие заявленных признаков, систем, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавления одного или нескольких других признаков, систем, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0029] В этом описании для раскрытия изобретения используются примеры, в том числе лучший режим, чтобы также дать возможность любому специалисту использовать это изобретения на практике, в том числе создавая и используя любые устройства или системы и выполняя любые включенные способы. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые ничем не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они содержат эквивалентное конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.