Последняя ступень паровой турбины
LAST STAGE OF STEAM TURBINE

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности паротурбостроения, и может быть использовано при проектировании паровых турбин средней и большой мощности, а именно при разработке конструкции последних ступеней паровых турбин, имеющих элементы влагоудаления.
Последние ступени мощных паровых турбин, как правило, работают при достаточно высоких значениях влажности парового потока. Влажный пар представляет собой полидисперсную смесь пара и капель влаги. Крупнодисперсная влага концентрируется, главным образом, на периферии ступени. Ее основными источниками являются пленки влаги, срывающиеся с выходных кромок направляющих лопаток, а также группы крупнодисперсных первичных капель, прошедшие сопловую решетку без контакта с направляющими лопатками или отраженные от направляющих лопаток. Кроме того, генераторами крупнодисперсной влаги являются вихри, возникающие в периферийной части решеток, особенно при значительных углах раскрытия сопловых решеток от паровхода к паровыходу. Сходя с выходных кромок направляющих лопаток, влага в виде крупных капель встречается с рабочими лопатками, вызывая их эрозионный износ.
Эрозионный износ рабочих лопаток приводит к искажению геометрии решеток рабочих лопаток, снижению прочностных характеристик лопаток, ухудшению качества поверхности, иногда - к возникновению трещин. При недопустимом износе рабочих лопаток приходится проводить их замену, что является весьма трудоемким и затратным процессом. Кроме рабочих лопаток эрозионному износу могут подвергаться уплотнения, отдельные элементы диафрагм, детали выхлопных патрубков.
Наличие крупных капель влаги в паровом потоке искажает геометрию потока: приводит к отклонению потока от оптимальных углов натекания на рабочие лопатки, вызывает потери энергии на дробление пленок и капель, потери на трение в водяной пленке и парокапельном погранслое, а также потери, связанные с тормозящим действием капель, и тем самым ведет к снижению экономичности работы (кпд) и надежности ступеней паровых турбин.
В целях снижения вредных воздействий влаги на экономичность ступеней и надежность рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин необходимо применение комплекса мероприятий, в частности:
- влагоудаления, предусматривающего конструктивные элементы, позволяющие отводить капельную и пленочную влагу с профильных поверхностей направляющих лопаток;
- периферийного влагоудаления из пространства между сопловой решеткой и рабочими лопатками;
- впуск пара повышенных параметров в пространство между направляющими лопатками через сквозные прорези в направляющих лопатках и/или сквозные щели в периферийной стенке сопловой решетки для дробления и частичного испарения влаги.
Известно изобретение «Направляющий аппарат осевой турбины» (Авторское свидетельство СССР №1386719, F01D 25/32, 9/02, опубл. 07.04.1988 г.). Направляющий аппарат (диафрагма) содержит наружную обойму (обод) с двумя полостями (камерой отбора влаги и камерой впуска пара) и внутреннюю обойму (тело) с полостью (влагоприемным пазом). Между наружной обоймой и внутренней обоймой закреплены направляющие лопатки со щелями (сквозными прорезями) в выходной кромке и с полостью, разделенной перегородкой на первую и вторую по ходу пара в межлопаточных каналах камеры (канал отбора влаги и канал впуска пара). Первая камера сообщена с одной из полостей наружной обоймы и через полость внутренней обоймы и отверстия в ней - с проточной частью. Вторая камера сообщена со второй полостью наружной обоймы. В направляющем аппарате выполнены дополнительные отверстия, сообщающие полость внутренней обоймы, вторую полость наружной обоймы и первую камеру у корня лопаток с межлопаточными каналами. Дополнительные отверстия расположены рядами с уменьшением их суммарной площади поперечного сечения в ряду и предназначены для отбора пограничного слоя и улучшения структуры потока в корневой зоне. Через отверстия отводится часть рабочего тела во внутреннюю обойму и далее через направляющие лопатки в полость наружной обоймы, что позволяет снизить протечку через корневые уплотнения и дальнейшее подмешивание протечки к основному потоку, искажающее его структуру и вызывающее дополнительные потери. Через щели переменного сечения в выходных кромках направляющих лопаток вытекают струи греющего пара, снижающие кромочные потери, испаряющие и дробящие влагу.
Недостатками данного решения являются:
- отсутствие отверстий или щелей отбора влаги в периферийной части направляющего аппарата, где концентрируется наиболее эрозионно-опасная влага;
-отсутствие впуска греющего пара в межлопаточные каналы, что не позволяет осуществить дробление и частичное испарение пленочной влаги, движущейся по внутренней поверхности наружной обоймы;
- возможность излияния в проточную часть влаги через отверстия между полостью во внутренней обойме и межступенчатым пространством с последующим затягиванием влаги в паровой поток, что может снизить эффект отбора влаги через отверстия в корневых зонах лопаток.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Паровая турбина и способ отвода влаги из пути потока в паровой турбине» (патент РФ №2478797; МПК F01D 9/02, 5/28, 25/32; дата публикации 27.11.2008). Согласно изобретению ступень паровой турбины содержит диафрагму, выполненную из двух частей - верхней и нижней, причем верхняя часть установлена в обойме крышки цилиндра, а нижняя - в обойме корпуса цилиндра. Каждая часть диафрагмы содержит внутреннее кольцо (тело), внешнее кольцо (обод), сопловую решетку, образованную аэродинамическими профилями (направляющими лопатками). Аэродинамические профили жестко соединены с внутренним и внешним кольцом. Каждый из аэродинамических профилей имеет, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля и, по меньшей мере, один канал повторного впуска пара (канал впуска пара), проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля по оси ниже по паровому потоку, по меньшей мере, одного канала отбора влаги. Канал отбора влаги и канал повторного впуска пара сообщаются соответственно с одной или несколькими входными прорезями или отверстиями (сквозными прорезями), расположенными на части длины аэродинамического профиля, для сбора влаги с ее сбросом в каналы отбора влаги и повторного впуска пара в каналы аэродинамических профилей. Во внешнем кольце каждой части диафрагмы выполнены отверстия и наружная полость (кольцевая камера), представляющая собой полость разделения пара/влаги с сообщением между полостями - полостью пара и полостью влаги. Наружная полость имеет дренажное отверстие. В наружную полость поступает влага и пар, отбираемые через каналы отбора влаги в аэродинамических профилях. Наружная полость сообщается по паровому потоку с каналами повторного впуска пара аэродинамических профилей для повторного впуска пара в паровой поток. Направляющая, разделяющая полости пара/влаги, предотвращает поступление влаги через канал впуска пара. В обоймах крышки и корпуса цилиндра выполнены радиальные сквозные отверстия.
Влага, поступившая в наружную полость, через каналы отбора влаги, стекает в нижнюю часть диафрагмы и далее в отверстия во внешнем кольце. Впуск пара в каналы аэродинамических профилей позволяет повторно использовать его как рабочее тело, а также способствует дроблению пленок и снижению дисперсности влаги.
Известное техническое решение обеспечивает удаление большей части эрозионно-опасной влаги с профильных поверхностей аэродинамических профилей, а также снижение потери работоспособного пара за счет повторного впуска его после отделения влаги в паровой поток.
Недостатками данного решения являются:
- возможность частичного попадания влаги в наружную полость разделения пара/влаги повторно впускаемого пара и далее в паровой поток, что не позволяет достичь эффективного влагоудаления;
- перепад давления на входные прорези или отверстия впуска пара ограничен значением разности давлений между вогнутой и выпуклой поверхностями аэродинамических профилей, кроме того, значение перепада на входные прорези или отверстия снижается на величину гидравлических сопротивлений в каналах отбора влаги и повторного впуска пара аэродинамических профилей, а также сопротивлений, связанных с поворотом пара на 180°. На определенных режимах работы ступени значение перепада давления на входные прорези может оказаться недостаточным для интенсивного дробления пленочной влаги в местах впуска пара, что также ухудшает эффективное влагоудаление.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности влагоудаления при работе паровой турбины в условиях повышенной влажности перед направляющими лопатками последних ступеней паровой турбины, что обеспечивает повышение кпд ступени и в целом кпд паровой турбины. Повышение эффективности влагоудаления также обеспечивает снижение опасности повышенной влажно-паровой эрозии элементов проточной части, и в первую очередь - рабочих лопаток.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается последняя ступень паровой турбины, содержащая диафрагму, выполненную из двух частей - верхней и нижней, причем верхняя часть установлена в обойме крышки цилиндра, а нижняя - в обойме корпуса цилиндра. Каждая часть диафрагмы содержит тело, обод, сопловую решетку, образованную направляющими лопатками. Каждая лопатка имеет, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины лопатки, и, по меньшей мере, один канал впуска пара, проходящий вдоль части длины лопатки, расположенный ниже по паровому потоку канала отбора влаги. Канал отбора влаги и канал впуска пара сообщаются соответственно, по меньшей мере, с одной сквозной прорезью отбора влаги и, по меньшей мере, с одной сквозной прорезью впуска пара, выполненными на части длины каждой лопатки в ее периферийной зоне. В ободе каждой части диафрагмы выполнены отверстия и кольцевая камера, имеющая дренажное отверстие. В обоймах крышки и корпуса цилиндра выполнены радиальные сквозные отверстия.
При этом, согласно заявляемому изобретению, сопловая решетка имеет внутреннюю и периферийную стенки, посредством которых лопатки жестко соединены соответственно с телом и ободом.
Лопатки разделены на две группы. Одна группа лопаток, расположенных в нижней части диафрагмы и наиболее удаленных от разъема, входит в сектор сопловой решетки с центральным углом 120-180°. В этой группе лопаток канал отбора влаги и канал впуска пара разделены радиальной перегородкой, имеющей, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, а канал впуска пара разделен герметичной перемычкой.
В лопатках другой группы канал отбора влаги и канал впуска пара разделены герметичной радиальной перегородкой, а канал впуска пара разделен перфорированной перемычкой.
Кольцевая камера герметично разделена на камеру впуска пара со стороны паровыхода и камеру отбора влаги со стороны паровхода. Герметичное отделение камеры впуска пара от камеры отбора влаги исключает утечку части пара вместе с отобранной влагой, подводимого в камеру впуска пара для испарения и дробления эрозионно-опасной влаги. Камера впуска пара сообщается со сквозными щелями, выполненными в периферийной стенке сопловой решетки. К камере впуска пара присоединены пароприемные коробки с трубами подвода пара, в которых установлены дроссельные регуляторы давления для обеспечения оптимального соотношения давлений вдуваемого пара и давления в паровом потоке. Камера отбора влаги сообщается с отверстиями в ободе, предназначенными для удаления смеси пара и влаги, в которых установлены дроссельные элементы. Расчетные исследования показали, что оптимальным является выполнение, когда количество указанных отверстий больше или равно количеству направляющих лопаток. Установка дроссельных элементов позволяет минимизировать неизбежные потери работоспособного пара, возникающие при отводе влаги через сквозные прорези на поверхностях лопаток.
В наружной цилиндрической поверхности тела каждой части диафрагмы выполнены влагоприемные пазы, отделенные внутренней стенкой сопловой решетки от проточной части диафрагмы и сообщающиеся с каналами отбора влаги и каналами впуска пара лопаток обеих групп. Влагоприемные пазы обеспечивают при работе турбины возможность перетока влаги из каналов отбора влаги и каналов впуска пара направляющих лопаток верхней части диафрагмы в нижнюю часть диафрагмы с последующим удалением влаги через каналы отбора влаги лопаток нижней части.
Конструкция лопаток, входящих в группу, образующую сектор сопловой решетки, обеспечивает удаление влаги, образующейся в камере впуска пара на переходных режимах или при остывании турбины, в каналы отбора влаги в лопатках. Герметичные перемычки в каналах впуска пара предотвращают излияние влаги из влагоприемных пазов в теле диафрагмы в камеру впуска пара.
Конструкция лопаток другой группы с перфорированной перемычкой в каналах впуска пара обеспечивает излияние влаги из периферийных частей данных каналов в корневые части каналов и далее во влагоприемные пазы в теле диафрагмы.
Предлагаемая конструкция последней ступени паровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить удаление влаги с профильных поверхностей направляющих лопаток, уменьшить размеры капель влаги в паровом потоке за сопловой решеткой и соответственно уменьшить потери, вызванные затратой энергии парового потока на разгон капель влаги, уменьшить профильные потери. В результате повышается эффективность влагоудаления и соответственно повышается кпд ступени, а также в целом повышается кпд турбины. Удаление влаги с профильных поверхностей направляющих лопаток приводит к снижению влажности пара перед рабочими лопатками, что, в свою очередь, в совокупности с уменьшением размеров капель влаги приводит к снижению опасности повышенной влажно-паровой эрозии рабочих лопаток и других элементов проточной части.
С целью дополнительного повышения эффективности влагоудаления на ободе каждой части диафрагмы со стороны паровыхода установлены, по меньшей мере, два козырька, между которыми имеется влагоотводящая щель. В одном из козырьков выполнено, по меньшей мере, одно сливное отверстие. В обойме корпуса цилиндра выполнено, по меньшей мере, одно влагоотводящее отверстие, расположенное соосно сливному отверстию. Наличие влагоотводящей щели между козырьками обеспечивает удаление из проточной части влаги, оседающей на поверхностях козырьков с последующим отводом влаги через сливное и влагоотводящее отверстия и исключает последующий срыв этой влаги и попадание ее на рабочие лопатки.
С целью дополнительного повышения эффективности влагоудаления герметичная перемычка канала впуска пара жестко закреплена в корневой зоне лопатки и расположена на расстоянии 10-50 мм от оси сквозного отверстия радиальной перегородки для исключения застоя влаги в значительных количествах в каналах впуска пара.
Выполнение последней ступени паровой турбины в объеме всех вышеуказанных мероприятий обеспечивает повышение кпд ступени, а следовательно, повышение кпд паровой турбины, снижение темпа эрозионного износа и увеличение срока эксплуатации рабочих лопаток без их замены.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена верхняя часть диафрагмы последней ступени паровой турбины, меридиональный разрез и выносной элемент Б, на фиг. 2 - нижняя часть диафрагмы последней ступени паровой турбины, меридиональный разрез и выносной элемент Г, на фиг. 3 -разрез В-В сопловой решетки в месте расположения группы направляющих лопаток, наиболее удаленных от разъема, на фиг. 4 - вид А диафрагмы последней ступени паровой турбины со стороны паровхода, на фиг. 5 - разрез Д-Д диафрагмы последней ступени паровой турбины в месте установки пароприемной коробки. В графических материалах не обозначены такие элементы, как крышка и цилиндр паровой турбины.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения последней ступени паровой турбины. Последняя ступень паровой турбины содержит диафрагму 1, выполненную из двух частей - верхней и нижней, причем верхняя часть установлена в обойме 2 крышки цилиндра (фиг. 1), а нижняя - в обойме 3 корпуса цилиндра (фиг. 2).
Каждая часть диафрагмы 1 содержит тело 4, обод 5 и сопловую решетку 6, образованную направляющими лопатками 7. Каждая лопатка 7 имеет канал отбора влаги 8, проходящий вдоль части длины лопатки 7, и канал впуска пара 9, проходящий вдоль части длины лопатки 7, расположенный ниже по паровому потоку канала отбора влаги 8 (фиг. 3, разрез В-В). Канал отбора влаги 8 и канал впуска пара 9 сообщаются соответственно со сквозными прорезями отбора влаги 10 и со сквозными прорезями впуска пара 11, выполненными на части длины каждой лопатки 7 в ее периферийной зоне. В периферийных зонах лопаток 7 на профильные поверхности нанесены специальные гидрофобные покрытия для снижения смачиваемости и снижения дисперсности сорванной с них влаги. Снижение смачиваемости профильных поверхностей препятствует формированию на них пленок влаги и способствует срыву влаги в виде капель шаровидной формы относительно малых размеров.
В ободе 5 каждой части диафрагмы 1 выполнены отверстия 12 и кольцевая камера 13 с дренажным отверстием 14.
В обойме 2 крышки и в обойме 3 корпуса цилиндра выполнены радиальные сквозные отверстия 15.
Сопловая решетка 6 имеет внутреннюю стенку 16 и периферийную стенку 17, посредством которых лопатки 7 жестко соединены соответственно с телом 4 и ободом 5. Соединение может быть выполнено, например, сваркой.
Лопатки 7 разделены на две группы. Одна группа лопаток 7, расположенных в нижней части диафрагмы 1 и наиболее удаленных от разъема, входит в сектор сопловой решетки 6 с центральным углом α=120-180° (фиг. 4, вид А). Значение угла α определяется количеством лопаток 7 в сопловой решетке 6. В этой группе лопаток 7 канал отбора влаги 8 и канал впуска пара 9 разделены радиальной перегородкой 18, имеющей сквозное отверстие 19, а канал впуска пара 9 разделен герметичной перемычкой 20. Герметичная перемычка 20 канала впуска пара 9 жестко закреплена в корневой зоне лопатки 7 и расположена на расстоянии s, равном 10-50 мм от оси сквозного отверстия 19 (фиг. 2, выносной элемент Г).
В лопатках 7 другой группы канал отбора влаги 8 и канал впуска пара 9 разделены герметичной радиальной перегородкой 21, а канал впуска пара 9 разделен перфорированной перемычкой 22 (фиг. 1, выносной элемент Б). Перфорация предусматривает выполнение сквозных отверстий в перемычке 22. В конкретном примере выполнения перфорированная перемычка 18 имеет одно сквозное отверстие.
Кольцевая камера 13 герметично разделена на камеру впуска пара 23 со стороны паровыхода (на чертежах обозначено «Паровыход») и камеру отбора влаги 24 со стороны паровхода (на чертежах обозначено «Паровход»). Камера впуска пара 23 образована внутренней поверхностью коллектора 25, установленного в кольцевой камере 13, и поверхностью периферийной стенки 17 сопловой решетки 6. Коллектор 25 своими радиальными стенками жестко закреплен, например приварен, к периферийным стенкам 17 сопловой решетки 6 соответственно верхней и нижней частей диафрагмы 1. Камера впуска пара 23 сообщается со сквозными щелями 26, выполненными в периферийной стенке 17 сопловой решетки 6. К камере впуска пара 23 присоединены пароприемные коробки 27 с трубами подвода пара 28, в которых установлены дроссельные шайбы 29 (фиг. 5, разрез Д-Д). Дроссельные шайбы 29 предназначены для обеспечения оптимальных значений давления подводимого пара. Камера отбора влаги 24 сообщается с отверстиями 12 в ободе 5, в которых установлены дроссельные втулки 30. Дроссельные втулки 30 выполнены цельнометаллическими с двумя отверстиями разного диаметра. Отношение внутреннего диаметра отверстия к наружному соответствует расчетному коэффициенту сопротивления втулки 30, обеспечивающему оптимальный перепад давлений на сквозные прорези отбора влаги 10. Различие диаметров отверстий создает дроссельный эффект при прохождении пара.
В наружной цилиндрической поверхности тела 4 каждой части диафрагмы 1 выполнены влагоприемные пазы 31, отделенные внутренней стенкой 16 сопловой решетки 6 от проточной части диафрагмы 1. Влагоприемные пазы 31 сообщаются с каналами отбора влаги 8 и каналами впуска пара 9 лопаток 7 обеих групп.
На ободе 4 каждой части диафрагмы 1 со стороны паровыхода установлены козырек 32 и надбандажный козырек 33. Между козырьками 32 и 33 имеется влагоотводящая щель 34. В надбандажном козырьке 33 выполнено сливное отверстие 35. В обойме 3 корпуса цилиндра выполнено влагоотводящее отверстие 36, расположенное соосно сливному отверстию 35.
Для изготовления лопаток 7 может быть использована сталь 06Х12НЗД или ее импортные аналоги. Для изготовления козырьков 32 и 33, пароприемных коробок 27 и коллектора 25 рекомендуется сталь 12МХ.
Последняя ступень паровой турбины работает следующим образом. В процессе работы паровой турбины водяной пар проходит последовательно через ряд ступеней, при этом пар расширяется, а его потенциальная энергия преобразовывается в кинетическую энергию парового потока, приводящего во вращение ротор турбины. В процессе работы ступени на поверхностях ее проточной части, в первую очередь на поверхностях направляющих лопаток 7, поверхностях периферийных стенок 17 сопловой решетки 6 оседает влага, которая движется в виде пленок и при последующем срыве в паровой поток становится основным источником формирования крупнодисперсной влаги. Дополнительными потоками крупнодисперсной влаги являются группы крупных капель, проходящие между лопатками 7, не контактируя с их поверхностями, а также капли, генерируемые вихрями у периферии сопловой решетки 6.
В предлагаемой конструкции пленочная влага отводится с профильных поверхностей лопаток 7 через сквозные прорези отбора влаги 10 в каналы отбора влаги 8 лопаток 7. Далее влага поступает в камеру отбора влаги 24, а из нее через дроссельные втулки 30 и отверстия 15 удаляется в выхлопную часть. Часть влаги, поступившая в каналы отбора влаги 8 верхней части диафрагмы 1, под действием силы тяжести, поступает во влагоприемный паз 31, сообщающийся с каналами отбора влаги 8, и переливается в нижнюю часть диафрагмы 1, где поступает через каналы отбора влаги 8 в камеру отбора влаги 24, а из нее через дроссельные втулки 30 и отверстия 15 удаляется в выхлопную часть.
По трубам подвода пара 28 в верхнюю и нижнюю части обода 5 подается пар, перегретый на 20-100°С. Подводимый пар поступает через пароприемные коробки 27 в камеру впуска пара 23 и далее в каналы впуска пара 9 лопаток 7, откуда через сквозные прорези впуска пара 11 поступает на вогнутые поверхности лопаток 7 вблизи паровыхода. Впускаемый пар разрушает пленку влаги, сдувает бинарный погранслой, частично испаряет пленку влаги и пролетающие капли влаги вблизи лопаток 7. Нагрев поступающим паром поверхностей лопаток 7 способствует снижению их смачиваемости, что приводит к уменьшению дисперсности сорванной с выходных кромок влаги. Впускаемый пар после смешивания с паровым потоком совершает полезную работу в ступени. Влага, образовавшаяся в результате конденсации пара, поступившего в каналы впуска пара 9 верхней части диафрагмы 1, через перфорированные перемычки 22 поступает во влагоприемный паз 31 и переливается в нижнюю часть диафрагмы 1, и далее через сквозные отверстия 19 в радиальных перегородках 18 поступает в каналы отбора влаги 8 лопаток 7 нижней части диафрагмы 1.
Перегретый пар поступает также из камеры впуска пара 23 через сквозные щели 26 в периферийной стенке 17 сопловой решетки 6, разрушает пленку влаги, и подавляет вихри у периферийной стенки 17.
Влага, оставшаяся на периферийной стенке 17 сопловой решетки 6, а также влага, осевшая на козырьке 32 на выходе из сопловой решетки 6, удаляется через влагоотводящую щель 34 между козырьками 32 и 33. Далее влага через сливное отверстие 35 выбрасывается на наружную цилиндрическую поверхность надбандажного козырька 33 верхней части диафрагмы 1 с дальнейшим перетеканием в нижнюю часть диафрагмы 1 и удалением через влагоотводящее отверстие 36, а также на внутреннюю цилиндрическую поверхность обоймы 3 корпуса цилиндра с последующим удалением через влагоотводящее отверстие 36 в выхлопную часть.
Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков (по первому, независимому, пункту формулы) обеспечивает повышение эффективности влагоудаления с повышением коэффициента влагоудаления до 12-13%, при этом применение в конструкции последней ступени паровой турбины полного объема приведенных признаков обеспечивает повышение эффективности влагоудаления с повышением коэффициента влагоудаления до 14%.
По независимому пункту формулы применение данного решения обеспечивает прирост кпд ступени до 0,4% и дополнительное снижение темпа эрозионного износа в 1,5-2 раза.