Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки с охлаждением ротора
DOUBLE-FLOW CYLINDER OF STEAM TURBINE PLANT WITH ROTOR COOLING

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции двухпоточных цилиндров паровых турбин. Может быть использовано при создании новых турбин и модернизации действующего оборудования.
В настоящее время существует тенденция к созданию паровых турбин на повышенные параметры пара. Несмотря на то что материалы, применяемые в конструкциях таких турбин, рассчитаны на работу с повышенными параметрами пара, представляется необходимость обеспечить более высокий запас по прочности. Известно, что допустимые пределы по длительности, прочности и по пластичности снижаются с увеличением температуры металла. При работе с высокими температурами увеличивается скорость ползучести металла роторов и цилиндра, растет малоцикловая температурная повреждаемость. Также расчетные исследования и опыт эксплуатации мощных паровых турбин, работающих на сверхкритических параметрах пара и выше, показали, что наиболее уязвимыми точками ротора являются места концентраторов напряжений, в том числе диски первых ступеней левого и правого потоков.
На сегодняшний день в мире разработано множество конструкций охлаждения роторов. Основные их недостатки заключаются в сложности конструкции, приводящей к многочисленным существенным изменениям в исходной конструкции турбины, монтаже дополнительных устройств, снижающих надежность работы турбины. Существуют и простые конструкции, однако они не обеспечивают достаточное снижение температуры охлаждаемой части ротора. Таким образом, перед специалистами была поставлена задача разработать двухпоточный цилиндр паротурбинной установки с охлаждением ротора, в котором достигается снижение температуры наиболее напряженных участков ротора для обеспечения надежности и увеличения ресурса ротора.
Известно изобретение «Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки» (патент РФ №2299332, МПК F01D 3/02, 5/08, опубл. 20.05.2007 г.). Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки включает наружный и внутренний корпусы, ротор с дисками и рабочими лопатками проточной части прямого и обратного потока и подводящий элемент с трубопроводом подвода холодного пара от внешнего источника. Во внутреннем корпусе на участке ротора между первыми дисками прямого и обратного потока установлен корпус с уплотнениями по торцам, образующий кольцевую камеру, ограниченную ротором и этими уплотнениями. Кольцевая камера соединена по входу с подводящим элементом, а по выходу - через радиальные зазоры между гребнями уплотнений и валом ротора с входом на рабочие лопатки первых ступеней обоих потоков. Давление в кольцевой камере больше, чем давление на входе рабочих лопаток первых ступеней прямого и обратного потока. Изобретение позволяет гарантированно охладить среднюю часть ротора на участке между уплотнениями.
Недостатком данной конструкции является возможность перетечек пара из одного потока в другой, обусловленных как разностью давлений за дисками первых ступеней потоков, так и наличием больших осевых зазоров входа на рабочие лопатки, соединенных между собой пространством между первыми дисками прямого и обратного потоков. Такие перетоки пара даже при соблюдении допусков на изготовление проточных частей могут составлять десятки тонн и приводят к снижению экономичности двухпоточных цилиндров.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является изобретение «Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки» (патент РФ №2523086; МПК F01K 3/02, F01D 5/08; дата публикации 20.07.2014). Согласно изобретению двухпоточный цилиндр паротурбинной установки включает наружный цилиндр (корпус), внутренний цилиндр, ротор с дисками и рабочими лопатками проточной части прямого и обратного потоков (левого и правого), трубопровод подвода охлаждающего пара к турбине. Во внутреннем цилиндре установлены корпусы с уплотнениями вала ротора (уплотнительными элементами). В пространстве между дисками первых ступеней прямого и обратного потоков установлены перегородки, соединенные по торцу с поверхностью внутреннего цилиндра и корпусом уплотнений, образующие две кольцевые камеры, ограниченные поверхностями внутреннего цилиндра, корпусов уплотнений и перегородок, а также боковыми поверхностями дисков первых ступеней. Каждая из кольцевых камер соединена через осевой зазор между диском первой ступени примыкающего к этой камере потока и торцевой поверхностью внутреннего цилиндра с камерой подвода пара на рабочую лопатку первой ступени. Через радиальный зазор между валом ротора и гребнями уплотнений кольцевые камеры соединены между собой.
Известное техническое решение обеспечивает охлаждение центрального участка ротора и предотвращает паразитные перетечки пара через пространство между дисками первых ступеней из одного потока в другой.
Недостатком данной конструкции является то, что за счет вторичных течений пара, вызванных вращением ротора, происходит нагрев охлаждающего пара в процессе его движения к первым дискам прямого и обратного потока, что не гарантирует их охлаждение.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в эффективном охлаждении центральной части двухпоточного цилиндра (средняя часть ротора и диски первых ступеней левого и правого потоков) при минимальном расходе охлаждающего пара, что обеспечивает высокую экономичность, надежность и увеличивает ресурс ротора по длительной прочности.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается двухпоточный цилиндр паротурбинной установки, включающий корпус, ротор с дисками ступеней проточной части левого и правого потоков, трубопровод подвода охлаждающего пара, уплотнительные элементы.
При этом согласно заявляемому изобретению в корпусе в пространстве между дисками первых ступеней установлено кольцо, состоящее из наружной обечайки, наружных стенок, внутренней обечайки, внутренних стенок. Наружная обечайка, наружные стенки и внутренняя обечайка образуют наружную камеру. Внутренняя обечайка, внутренние стенки и ротор образуют внутреннюю камеру. Разделение кольца на внутреннюю и наружную камеры позволяет создавать направленный поток охлаждающего пара на наиболее ответственные высокотемпературные участки ротора и дисков. Наличие во внутренней камере постоянного объема охлаждающего пара позволяет эффективно охлаждать среднюю часть ротора, независимо от течения рабочего пара вдоль ротора и сил трения, возникающих при вращении и нагреве ротора.
В наружных стенках выполнены боковые отверстия с установленными в них закрывающими элементами со щелью в каждом, выполненной под углом 30-50° к торцевой плоской поверхности закрывающего элемента. Отношение ширины щели к ее длине составляет 0,05-0,1. Боковые отверстия расположены равномерно по окружности кольца с целью обеспечения непрерывного воздействия охлаждающего пара на диски первых ступеней левого и правого потоков. Выполнение закрывающих элементов с указанной расчетной геометрией щели обеспечивает минимально необходимый расход и оптимальную интенсивность течения охлаждающего пара для охлаждения дисков первых ступеней, тем самым повышая эффективность охлаждения дисков.
Между наружной обечайкой и трубопроводом подвода охлаждающего пара установлены поршневые кольца для уплотнения зазоров, что обеспечивает надежную работу при тепловом удлинении трубопровода подачи охлаждающего пара.
Во внутренней обечайке выполнено по меньшей мере одно сквозное радиальное отверстие для обеспечения постоянного дозированного доступа необходимого количества охлаждающего пара к средней высокотемпературной части ротора.
Уплотнительные элементы установлены во внутренних стенках. Уплотнительные элементы ограничивают зону охлаждения средней части ротора и уменьшают протечку охлаждающего пара из внутренней камеры. При этом обеспечивается оптимальная скорость циркуляции охлаждающего пара, утекающего вдоль ротора в направлении дисков первых ступеней левого и правого потоков. Как следствие, уменьшается необходимый расход охлаждающего пара, увеличивается эффективность охлаждения, а также обеспечивается гарантированно интенсивное охлаждение этой зоны.
Предлагаемая конструкция двухпоточного цилиндра в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить высокую экономичность, надежность и увеличить ресурс ротора по длительной прочности за счет эффективного охлаждения центральной части двухпоточного цилиндра (средняя часть ротора и диски первых ступеней левого и правого потоков) при минимальном расходе охлаждающего пара.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где представлены: меридиональный разрез верхней половины двухпоточного цилиндра, выносной элемент А - закрывающий элемент со щелью, вид Б сбоку закрывающего элемента со щелью. Верхняя и нижняя половины двухпоточного цилиндра симметричны.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения двухпоточного цилиндра паротурбинной установки с охлаждением ротора. Двухпоточный цилиндр включает корпус 1, сопловые аппараты 2 и 3 левого и правого потоков, ротор 4 с дисками 5 и 6 и рабочими лопатками 7 и 8 проточной части левого и правого потоков, трубопровод подвода охлаждающего пара 9, уплотнительные элементы 10. Левый и правый потоки проточной части симметричны. В корпусе в пространстве между дисками 5 и 6 первых ступеней левого и правого потоков установлено кольцо 11. Сопловые аппараты 2 и 3 установлены в корпусе 1 и в пазах кольца 11. Кольцо 11 выполнено сварным и состоит из наружной обечайки 12, наружных стенок 13, внутренней обечайки 14, внутренних стенок 15. Наружная обечайка 12, наружные стенки 13 и внутренняя обечайка 14 образуют наружную камеру 16. Внутренняя обечайка 14, внутренние стенки 15 и ротор 4 образуют внутреннюю камеру 17. В наружных стенках 13 выполнены боковые отверстия 18 с установленными в них закрывающими элементами 19 со щелью 20 в каждом, выполненной под углом α=30-50° к торцевой плоской поверхности закрывающего элемента 19. Отношение ширины а щели 20 к ее длине b составляет 0,05-0,1 (выносной элемент А, вид Б). Количество боковых отверстий 18 определяется из условия, чтобы шаг между соседними отверстиями позволял обеспечить непрерывное воздействие охлаждающего пара на диски 5 и 6 первых ступеней. В конкретном примере выполнено двенадцать боковых отверстий 18. Между наружной обечайкой 12 и трубопроводом подвода охлаждающего пара 9 установлены поршневые кольца 21 для уплотнения зазоров. Во внутренней обечайке 14 выполнены сквозные радиальные отверстия 22. В конкретном примере выполнено шесть сквозных радиальных отверстий 22. Уплотнительные элементы 10 установлены во внутренних стенках 15 кольца 11.
Двухпоточный цилиндр паротурбинной установки с охлаждением ротора работает следующим образом. В процессе работы паровой турбины водяной пар проходит последовательно через ряд ступеней, при этом пар расширяется, а его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию парового потока, приводящего во вращение ротор 4 турбины. Горячий рабочий пар нагревает ротор 4, при этом наибольшему температурному воздействию подвергается средняя часть ротора 4 и диски 5 и 6 первых ступеней.
Для охлаждения ротора 4 используется охлаждающий пар, который отбирается из коллектора (показан) паротурбинной установки и имеет более низкую температуру и более высокое давление, чем рабочий пар на входе в двухпоточный цилиндр. Далее охлаждающий пар через трубопровод подвода охлаждающего пара 9 поступает в наружную камеру 16 кольца 11. Через боковые отверстия 18 и щели 20 в закрывающих элементах 19 часть охлаждающего пара поступает на диски 5 и 6 первых ступеней и охлаждает их. Поршневые кольца 21 препятствуют утечке охлаждающего пара из наружной камеры 16. Также из наружной камеры 16 охлаждающий пар через сквозные радиальные отверстия 22 непрерывно поступает во внутреннюю камеру 17. Таким образом, во внутренней камере 17 создается постоянный объем охлаждающего пара для охлаждения средней части ротора 4. Даже при наличии вторичных кольцевых течений рабочего пара вдоль ротора 4 подаваемый на охлаждение пар обеспечивает гарантированное снижение температуры ротора 4 на наиболее ответственных участках, а также снижает среднюю температуру рабочего пара, циркулирующего под кольцом 11. Уплотнительные элементы 10 обеспечивают протечку охлаждающего пара из внутренней камеры 17 в направлении дисков 5 и 6 в оптимальном количестве и со скоростью, оптимальной для эффективного охлаждения.