Устройство для охлаждения паровпускного патрубка цилиндра в зоне сопряжения с узлом паровпуска паровой турбины
DEVICE FOR COOLING THE STEAM INLET BRANCH PIPE OF THE CYLINDER IN THE AREA OF CONNECTION WITH THE STEAM INLET UNIT OF THE STEAM TURBINE

Изобретение относится к области турбиностроения, а именно к системам охлаждения узла паровпуска в зоне его сопряжения с цилиндром.
Для турбин с двухкорпусным цилиндром, которые состоят из внутреннего корпуса с установленной в него проточной частью и наружного корпуса, известна конструкция сопряжения цилиндров, позволяющая выполнить подвод пара во внутренний корпус сквозь наружный, при которой патрубок подвода пара приваривается к узлу паровпуска - специальному патрубку, проходящему сквозь наружный цилиндр с одной стороны и соединенному плотно с внутренним цилиндром соединением, допускающим свободные тепловые расширения узла паровпуска и внутреннего цилиндра, например, поршневыми кольцами. Известно, что применение двухкорпусной конструкции позволяет закрыть наиболее горячие части турбины с высоким давлением пара в компактном внутреннем корпусе, и при этом выполнить наружный цилиндр из простых углеродистых сталей, что позволяет обеспечивать как необходимый ресурс работы узлов при действии определенного перепада давления пара на узел с высокой температурой, так и повысить маневренность эксплуатации с ускорением пусковых операций и переходом между различными режимами работы.
Известно, что для охлаждения паровпускного патрубка турбины применяются охлаждающие теплоизолирующие оболочки («Сварные конструкции паровых и газовых турбин», В.Н. Земзин, Л.Д. Френкель, Москва, 1962 год, рис. 56, 58). Недостатком этого решения является отсутствие возможности замены гильзы, интенсификации теплообмена за счет прохождения пара в следующую камеру турбины, попавший пар в устройство не возвращается в лопаточный аппарат - турбина теряет мощность.
Для понимания сущности заявленного изобретения в качестве аналога взято классическое распространенное исполнение паровпуска без охлаждающей оболочки, показанное на фиг. 1. Недостатком данного решения является значительное тепловое влияние узла паровпуска 1 на наружный корпус цилиндра 2 в зоне его установки, что приводит к локальному нагреву наружного корпуса цилиндра 2 и его окружной тепловой несимметричности.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается за счет использования заявленного изобретения, является невозможность выполнить наружный корпус из простых углеродистых сталей, что приводит к удорожанию конструкции и большим капиталовложениям при реализации, либо необходимость ограничивать ресурс его работы, что влияет на окупаемость проекта установки турбины. Также вследствие окружной тепловой несимметричности повышаются напряжения в узле, что может приводить к появлению трещин и необходимости внепланового ремонта, либо аварийным ситуациям.
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- возможность использования более простых сталей для наружного корпуса цилиндра с учетом отсутствия теплового влияния на корпус от горячих узлов паровпуска;
- отсутствие потери мощности турбины;
- осуществление возможности обслуживания заявленного устройства при плановом ремонте паровой турбины;
- повышение технологичности изготовления заявленного устройства;
- снижение риска растрескивания корпуса цилиндра от тепловой неравномерности.
Технический результат достигается заявленным устройством для охлаждения паровпускного патрубка цилиндра в зоне сопряжения с узлом паровпуска паровой турбины, включающим охлаждающую оболочку, отличающимся тем, что содержит втулку с винтовой однозаходной канавкой для интенсификации теплообмена с установленной охлаждающей оболочкой, состоящей из коаксиально расположенных, по меньшей мере, трех кольцевых экранов между втулкой и узлом паровпуска, формирующих камеры для движения пара, зафиксированных крепежными упорными бандажами, штуцер через который охлаждающий пар, протекающий через винтовую однозаходную канавку втулки из межкорпусного пространства, возвращается обратно в проточную часть в камеру с более низким давлением, разрезную съемную юбку, являющуюся частью втулки, совместно с буртом, являющимся частью узла паровпуска, в канале которого установлено уплотнение в виде поршневого кольца, для центровки и сборки узла паровпуска и фиксации втулки в цилиндре, и гайку с внешней резьбой для крепления устройства в цилиндре.
Анализ уровня техники, осуществленный заявителем и включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не выявил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволил определить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков, по отношению к техническому результату и изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Для проверки предлагаемого технического решения на соответствие критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск по известной из уровня техники информации. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает из известного уровня техники явным образом для специалиста. В частности, предлагаемым изобретением не предусматривается дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких изменений.
Более того, как видно из описания, для достижения желаемого технического результата заявитель внес в устройство паровпуска цилиндра паровой турбины принципиальные и неочевидные конструктивные изменения, а также снабдил его новыми элементами и связями.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность заявленного технического решения поясняется следующими фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - известная конструкция компоновки узла паровпуска в цилиндр, без охлаждающей оболочки;
фиг. 2 - поперечное сечение паровпускной части по узлу паровпуска, на котором показано заявленное устройство для охлаждения паровпускного патрубка цилиндра паровой турбины;
фиг. 3 - вид А образованных камер заявленным изобретением.
На приложенных фигурах обозначены следующие позиции:
1 - узел паровпуска;
2 - цилиндр;
3 - втулка;
4 - гайка;
5 - штифт;
6 - экраны;
7 - упорные бандажи;
8 - бурт, являющийся частью узла паровпуска;
9 - разрезная юбка, являющаяся частью втулки;
10 - штуцер;
11 - поршневое кольцо.
Заявленное устройство описывается на примере реализации в одноцилиндровой двухкорпусной турбине с номинальной электрической мощностью 80 МВт согласно прилагаемым фигурам, но может быть одинаково реализовано для паровых турбин с большим числом цилиндров.
Устройство для охлаждения паровпускного патрубка цилиндра паровой турбины, характеризуется наличием узла паровпуска 1, цилиндра 2, втулки 3, установленной и зафиксированной в цилиндре 2 гайкой 4 с внешней резьбой. Гайка 4 с внешней резьбой стопорится в цилиндре 2 штифтом 5. Во внутренней полости втулки 3 коаксиально расположены экраны 6, позволяющие экранировать излучение от горячего узла паровпуска 1 и исключить тепловую нагрузку на наружный корпус. Экраны 6 зафиксированы упорными бандажами 7. На втулке 3 дополнительно может быть выполнен гибкий центровочный поясок, позволяющий фиксировать и центровать узел паровпуска 1 при сборке.
Конструкция втулки 3 представляет собой цилиндр с внешней винтовой однозаходной канавкой и внутренними полостями для установки экранов 6. Втулка 3 зафиксирована с помощью бурта 8, являющегося частью узла паровпуска 1 и расположенного в нижней части втулки 3 совместно с разрезной юбкой 9, являющейся частью втулки 3. Втулка 3 содержит также ряд отверстий для перепуска пара к винтовой канавке. Бурт 8, являющийся частью узла паровпуска 1 и расположенный в нижней части втулки 3, предназначается для фиксации втулки 3 в цилиндре 2, посредством поджатая ее гайкой 4 с внешней резьбой. Разрезная юбка 9, являющаяся частью втулки 3, развернута относительно известной конструкции, показанной на фиг. 1, и предназначена для фиксации узла паровпуска 1 при его установке и формирует ряд каналов для пропуска пара в устройство.
Для предотвращения заклинивания втулки 3 от нагрева и для обеспечения свободы тепловых расширений, верхние витки втулки 3 могут быть выполнены с обнижением относительно остальных витков на величину 0,15…0,20 мм на радиус.
Конструкция экранов 6 представляет собой тонкостенные листы металла с упорными ножками, которые при установке во втулку 3 упирают экраны 6 друг на друга, позволяя организовывать паровые прослойки между ними. Установленные во втулку 3 экраны 6 фиксируются упорными бандажами 7, которые фиксируются приваркой их к втулке 3.
В верхней части узла паровпуска 1 приварен штуцер 10 для отвода нагретого пара обратно в проточную часть турбины в ближайшую выбранную условиями работы камеру с более низким давлением.
В узле паровпуска 1 присутствует специальный канал, где установлено уплотнение в виде поршневого кольца 11 для снижения перетечек пара мимо винтовой однозаходной канавки через пространство с экранами 6.
Принцип работы поршневого кольца 11 заключается в зажатии образованного зазора между втулкой 3 и узлом паровпуска 1, за счет давления поступающего пара с внутренней части кольца.
Конструкция устройства для охлаждения паровпускного патрубка цилиндра 2 формирует ряд камер для движения пара, представленных на фиг. 3. Входная камера формируется из узла паровпуска 1, развернутой разрезной юбки 9 и поршневого кольца 11. Пар отбирается через каналы разрезной юбки 9, поджимает поршневое кольцо 11, закрывая зазор образованный между поршневым кольцом 11 и втулкой 3 и переходит в кольцевую камеру через ряд отверстий, расположенных по окружности. В кольцевой камере пар проходит по кольцевой однозаходной винтовой канавке, интенсифицируя снятие теплоты от втулки 3. Выходя из кольцевой камеры, часть пара попадает в застойную зону, в которой расположены экраны 6, а остальная часть отводится через штуцер 10, расположенный в выходной камере, в камеру с более низким давлением.
Работает устройство следующим образом. Пар из межкорпусного пространства поступает через ряд пазов, расположенных в нижней части втулки 3 на центровочном пояске, в область между экранами 6 и узлом паровпуска 1 и образует паровую прослойку. Экраны 6 устанавливают во втулку 3 посредством сжатия до меньшего диаметра и последующего расширения за счет упругих свойств металла. Установленные экраны 6 стопорят упорными бандажами 7. Часть пара через отверстия, расположенные над буртом 8, являющимся частью узла паровпуска 1 и расположенным в нижней части втулки 3, поступает в винтовую однозаходную канавку, позволяя интенсифицировать снятие теплоты от цилиндра 2 и втулки 3. После прохождения винтовой однозаходной канавки пар отводится через штуцер 10 обратно в проточную часть турбины в ближайшую выбранную камеру с более низким давлением и использованием этого пара для последующей выработки электрической мощности. Применение экранов 6 позволяет исключить тепловую нагрузку на втулку 3, что, в свою очередь, позволяет уменьшить расход охлаждающего пара, проходящего через винтовую однозаходную канавку втулки 3 и, соответственно, снизить расход отбираемого из проточной части пара. В рассмотренной одноцилиндровой турбине расход пара, отбираемый на охлаждение, составляет не более 0,5 т/ч за счет выбранной геометрии и перепада давления по проточной части между камерой, откуда осуществляется отбор пара, и камерой, куда возвращается. Для описываемого примера для турбины с номинальной мощностью 80 МВт дополнительное повышение электрической мощности за счет снижения расхода пара, исходя из использования данного устройства охлаждения, составляет ~75 кВт.
В результате использования данного решения достигается возможность применения более простых легированных сталей для паровых турбин с внутренним корпусом цилиндра, работающих на высокие и сверхкритические параметры свежего пара, а также получение дополнительного повышения электрической мощности за счет снижения расхода пара.
Предлагаемая конструкция является разборной: для удаления втулки 3 с экранами 6 из зазора между узлом паровпуска 1 и цилиндром 2 достаточно вывернуть гайку 4. За счет этого обеспечивается возможность обслуживания данного устройства при плановом ремонте паровой турбины.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, используется в турбостроении, а именно в производстве и эксплуатации узлов паровпусков цилиндров паровых турбин;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».