ПРИВОДНАЯ КОЛОНКА ДЛЯ РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
MOTOR-DRIVEN HEADSTOCK FOR RIGHT TURBINE CONTROL VALVE

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к системе паровпуска в цилиндр паровой турбины.
Известны несколько типов приводов штока клапана: гидравлический, рычажный, электрический. Рычажный тип относится к аналогам настоящего изобретения.
Известна приводная колонка для регулирующего клапана, содержащая полый цилиндрический корпус с боковым кронштейном и двумя диаметрально противоположными окнами, рычаг, одним концом установленный в боковом кронштейне и проходящий через окна в корпусе, другим концом - к управляющему кулачковому механизму, расположенную внутри корпуса рамку, соединенную с рычагом посредством скалки, состоящую из двух поршней и связывающих их продольных стяжек, расположенных напротив друг друга на расстоянии, равном ширине окон корпуса, и пружину, опертую во фланец верхнего поршня для отжима рамки в сторону закрытия клапана. Поршни рамки должны свободно перемещаться вверх под действием кулачкового механизма, рычага и скалки и вниз под действием пружины. В такой широко распространенной колонке корпус и рамка отливаются из серого чугуна. Это позволяет с помощью литьевого процесса изготавливать очень сложные по конфигурации заготовки, близкие к размерам и формам готовых деталей (А.В.Щегляев и С.Г.Смельницкий. Регулирование паровых турбин. М., ГЭИ, 1962, с.33, иллюстрация 2-6).
Недостатком известного устройства является то, что такие монолитные конструкции из чугуна не позволяют обеспечить надежную работу турбин большой мощности с высокими параметрами пара.
Известны также стальные приводные колонки, контактирующие с высокотемпературными деталями турбин, во фланцах которых, изготовленных из углеродистой стали, выполнены резьбовые отверстия для крепежных деталей. Такая стальная колонка более надежна в эксплуатации, чем чугунная и ее наиболее дорогие детали: корпус и рамка могут быть отремонтированы при надобности в условиях электростанции.
Недостатком этой стальной колонки является то, что после нескольких лет работы таких фланцев в контакте с горячими фланцами крышек коробок клапанов углеродистая сталь фланцев «течет», приобретает пластические необратимые деформации и крепежные детали - шпильки, болты не вывинчиваются из фланцев. Для замены изношенного крепежа его необходимо срезать, остатки крепежа высверливать и ставить новый. Это удорожает ремонт и увеличивает длительность ремонта (А.Д.Трухний. Стационарные паровые турбины. М., Энергоатомиздат. 1990, с.175-184).
Кроме того, материал стальной колонки - углеродистая конструкционная сталь - работоспособен без изменения геометрических размеров при температурах ниже 450°С. При более высоких температурах материал подвержен пластическим деформациям, что и наблюдается в зоне опорного фланца корпуса колонки. Выше опорного фланца, вблизи окон для рычага температура металла корпуса не достигает и 100°С, т.к. эта зона удалена от горячих частей турбины и здесь металл не защищается тепловой изоляцией, и корпус и рамка охлаждаются воздухом машинного зала вследствие конвективного теплообмена. То есть выше опорного фланца температурный режим допускает применение углеродистой стали. Другим недостатком этой стальной колонки является факт изготовления поверхностей трения поршней рамки и рабочего цилиндра корпуса из «мягкой» конструкционной стали. Это в условиях работы колонки: повышенная температура металла и сухое трение пары сталь по стали приводит иногда к задирам поршней рамки в корпусе. Результат задира - зависание клапана в произвольном положении, то есть аварийная ситуация энергоагрегата. Отмеченные два недостатка приводят к появлению третьего. Для уменьшения вероятности появления задира в колонке приходится увеличивать зазор между корпусом (рабочим цилиндром) и поршнями рамки. При этом зазор между штоком и буксой в клапане мал (там же, с.178), и его увеличение невыгодно, т.к. ведет к увеличению потерь. При увеличении зазора в поршневой группе рамка теряет центровку относительно рабочего цилиндра корпуса колонки, относительно буксы и штока клапана. Соединение рамка-шток, в котором оси штока и рамки должны совпадать, превращается в соединение типа «коленчатый вал», создавая при возвратно-поступательном движении изгибные напряжения в резьбе штока, в узле подвески. Поскольку резьба в штоке изначально является участком с концентраторами напряжений, то добавочные изгибные напряжения ускоряют разрушение штока. Практическое применение таких стальных колонок, в которых чугунные корпус и рамка заменены стальными, показало, что использование хорошо сваривающихся материалов и упрощенной конструкции не дает преимущества стальной колонки перед чугунной.
Известна приводная колонка для регулирующего клапана паровой турбины, содержащая полый цилиндрический корпус с двумя диаметрально расположенными окнами и боковым кронштейном, подвижную рамку с двумя поршневыми фланцами - верхним со стороны крышки корпуса и нижним для прикрепления к нему штока клапана, скрепленных двумя продольными связками, продольное шпоночное соединение рамки с корпусом, воздействующий на верхний поршневой фланец одноплечий рычаг, установленный опорным концом на оси в боковом кронштейне, проходящий через окна в корпусе и между продольными связками другим концом к управляющему механизму, и возвратную цилиндрическую пружину, опертую одним концом в крышку корпуса, а другим концом - в верхний поршневой фланец подвижной рамки, при этом верхний конец пружины со стороны крышки корпуса оснащен тарелкой, а между ней и крышкой установлено подшипниковое устройство упорного типа (RU 2237168, МПК F01D 17/20, опубл. 30.12.2002).
По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатком устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства является то, что корпус колонки устанавливается на крышку паровой коробки клапана, и нижний опорный фланец корпуса колонки контактирует с горячим верхним фланцем крышки паровой коробки. При температуре пара 540…565°С в современных турбинах фланец крышки паровой коробки, защищенный тепловой изоляцией от теплоотдачи в атмосферу машинного зала, имеет температуру, близкую к температуре пара, вследствие теплопередачи по металлу крышки паровой коробки. Это приводит к перегреву нижней части корпуса колонки. Часто на электростанциях система отсоса пара клапанов не справляется с эвакуацией протечек пара, идущих по зазору между штоком и буксой. Например, если произошел износ штока или буксы и величина зазора стала больше. Тогда избыток пара выходит из клапана и далее через колонку вытекает в машинный зал. При этом чугунные детали перегреваются и портятся очень быстро. Известно, что при нагреве чугуна до температуры выше 250…270°С происходит объемное увеличение чугуна во всех направлениях. В технологии металлов это явление называется «рост» чугуна. Вследствие «роста» чугуна ухудшаются его прочностные свойства: увеличиваются хрупкость, ломкость, появляются трещины во фланце, уменьшается зазор в поршневой паре, что вызывает зависание клапана в произвольном положении. Это аварийная ситуация. Если при застрявшем незакрытом клапане произойдет отключение генератора от сети, это приведет к разгону ротора турбоагрегата. Иногда такой разгон ротора приводит к разрушению турбины, к пожару в машинном зале и более тяжелым последствиям. Другим серьезным недостатком чугунных приводных колонок является невозможность ремонта треснувшего фланца и других элементов корпуса. В тяжело нагруженных чугунных деталях сварка не допускается. Дефектный корпус надо менять, но эта деталь, как правило, отсутствует в комплекте запчастей, эта деталь дорогостоящая. В условиях электростанции можно восстановить величину рабочего зазора между поршнем рамки и корпусом, проточив поршень по наружному диаметру. Но это мера временная, очередное зависание клапана происходит достаточно скоро. Поэтому на электростанциях поршни чугунных рамок протачиваются с «запасом», т.е. практически колонки работают с увеличенным зазором в поршневой группе долго, пока зазор не уменьшится за счет «роста» чугуна. В свою очередь, увеличенный зазор между рамкой и корпусом расцентровывает подвижные детали регулирующего клапана и снижает его надежность.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники решений. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники и определенного заявителем. В частности, предлагаемым изобретением не предусматривается следующее:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) устройства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом известного из уровня техники для такого исключения результата, как, например, упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и т.п.;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение позволяет исключить зависание клапана в произвольном положении, то есть снизить вероятность появления аварийных ситуаций на электростанциях, а выполнение поверхностей трения рамки и корпуса в виде сменных деталей (втулок) - сократить сроки и стоимость ремонта, так как при износе поверхностей трения достаточно заменить дешевые детали - втулки. Протяженность поверхностей трения поршней рамки и соответствующих им участков могут быть точно рассчитаны и с целью повышения надежности и увеличения рабочего ресурса колонки подвержены упрочнению, исключающему возникновение задиров рамки в корпусе и обеспечивающему длительную износостойкость поверхностей трения рамки и корпуса. Применение предлагаемой колонки для привода клапана способствует увеличению надежности клапана, так как использование упрочненных износостойких поверхностей трения рамки и корпуса позволяет устанавливать величины зазоров между поршнями рамки и корпусом колонки меньше, чем зазор между штоком и буксой клапана. Это снижает вероятность разрушения штока по резьбе в узле подвески клапана к рамке. Выполнение опорного фланца корпуса из жаростойкой легированной стали приводит к повышению надежности и увеличению рабочего ресурса колонки.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить надежность управления клапанами турбины, снизить вероятность появления аварийных ситуаций на электростанциях и сократить сроки и стоимость ремонта.
Предложена приводная колонка для регулирующего клапана паровой турбины, включающая корпус с кронштейном для рычага и с опорным базовым фланцем, на котором расположен рабочий цилиндр с двумя противоположно расположенными окнами напротив кронштейна, с рамкой внутри рабочего цилиндра, выполненной в виде двух поршней, соединенных двумя стяжками так, что проем между стяжками повторяет форму окон в рабочем цилиндре и через эти окна и проем рамки проходит рычаг, ось вращения которого проходит через один из двух концов рычага и размещена в кронштейне, а второй конец рычага опирается на профилированный кулачок, связанный с управляющим механизмом, в центре рычага установлена скалка, упирающаяся в верхний поршень рамки, нагруженный возвратной пружиной, опертой верхним торцем в тарелку, установленную на стойках, а нижний поршень соединен со штоком клапана, при этом поверхности трения корпуса выполнены в виде втулок, внутренние поверхности которых имеют износостойкую обработку, а поверхности поршней рамки выполнены в виде втулок или насадок с износостойкими наружными поверхностями, причем величина зазоров в поршневой группе между рамкой и корпусом меньше величины зазора между штоком и буксой, кроме того, рабочий цилиндр, рамка с поршнями и стяжками выполнены из углеродистой конструкционной стали, а опорный базовый фланец корпуса - из жаростойкой легированной стали.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующим далее подробным описанием одного из примеров его реализации, иллюстрируемого прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
Фиг.1 - приводная колонка в продольном разрезе;
Фиг.2 - элемент А из фиг.1;
Фиг.3 - сечение Б-Б из фиг.1.
Предлагаемая приводная колонка для клапана турбины содержит корпус 1 в виде полого стального рабочего цилиндра с присоединенным к нему любым способом кронштейном 2. Корпус имеет два диаметрально противоположно расположенных окна 3 напротив кронштейна 2. Кронштейн может быть приваренным к корпусу, отлитым заодно с рабочим цилиндром корпуса или присоединенным к последнему крепежными деталями, но так, чтобы окна 3 ничем не перекрывались. Корпус 1 соединен с базовым опорным фланцем 4, предпочтительно сваркой, т.к. фланец корпуса колонки изготовлен из жаропрочной легированной стали. Внутри корпуса расположена стальная рамка 5, состоящая из двух поршней: верхнего 6 и нижнего 7 и связывающих их двух стяжек 8, расположенных напротив друг друга на расстоянии ширины окон 3 в корпусе 1, образуя и в рамке 5 окна, подобные окнам 3 корпуса. Нижний поршень 7 предназначен для соединения со штоком 9 клапана, а верхний 6 связан с возвратной пружиной 10, отжимающей рамку 5 в направлении закрытия клапана. Для регулирования усилия натяжения пружины 10 служат тарелка 11 и стойки 12 с необходимыми крепежными деталями. Через окна 3 корпуса и через проем между стяжками 8 проходит рычаг 13, ось вращения которого находится в кронштейне 2, соединяя с кронштейном один конец рычага 13. Противоположный конец рычага 13 взаимодействует с кулачковым распределительным механизмом 14 системы регулирования турбины. В центре рычага 13 установлена скалка 15, упирающаяся в верхний поршень 6 рамки 5, нагруженный возвратной пружиной 10. Нижний поршень 7 соединен со штоком 9 клапана. Поверхности трения рамки 5 и корпуса 1 выполнены в виде сменных деталей - втулок и насадок 16, 17, 18, 19. Внутренние поверхности втулок 16 и 17 и наружные поверхности трения насадок 18 и 19 имеют износостойкую обработку и на стадии изготовления упрочняются известными способами: цементацией, азотированием, напылением порошков твердых металлов или другими способами. Величина зазоров 20 и 21 между поршнями 6 и 7 рамки 5 и корпусом 1 колонки принимается меньше величины зазора 22 между штоком 9 и буксой 23 клапана. Рабочий цилиндр, рамка 5 с поршнями 6 и 7 и стяжками 8 выполнены из углеродистой конструкционной стали, а опорный базовый фланец 4 корпуса 1 - из жаростойкой легированной стали.
Приводная колонка работает следующим образом. Под действием профилированного кулачка, связанного с управляющим механизмом и вращающегося по сигналу системы регулирования турбины, рычаг 13 может подниматься. При этом рычаг 13 перемещает рамку 5, действуя скалкой 15 на поршень 6, сжимая пружину 10 и перемещая шток 9 в сторону открытия клапана. При команде от системы регулирования на закрытие клапана свободный конец рычага 13 лишается опоры на кулачок и под действием пружины 10 рамка 5 со штоком 9, скалка 15 и рычаг 13 перемещаются в сторону закрытия клапана.
Вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее предлагаемое техническое решение при его осуществлении используется в турбостроении, в частности при производстве и модернизации систем паровпуска в цилиндр паровой турбины;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».