СОПЛОВАЯ КОРОБКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ, А ТАКЖЕ ПАРОВАЯ ТУРБИНА
STEAM TURBINE NOZZLE BOX AND STEAM TURBINE

Данное изобретение относится в основном к паровым турбинам, в частности к сопловой коробке, используемой в паровой турбине.
По меньшей мере, некоторые известные паровые турбины содержат сопловую коробку, которая облегчает подачу текучей среды в направлении первой ступени турбины (см., например, патент США №5927943). Каждая из, по меньшей мере, некоторых известных сопловых коробок содержит несколько входов, кольцевую зону и несколько выпускных сопел. Входы подают пар в кольцевую зону. Поскольку пар, выпускаемый из каждого входа, обычно имеет различное давление, то кольцевая зона облегчает смешивание пара, выпускаемого из различных входов, для обеспечения по существу равномерно распределенного давления пара во всей зоне. Пар выходит из кольцевой зоны через несколько сопел в направлении первой ступени роторов турбины.
Кольцевые зоны, по меньшей мере, некоторых известных сопловых коробок имеют круглое поперечное сечение. Кроме того, по меньшей мере, некоторые входы известных сопловых коробок ориентированы так, что пар выходит в кольцевую зону в направлении, которое по существу перпендикулярно линии, проходящей по касательной в зону. Однако круглое поперечное сечение кольцевой зоны и ориентация входов может приводить к неравномерному распределению потока в кольцевой зоне, так что части кольцевой зоны могут быть лишены потока пара. Такой неравномерный поток может создавать неравномерное распределение давления, которое может вызывать вибрации внутри турбины, когда пар выпускается через сопла с неравномерными давлениями. Постоянная работа с такими вибрациями может уменьшать срок службы турбины и/или увеличивать стоимость технического обслуживания турбины.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создана сопловая коробка паровой турбины, содержащая кольцевую камеру, образованную наружной кольцевой стенкой и внутренней кольцевой стенкой, которая в радиальном направлении находится внутри наружной кольцевой стенки, и множество входов, соединенных по потоку с кольцевой камерой, при этом входы расположены таким образом, чтобы обеспечивать выход пара в кольцевую камеру под косым выходным углом относительно центральной оси входа, причем кольцевая камера содержит первый путь прохождения потока, имеющий площадь поперечного сечения, форма которой переходит от по существу эллиптической у пересечения с первым входным путем прохождения потока до по существу прямоугольной вблизи второго входного пути прохождения потока.
Предпочтительно, сопловая коробка дополнительно содержит множество сопел, соединенных по потоку с кольцевой камерой.
Предпочтительно, первый из множества входов выполнен с возможностью выпуска пара в кольцевую камеру в направлении второго из множества входов, при этом второй вход выполнен с возможностью выпуска пара в кольцевую камеру в направлении первого входа.
Предпочтительно, кольцевая камера содержит второй путь прохождения потока, имеющий по существу эллиптическую площадь поперечного сечения.
Предпочтительно, множество входов обеспечивают распределение потока пара по существу равномерно внутри кольцевой камеры.
Предпочтительно, множество входов обеспечивает предотвращение образования лишенных пара карманов внутри кольцевой камеры.
Предпочтительно, множество входов обеспечивает выпускание пара по существу с одинаковым давлением в кольцевой камере.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создана паровая турбина, содержащая сопловую коробку, выполненную с возможностью направления пара, при этом сопловая коробка содержит кольцевую камеру, множество входов и множество сопел, при этом кольцевая камера образована наружной кольцевой стенкой и внутренней кольцевой стенкой, которая расположена в радиальном направлении внутри наружной кольцевой стенки, причем множество входов соединено по потоку с кольцевой камерой, так что входы выпускают пар в кольцевую камеру под косым выходным углом относительно центральной оси входа, при этом множество сопел соединено по потоку с кольцевой камерой и выполнено с возможностью выпуска пара в направлении турбины, причем кольцевая камера содержит первый путь прохождения потока, имеющий площадь поперечного сечения, форма которой переходит от по существу эллиптической у пересечения с первым входным путем прохождения потока до по существу прямоугольной вблизи второго входного пути прохождения потока.
Предпочтительно, первый из множества входов выполнен с возможностью выпуска пара в кольцевую камеру в направлении второго из множества входов, при этом второй вход выполнен с возможностью выпуска пара в кольцевую камеру в направлении первого входа.
Предпочтительно, кольцевая камера содержит второй путь прохождения потока, имеющий по существу эллиптическую площадь поперечного сечения.
Способ изготовления сопловой коробки паровой турбины включает образование кольцевой камеры заданной радиально наружной стенкой и радиально внутренней стенкой и соединение по потоку множества входов с кольцевой камерой, так что пар выпускается из каждого из множества входов в камеру под косым углом относительно центральной оси входа.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение равномерного распределения давления и температуры при выпускании пара в турбину через каждое сопло сопловой коробки, что уменьшает вибрации внутри турбины и обеспечивает более высокую эффективность турбины и более длительный срок ее службы.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в разрезе примера выполнения паротурбинного двигателя с противоположными потоками;
фиг.2 - вид в перспективе сопловой коробки, которую можно использовать в двигателе с фиг.1;
фиг.3 - вид в частичном разрезе сопловой коробки с фиг.2;
фиг.4 - вид сбоку части известного пути прохождения потока через сопловую коробку;
фиг.5 - вид в перспективе пути прохождения потока с фиг.4;
фиг.6 - вид сбоку части пути прохождения потока через сопловую коробку с фиг.2 и 3;
фиг.7 - вид в перспективе пути прохождения потока с фиг.6; и
фиг.8 - схематичный вид в сечении путей прохождения потока, показанных на фиг.4 и 5, с наложением на поперечное сечение путей прохождения потока, показанных на фиг.6 и 7.
На фиг.1 схематично показан в разрезе пример выполнения паротурбинного двигателя 100 с противоположными потоками, содержащего секцию 102 высокого давления и секцию 104 промежуточного давления. Кожух высокого давления или корпус 106 разделен в осевом направлении на верхнюю и нижнюю секции 108 и 110, соответственно. В показанном примере выполнения кожухи 106 и 108 являются внутренними корпусами. В качестве альтернативного решения, кожухи 106 и 108 являются наружными корпусами. Центральная секция 118, расположенная между секцией 102 высокого давления и секцией 104 промежуточного давления, включает в себя вход 120 пара высокого давления и вход 122 пара промежуточного давления. Сопловая коробка (не показана на фиг.1) соединена с возможностью прохождения текучей среды между каждым входом 120 пара высокого давления и секцией 102 высокого давления и входом 122 пара промежуточного давления и секцией 104 промежуточного давления.
При работе вход 120 пара высокого давления принимает пар высокого давления и высокой температуры из источника пара, например парового котла (не показан на фиг.1). Пар проходит от входа 120 пара высокого давления через первую сопловую коробку (не показана на фиг.1), через входное сопло 136 и через секцию 102 высокого давления, при этом из пара извлекается энергия для вращения роторного вала 140 с помощью множества турбинных лопаток или лопастей (не показаны на фиг.1), которые соединены с валом 140.
В показанном примере выполнения паровая турбина 100 является комбинацией паровой турбины высокого давления и промежуточного давления с противоположными потоками. В качестве альтернативного решения, данное изобретение можно использовать в любой отдельной турбине, включая, но не ограничиваясь этим, турбины низкого давления. Дополнительно, данное изобретение не ограничивается использованием в паровых турбинах с противоположными потоками, и его можно также использовать в конфигурациях паровых турбин, которые включают, но не ограничиваясь этим, паровые турбины с единственным потоком и турбины с двойным потоком.
1
1
На фиг.2 показан вид в перспективе сопловой коробки 200 паровой турбины, которую можно использовать в паротурбинном двигателе 100. В показанном примере выполнения сопловая коробка 200 содержит кольцевую камеру 202 и два входа 204, 205, соединенных по потоку с кольцевой камерой 202, при этом каждый вход имеет центральную ось C. На фиг.3 показана в разрезе часть сопловой коробки 200 и кольцевой камеры 202. В показанном примере выполнения показана лишь полукруглая половина кольцевой камеры 202. В показанном примере выполнения сопловая коробка 200 включает вертикальную центральную ось C, расположенную на одинаковом расстоянии между каждым входом 204, 205. В альтернативных вариантах выполнения сопловая коробка 200 может иметь больше или меньше чем два входа 204, 205.
Кольцевая камера 202 содержит первую секцию 206, вторую секцию 208 и центральную секцию 210, проходящую в виде единого целого между ними. В варианте выполнения, имеющем больше или меньше чем два входа 204, 205, кольцевая камера 202 может содержать больше или меньше чем три секции. Кольцевая камера 202 также включает путь 212 прохождения потока, образованный внутренней кольцевой стенкой 214 и наружной кольцевой стенкой 216, которая расположена в радиальном направлении снаружи внутренней кольцевой стенки 214. Путь 212 прохождения потока содержит первую секцию 218 пути прохождения потока, вторую секцию 220 пути прохождения потока и центральную секцию 222 пути прохождения потока. А именно, в показанном варианте выполнения первая секция 218 пути прохождения потока образована внутри первой секции 206 камеры, вторая секция 220 пути прохождения потока задана внутри второй секции 208 камеры, и центральная секция пути прохождения потока задана внутри центральной секции 210 камеры. Кроме того, каждый вход 204, 205 содержит путь 224 прохождения потока, образованный в нем, который соединен по потоку с путем 212 прохождения потока. А именно, путь 226 прохождения потока первого входа соединен по потоку с первой секцией 218 пути прохождения потока, а путь 228 прохождения потока второго входа соединен по потоку со второй секцией 220 пути прохождения потока.
При работе пар проходит через входы 204, 205 в кольцевую камеру 202. А именно, пар направляется через пути 226 и 228 прохождения потока входов и выходит в кольцевую камеру 202, при этом пар, выпускаемый из пути 226 прохождения потока входа, входит в первую секцию 218 пути прохождения потока, а пар, выходящий из пути 228 прохождения потока входа, входит во вторую секцию 220 пути прохождения потока. Внутри кольцевой камеры 202 первая секция 218 пути прохождения потока и вторая секция 220 пути прохождения потока соединены по потоку с центральной секцией 222 пути прохождения потока, так что кольцевая камера 202 облегчает образование единого пути 212 прохождения потока, имеющего равномерно распределенное давление в нем. А именно, пар, направляемый по путям 226 и 228 прохождения потока входов, смешивается внутри кольцевой камеры 202, так что пар, выходящий из сопловой коробки 200, имеет равномерную температуру и давление. Пар выпускается из сопловой коробки 200 через множество сопел (не показаны на фиг.2) в первую ступень турбины. Смешивание пара внутри кольцевой камеры 202 облегчает выпускание пара через каждое из множества сопел при одинаковой температуре и давлении. В результате облегчается уменьшение вибраций внутри первой ступени турбины.
1
2
3
4
1
На фиг.4 показана на виде сбоку часть известного пути 250 прохождения потока, заданного частью известной сопловой коробки. На фиг.5 показан путь 250 прохождения потока в изометрической проекции. А именно, на фиг.4 и 5 показана лишь одна четвертая часть кольцевого пути 250 прохождения потока. Путь 250 прохождения потока включает входной путь 252 прохождения потока, первую секцию 254 пути прохождения потока и центральную секцию 256 пути прохождения потока. Секции 254 и 256 пути прохождения потока имеют по существу круговые площади A и А поперечного сечения, соответственно, образованные на их пересечении с входным путем 252 прохождения потока. Кроме того, в показанном примере выполнения входной путь 252 прохождения потока также имеет круговую площадь А поперечного сечения. Кроме того, центральная секция 256 пути прохождения потока сужается в треугольную площадь А поперечного сечения на расстоянии D от входного пути 252 прохождения потока.
1
3
1
1
1
2
Во время работы пар, направляемый через входной путь 252 прохождения потока, выходит в известную кольцевую камеру по выходному пути P прохождения потока, который проходит по существу параллельно центральной оси С входного пути прохождения потока. Пар, выпускаемый из входного пути 252 прохождения потока, направляется по путям 254 и 256 прохождения потока. Однако поскольку пар выпускается по пути P в сферическое окончание S, то пар не смешивается равномерно на путях 254 и 256 прохождения потока. Кроме того, площади A и А поперечного сечения путей 254 и 256 прохождения потока ограничивают поток пара в путях 254 и 256 прохождения потока, так что пар не распределяется в верхнюю зону 258 центральной секции пути 256 прохождения потока.
Поскольку распределение потока пара ограничено, могут образовываться лишенные пара карманы внутри известной кольцевой камеры. Например, по меньшей мере, один лишенный пара карман может образовываться в зоне 258. Лишенные пара карманы приводят к неравномерному распределению давления и температуры пара внутри известной кольцевой камеры, что в свою очередь приводит к неравномерному распределению давления пара, выходящего из известной сопловой коробки. А именно, сопла, по меньшей мере, некоторых известных сопловых коробок выпускают пар с изменяющимися температурами и давлениями. Однако выпуск пара в турбину с неравномерными температурами и давлениями может вызывать вибрации внутри турбины, что может приводить к увеличению стоимости технического обслуживания турбины и/или может уменьшать срок службы турбины.
На фиг.6 показан вид сбоку части пути 212 прохождения потока сопловой коробки, задаваемого кольцевой камерой 202. На фиг.7 путь 212 прохождения потока показан в перспективе. В показанном примере выполнения входной путь 226 прохождения потока задан входом 204, 205, первая секция 218 пути прохождения потока задана первой секцией 206 камеры, и центральная секция 222 пути прохождения потока задана центральной секцией 210 камеры.
5
6
6
7
1
8
Как первая секция 218 пути прохождения потока, так и центральная секция 222 пути прохождения потока имеют соответствующие эллиптические площади А и А поперечного сечения, заданные при их пересечении с входным путем 226 прохождения потока. Площадь A поперечного сечения переходит в прямоугольную площадь А поперечного сечения на расстоянии D от входного пути 226 прохождения потока. Входной путь 226 прохождения потока включает круговую площадь A поперечного сечения и радиусную часть 300. Радиусная часть 300 образована на конце 302 входного пути прохождения потока, расположенном на пересечении между входным путем 226 прохождения потока, первой секцией 218 пути прохождения потока и центральной секцией 222 пути прохождения потока.
2
1
1
2
1
При работе пар, направляемый через входной путь 226 прохождения потока, выпускается в кольцевую камеру 202 по выходному пути P, который образован под косым углом θ относительно входной центральной оси C и по касательной к внутренней стенке путей 218 и 222 прохождения потока. В частности, в показанном примере выполнения путь Р ориентирован так, что пар выходит в направлении второго входа 205 сопловой коробки. В результате, в показанном примере выполнения пар, выходящий из первого входа 204, выпускается в направлении второго входа 205, а пар, выходящий из второго входа 205, выпускается в направлении первого входа 204. В альтернативных вариантах выполнения пар может выпускаться в любом другом подходящем направлении, которое наклонено относительно входной центральной оси C.
2
5
6
5
6
2
2
Комбинация ориентации пути Р и площадей А и A поперечного сечения облегчает смешивание пара, выпускаемого по входному пути 226 прохождения потока. А именно, пар смешивается внутри путей 218 и 222 прохождения потока. Кроме того, площади А и А поперечного сечения путей 218 и 222 прохождения потока обеспечивают большую тороидальную зону, внутри которой может смешиваться пар, что позволяет пару полностью заполнять пути 218 и 222 прохождения потока. В частности, пар может заполнять лишенные пара карманы, такие как карман 304, который может образовываться в пути 222 прохождения потока вблизи вертикальной центральной оси С. Кроме того, большая тороидальная зона в комбинации с потоком пара вдоль пути P облегчает улучшенное смешивание пара внутри кольцевой камеры 202. В результате, облегчается равномерное распределение давления и температуры в кольцевой камере 202. Таким образом, пар, выпускаемый через каждое сопло сопловой коробки 200, может иметь равномерное распределение давления и температуры при выпускании в турбину. Таким образом облегчается уменьшение вибраций внутри турбины, что обеспечивает более высокую эффективность турбины и более длительный срок ее службы.
1
2
5
6
На фиг.8 показано поперечное сечение пути 212 прохождения потока, наложенное на поперечное сечение пути 250 прохождения потока. А именно, на фиг.8 показано сравнение круговых площадей A и А поперечного сечения с эллиптическими площадями А и A поперечного сечения. Путь 250 прохождения потока показан пунктирными линиями 350, а путь 212 прохождения потока показан сплошными линиями 352.
Способы и устройство, описание которых приведено выше, обеспечивают улучшение эффективности турбины посредством равномерного распределения давления и температуры пара, выпускаемого из сопловой коробки. А именно, сопловая коробка имеет эллиптическую площадь поперечного сечения и входной путь прохождения потока, которые выпускают пар в сопловую коробку под косым углом относительно входов сопловой коробки. Эллиптическая площадь поперечного сечения и улучшенный путь прохождения потока облегчают равномерное распределение пара в сопловой коробке. Таким образом, предотвращается образование лишенных пара карманов внутри сопловой коробки, и облегчается равномерное распределение давления и температуры пара в сопловой коробке. За счет равномерного распределения давления и температуры пара в сопловой коробке обеспечивается также равномерное распределение давления и температуры пара, выпускаемого в турбину, и тем самым увеличивается срок службы турбины и уменьшаются расходы, связанные с техническим обслуживанием турбины.
В данном описании элемент или этап, указанные в единственном числе, следует понимать не как исключающие множественное число указанных элементов или этапов, если такое исключение не указано особо. Кроме того, ссылки на «вариант выполнения» данного изобретения не следует понимать как исключающие существование дополнительных вариантов выполнения, которые также включают указанные признаки.
Хотя описание устройства и способов было приведено со ссылкой на сопловую коробку для паровой турбины, следует понимать, что устройство и способы не ограничиваются сопловыми коробками или паровыми турбинами. Аналогичным образом, показанные компоненты сопловой коробки не ограничиваются специальными вариантами выполнения, описание которых приводилось здесь; напротив, компоненты сопловой коробки можно использовать независимо и отдельно от других указанных здесь компонентов.
Хотя описание изобретения было приведено применительно к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изобретение можно осуществлять на практике с различными модификациями, не выходящими за рамки идеи и объема настоящего изобретения.