ПАРОВАЯ ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
LOW-PRESSURE STEAM TURBINE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Изобретение относится в целом к выхлопным патрубкам конденсационных паровых турбин и, более конкретно, к форме диффузора в выхлопном патрубке.
[0002] В паровых турбинах низкого давления восстановление давления в выхлопных патрубках можно разделить на две части: 1) восстановление давления на участке от впуска диффузора до конца паронаправляющей и 2) восстановление давления на участке от конца паронаправляющей до конденсатора. Восстановление давления ниже по потоку от паронаправляющей представляет собой большую трудность, поскольку за концом паронаправляющей в выхлопном патрубке расположены опорные стойки. Следовательно, имеется необходимость в выполнении любого возможного усовершенствования в паронаправляющей.
В патенте SU 546733 А1, МПК F01D 25/30, 15.02.1977 раскрыт способ повышения эффективности осерадиального диффузора турбомашины путем уменьшения интенсивности срывных явлений благодаря установке в диффузоре, между его наружной и внутренней направляющими, кольцевой направляющей перегородки со сквозными каналами. Указанные каналы образованы решеткой кольцевых лопаток. Интенсивность отрыва потока снижается благодаря ускорению пограничного слоя на выпуклых поверхностях кольцевой перегородки. Однако такой способ не позволяет повышать эффективность протекания потока на входе в диффузор, в частности в зоне у выпуска лопаток последней ступени, и устранять эффект блокирования потока бандажом лопаток, возникающий вследствие завихрений потока, которые образуются у концевого бандажа.
[0003] Восстановление давления на участке от впуска диффузора до конца паронаправляющей зависит от многих параметров, таких как: 1) степень расширения (отношение области выпуска к области впуска), 2) осевая длина за осевой линией лопатки последней ступени (определяет радиус поворота), 3) протечки у конца лопатки последней ступени и 4) толщина бандажа лопатки последней ступени (увеличенная толщина бандажа вызывает большее блокирование).
[0004] Расстояние вдоль оси диффузора измеряют как расстояние от осевой линии лопатки последней ступени до конца диффузора, которое обычно вдвое превышает высоту лопатки и выражается как «2*Lbw/al». Например, если высота лопатки равна 40 дюймов (101,6 см), то осевая длина диффузора составит 80 дюймов (203,2 см).
[0005] Для паровой турбины экономически целесообразным является уменьшение осевой длины диффузора, так как это непосредственно уменьшает длину вала ротора. Меньшая осевая длина диффузора, например «1,6Lbw/al», требует большего радиуса поворота (наличия более крутой паронаправляющей) для обеспечения поддержания заданной степени расширения. Большой радиус поворота всегда приводит к отрыву потока пара от паронаправляющей. На фиг. 1 изображен первый диффузор 10, в который поступает отработанный пар от лопатки 5 длиной L с бандажом 6. Первый диффузор 10 имеет первую осевую длину 15, плавное закругление 20 стенки паронаправляющей и первую область 30 выпуска. Кроме того, на чертеже изображен второй, укороченный диффузор 50. Указанный второй диффузор 50 имеет уменьшенную осевую длину 55 и увеличенную область 65 выпуска, что обеспечивает сохранение степени расширения и приводит к необходимости выполнения стенки 70 паронаправляющей с более резким закруглением 60, что может привести к отрыву потока от указанной стенки.
[0006] Одним из способов уменьшения отрыва потока является обдувание пограничной поверхности, например, путем увеличения концевого зазора лопатки последней ступени. Струя, выходящая из концевого зазора, ослабляет указанный отрыв потока и приводит, таким образом, к улучшенному восстановлению давления. Однако увеличение зазора является нежелательным, поскольку оно влияет на эксплуатационные показатели лопатки последней ступени.
[0007] Кроме того, увеличенная толщина бандажа лопатки последней ступени может привести к блокированию потока вследствие завихрения, возникающего у бандажа. Наличие завихрения дополнительно увеличивает потери. На фиг. 2 проиллюстрировано воздействие концевого бандажа 6, выполненного на лопатке 5 последней ступени и создающего завихрение 75 в диффузоре 10. Блокирование бандажом 6 приводит к наличию медленно перемещающегося пара 70, который образует расширяющееся, медленно перемещающееся завихрение 75.
[0008] Таким образом, имеется необходимость в создании средства для улучшения восстановления давления при помощи крутой паронаправляющей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В соответствии с первым аспектом данного изобретения предложена паровая турбина низкого давления, содержащая внутренний корпус с венцом лопаток последней ступени, концевые бандажи, расположенные на указанном венце лопаток, выхлопной патрубок, окружающий внутренний корпус и радиально-осевой диффузор. Радиально-осевой диффузор содержит внутреннюю паронаправляющую и наружную паронаправляющую, которые расположены в указанном выхлопном патрубке у выпуска венца лопаток последней ступени. Внутренняя стенка наружной паронаправляющей выполнена с направленным внутрь радиальным выступом, расположенным ниже по потоку от выпуска лопатки последней ступени. Высота и местоположение направленного внутрь радиального выступа заданы с обеспечением уменьшения завихрения пара на стенке наружной паронаправляющей.
[0010] В соответствии с другим аспектом данного изобретения радиально-осевой диффузор расположен ниже по потоку от венца лопаток последней ступени конденсационной паровой турбины, в выхлопном патрубке. Указанный диффузор содержит внутреннюю паронаправляющую, наружную паронаправляющую с внутренней стенкой и направленный внутрь радиальный выступ, расположенный ниже по потоку от выпуска лопатки последней ступени на указанной внутренней стенке наружной паронаправляющей. Осевое местоположение и высота указанного выступа выбраны с обеспечением уменьшения завихрения пара на наружной радиальной стенке ниже по потоку от выпуска лопатки последней ступени.
[0011] В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения предложен способ уменьшения образования завихрения на наружной паронаправляющей диффузора паровой турбины ниже по потоку от лопаток последней ступени с концевыми бандажами. Указанный способ включает расположение наружной и внутренней паронаправляющих у выпускного канала лопаток последней ступени и выполнение направленного внутрь радиального выступа на стенке наружной паронаправляющей, причем указанный выступ располагают на заданном осевом расстоянии вниз по потоку от осевой линии лопаток последней ступени и на заданной высоте, которые выбирают с обеспечением уменьшения завихрения пара на наружной радиальной стенке ниже по потоку от выпуска лопатки последней ступени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
фиг. 1 изображает диффузор, в который поступает поток отработанного пара от турбинной лопатки длиной L,
фиг. 2 иллюстрирует завихрение, создаваемое бандажом на лопатке последней ступени,
фиг. 3 изображает продольный разрез варианта выполнения предложенного диффузора, расположенного на пути прохождения отработанного пара ниже по потоку от последней ступени, содержащей лопатки с концевым бандажом,
фиг. 4 изображает увеличенный вид внутренней стенки паронаправляющей, имеющей предложенную форму,
фиг. 5 изображает продольный разрез части паровой турбины, в которой тракт потока отработанного пара включает диффузор предложенной конфигурации,
фиг. 6 изображает предпочтительный диапазон местоположений осевого центра выступа для лопатки конкретной рабочей длины,
фиг. 7 изображает предпочтительный диапазон высот для центра выступа внутренней стенки паронаправляющей для лопатки конкретной высоты, измеряемой между нижней поверхностью концевого бандажа и нижней поверхностью внутреннего корпуса турбины,
фиг. 8 изображает различные формы направленных внутрь радиальных выступов, выполненных на внутренней стенке наружной паронаправляющей, в соответствии с данным изобретением, и
фиг. 9 изображает блок-схему способа уменьшения завихрения пара в диффузоре конденсационной паровой турбины.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Приведенные ниже варианты выполнения данного изобретения имеют многочисленные преимущества, к которым относится уменьшение завихрения пара в диффузоре ниже по потоку от концевого бандажа лопаток последней ступени в конденсационной паровой турбине с обеспечением, таким образом, увеличения области распространения для более эффективного восстановления давления и повышения эффективности турбины. Повышенное восстановление давления может быть достигнуто даже при уменьшенной осевой длине диффузора в случае использования крутой паронаправляющей. Изобретение обеспечивает высокоэффективное распространение потока, что приводит к уменьшению противодавления турбины с обеспечением, таким образом, возможности получения повышенного отношения давлений в турбине для той же температурной области термодинамического цикла. Это дает возможность либо вырабатывать большую мощность при тех же параметрах цикла, либо вырабатывать такую же мощность при более высокой эффективности (то есть при более низком количестве подаваемого топлива).
[0014] Бандаж, имеющий очень большую толщину, создает значительное препятствие, приводящее к образованию завихрения у стенки наружной паронаправляющей, в результате чего происходит отрыв потока пара от стенки паронаправляющей. Завихрение, которое представляет собой медленно перемещающуюся текучую среду, занимает все бóльшую и бóльшую площадь по мере его продвижении вперед. Образование завихрения уменьшает эффективное проходное сечение для распространения оставшейся текучей среды, что приводит к недостаточному восстановлению.
[0015] Имеется потребность в создании средства, обеспечивающего уменьшение или полное устранение указанного завихрения. В данном изобретении предложен направленный внутрь радиальный выступ, выполненный в стенке наружной паронаправляющей и уменьшающий силу завихрения при помощи потоков концевых протечек. Таким образом, достигается более эффективное восстановление давления без нарушения степени расширения диффузора.
[0016] На фиг. 3 изображен продольный разрез варианта выполнения предложенного диффузора 300, расположенного в тракте 301 отработанного пара ниже по потоку от лопаток 310 последней ступени с концевым бандажом 311. Диффузор имеет область 315 впуска и область 316 выпуска. На чертеже внутренняя стенка 320 наружной паронаправляющей имеет обычное вогнутое в направлении наружу закругление 321 и предложенный направленный внутрь радиальный выступ 322. На фиг. 4 изображен увеличенный вид 330 внутренней стенки 320 наружной паронаправляющей ниже по потоку от лопатки последней ступени. Направленный внутрь радиальный выступ 340, высота которого составляет приблизительно 300 мм, расположен на расстоянии 350 приблизительно 3 дюйма (7,62 см) от осевого центра лопаток 310 последней ступени. Размеры приведены в качестве примера и не являются ограничивающими. Выступ 340, который слегка отклоняет потоки концевой протечки в направлении вниз, уменьшает эффект блокирования, создаваемый бандажом. Такое отклонение способствует возвращению основного потока к паронаправляющей, что обеспечивает более высокую эффективность диффузора.
[0017] В случае обычной внутренней стенки паронаправляющей диффузора бандаж лопатки вызывает отрыв нижерасположенной части потока пара. Основной поток пара, идущий от лопатки, протекает под концевым бандажом, а путь прохождения отдельного потока протечки над бандажом проходит вдоль стенки паронаправляющей. Еще ниже по потоку возникает большое завихрение медленно перемещающегося пара. В предложенном диффузоре, имеющем направленный внутрь радиальный выступ на внутренней стенке паронаправляющей, происходит соединение потока, протекающего вдоль внутренней стенки, и основного потока. Завихрение, возникающее ниже по потоку в предложенном диффузоре, значительно меньше завихрения, возникающего ниже по потоку в обычном диффузоре. Уменьшение завихрения в диффузоре происходит вследствие наличия направленного внутрь радиального выступа, выполненного на стенке паронаправляющей, и обеспечивает более высокую эффективность диффузора.
[0018] На фиг. 5 изображена паровая турбина с предложенным диффузором, имеющим направленный внутрь радиальный выступ на внутренней стенке наружной паронаправляющей. Паровая турбина, обозначенная в целом номером 410 позиции, содержит ротор 412, на котором установлены турбинные лопатки 414. На чертеже также показан внутренний корпус 416, на котором установлены неподвижные направляющие лопатки 418. Расположенное по центру в целом радиальное паровпускное отверстие 420 обеспечивает подачу пара к турбинным лопаткам 414 и неподвижным лопаткам 418 на противоположных осевых сторонах турбины для приведения в действие ротора 412. Неподвижные лопатки 418 и смежные с ними по оси лопатки 414 образуют различные ступени турбины, создающие проточный паровой трак, при этом следует понимать, что выходящий от лопаток 419 последней ступени паровой турбины пар протекает в выпускное отверстие 426 к конденсатору (не показан).
[0019] На чертеже также изображен наружный выхлопной патрубок 430, который окружает и поддерживает внутренний корпус 416 турбины, а также другие компоненты, такие как подшипники. Турбина содержит наружные паронаправляющие 423, 424, предназначенные для направления пара, выпускаемого из турбины, в выпускное отверстие 426 для его прохождения к одному или более конденсаторам. В выхлопном патрубке 430 могут быть выполнены опорные конструкции, придающие жесткость указанному патрубку и содействующие направлению потока отработанного пара. Приведенная в качестве примера опорная конструкция 435 расположена с обеспечением принятия и направления потока 440 отработанного пара, выходящего из паровой турбины 410.
[0020] Лопатки 419 последней ступени паровой турбины 410 выпускают поток 440 отработанного пара в выхлопной патрубок 430. Выхлопной патрубок 430 может содержать верхний патрубок 431 и нижний патрубок 432. Патрубок 430 открывается вниз в выпускное отверстие 426, ведущее к расположенному ниже конденсатору (не показан). Отработанный пар 440 от лопаток 419 протекает между наружными паронаправляющими 423, 424 и внутренней паронаправляющей 427. Внутренняя паронаправляющая 427 может быть образована конусом 428 подшипника или отдельной конструкцией. Наружные паронаправляющие 423, 424 могут совместно образовывать концентрическое кольцо вокруг ротора 412. Форма, ориентация и размер паронаправляющей 423, расположенной в верхней части проточного тракта для отработанного пара, могут отличаться от указанных параметров паронаправляющей 424, расположенной в нижней половине проточного тракта для отработанного пара, для обеспечения эффективного согласования соответствующих им проточных трактов для отработанного пара к конденсатору (не показан).
[0021] Наружные паронаправляющие 423, 424 могут иметь направленные внутрь радиальные выступы 425, расположенные на заданном осевом расстоянии 450 вдоль стенки 480 паронаправляющей, которое может быть измерено от осевой линии 455 лопаток последней ступени, как описано ниже более подробно. Однако возможно использование других точек отсчета при соответствующей корректировке измерений. Выступы 425 могут образовывать концентрическое кольцо вокруг ротора 412.
Isb
Isb
Isb
[0022] В соответствии с изобретением самая внутренняя в радиальном направлении точка выступа должна находиться на заданном осевом расстоянии вниз по потоку от лопаток последней ступени. Данное расстояние, соответствующее центру выступа, может быть выражено в виде функции длины лопатки последней ступени. Минимальное осевое расстояние от центра лопатки последней ступени может составлять приблизительно 0,08*L, где L - рабочая длина лопаток 419 последней ступени. Максимальное осевое расстояние от центра лопаток 419 может составлять приблизительно 0,16*L.
[0023] На фиг. 6 изображен диапазон положений осевого центра направленного внутрь радиального выступа, выполненного на внутренней стенке паронаправляющей вниз по потоку от лопаток последней ступени для уменьшения возникающего ниже по потоку завихрения и повышения эффективности диффузора. Для данного примера рабочая длина лопаток 419 составляет 33,5 дюйма (85,09 см). Осевое положение стенок 462, 467 паронаправляющей обозначено номером 469 позиции. Лопатки 419 могут иметь один или более зубцов 413, расположенных на концевом бандаже 411 с образованием зазора 417 для протечки с внутренней стенкой 415 внутреннего корпуса 416 паровой турбины (фиг. 5). Минимальное осевое расстояние 460 до направленного внутрь радиального выступа 461 на стенке 462 может быть определено приблизительно как 0,08×33,5=2,68 дюйма (6,81 см). Максимальное осевое расстояние 465 до направленного внутрь радиального выступа 466 на стенке 467 может быть рассчитано приблизительно как 0,16×33,5=5,36 дюйма (13,61 см).
[0024] Кроме того, в соответствии с изобретением высота направленного внутрь радиального выступа относительно радиальной высоты верхнего выступа бандажа лопатки последней ступени может быть установлена в виде заранее заданной величины. Указанная заданная величина для выступа может быть представлена как функция длины расстояния между нижней поверхностью концевого бандажа и нижней поверхностью внутреннего корпуса турбины. Минимальная высота выступа может составлять 0,2Н, где Н - расстояние между нижней поверхностью концевого бандажа и нижней поверхностью внутреннего корпуса турбины. Максимальная высота выступа может составлять 0,6Н.
[0025] На фиг. 7 изображен предпочтительный диапазон высот для направленного внутрь радиального выступа внутренней стенки наружной паронаправляющей, предназначенного для уменьшения возникающего ниже по потоку завихрения и повышения эффективности диффузора. В данном примере для лопатки 419 расстояние Н между нижней поверхностью 429 бандажа 411 и внутренней стенкой 415 внутреннего корпуса 416 турбины составляет приблизительно 1,278 дюйм (3,246 см). Бандаж 411 может иметь один или более зубцов 413, образующих зазор 417 для протечки с внутренней стенкой 415 внутреннего корпуса паровой турбины (фиг. 5). Минимальное значение высоты 463 выступа 461 на стенке 462 может быть рассчитано приблизительно как 0,2Н или 0,2×1,278 дюйма=0,2556 дюйма (0,6492 см). Максимальное значение высоты 468 выступа 466 на стенке 467 может быть рассчитано приблизительно как 0,6Н или 0,6×1,278 дюйма=0,7668 дюйма (1,9477 см).
[0026] На фиг. 8 изображены различные формы, которые могут использоваться при выполнении направленных внутрь радиальных выступов на внутренней стенке наружной паронаправляющей, ниже по потоку от лопаток последней степени, в соответствии с данным изобретением. В первом варианте 500 выполнения нижняя поверхность 421 внутренней стенки 415 корпуса 416 может иметь плавную, выпуклую во внутреннем радиальном направлении поверхность, причем направленный внутрь радиальный выступ 505 соответствует радиальному минимуму поверхности. В еще одном варианте 510 выполнения нижняя поверхность 422 внутренней стенки 415, имеющая прямолинейные грани, может быть образована в виде сужающегося конического участка 515, расположенного перед направленным внутрь радиальным выступом 525, и в виде расширяющегося конического участка 520, расположенного за выступом 525, так что указанные два конических участка соединяются в месте радиального диаметра выступа 525. Расширяющийся участок 520 и сужающийся участок 515 могут плавно соединяться с внутренней стенкой у соответствующих переднего и заднего концов. Однако следует понимать, что нижняя поверхность 421, 422 стенки 415 может иметь различные формы при условии соответствующего расположения направленного внутрь радиального выступа в осевом и радиальном направлениях.
Isb
Isb
Isb
Isb
Isb
Isb
[0027] В следующем аспекте данного изобретения предложен способ уменьшения завихрения пара в диффузоре ниже по потоку от концевого бандажа лопаток последней ступени в конденсационной паровой турбине. Указанный способ включает расположение наружной паронаправляющей у выпускного кольцевого канала лопаток последней ступени с концевыми бандажами. Способ также включает выполнение направленного внутрь радиального выступа на внутренней стенке наружной паронаправляющей, причем указанный выступ располагают на заданном осевом расстоянии вниз по потоку от осевой линии лопаток последней ступени и на заданной высоте, при этом указанные осевое расстояние и высота обеспечивают уменьшение образования завихрения вдоль наружной стенки наружной паронаправляющей. Заданное осевое расстояние направленного внутрь радиального выступа от осевой линии лопаток последней ступени составляет от 0,08L до 0,16Н L, где L - рабочая длина лопатки последней ступени. Заданная высота указанного выступа составляет от 0,2Н до 0,6Н, где Н - расстояние между нижней частью концевого бандажа лопаток последней ступени и нижней поверхностью внутреннего корпуса паровой турбины, причем заданную высоту измеряют относительно радиальной высоты внутренней стенки у впуска паронаправляющей. На фиг. 9 изображена блок-схема способа уменьшения завихрения пара в диффузоре конденсационной паровой турбины. На этапе 600 наружную паронаправляющую располагают у выпускного кольцевого канала лопаток последней ступени с концевыми бандажами. На этапе 610 на внутренней стенке наружной паронаправляющей выполняют направленный внутрь радиальный выступ, который располагают на заданном осевом расстоянии вниз по потоку от осевой линии лопаток последней ступени и на заданной высоте, причем указанные осевое расстояние и высота обеспечивают уменьшение образования завихрения вдоль наружной стенки наружной паронаправляющей. На этапе 620 устанавливают заданное осевое расстояние направленного внутрь радиального выступа от осевой линии лопаток последней ступени в диапазоне от 0,08L до 0,16L, где L - рабочая длина лопатки последней ступени. На этапе 630 устанавливают заданную высоту направленного внутрь радиального выступа в диапазоне от 0,2Н до 0,6Н, где Н - расстояние между нижней частью концевого бандажа лопаток последней ступени и нижней поверхностью внутреннего корпуса паровой турбины, причем заданную высоту измеряют относительно радиальной высоты внутренней стенки у впуска паронаправляющей.
[0028] Несмотря на то что выше описаны несколько вариантов форм стенки, окружающей выступ, следует понимать, что в объем данного изобретения могут входить и другие формы. Более того, несмотря на то что в данном документе описаны различные варианты выполнения, из описания должно быть понятно, что возможно выполнение различных комбинаций элементов, видоизменений или усовершенствований, находящихся в рамках объема изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
5 лопатка
6 концевой бандаж
10 диффузор
15 первая осевая длина
20 плавное закругление
30 первая область выпуска
50 второй укороченный диффузор
55 уменьшенная осевая длина
60 резкое закругление
65 увеличенная область выпуска
70 медленно перемещающийся пар
75 завихрение
300 диффузор
301 проточный тракт для отработанного пара
310 лопатки последней ступени
311 концевой бандаж
315 область впуска
316 область выпуска
320 внутренняя стенка
321 выпуклое в направлении внутрь закругление
322 направленный внутрь радиальный выступ
330 увеличенный вид
340 направленный внутрь радиальный выступ
350 осевое положение
410 паровая турбина
411 концевой бандаж
412 ротор
413 зубцы
414 лопатки
415 нижняя поверхность внутреннего корпуса
416 внутренний корпус
417 зазор для протечки
418 неподвижные лопатки
419 лопатки последней ступени
420 радиальное паровпускное отверстие
421 выпуклая в направлении внутрь нижняя поверхность
422 нижняя поверхность с прямолинейными гранями
423, 424 наружные паронаправляющие
425 направленные внутрь радиальные выступы
426 выпускное отверстие, ведущее к конденсатору
427 внутренняя паронаправляющая
428 конус подшипника
429 нижняя поверхность концевого бандажа
430 наружный выхлопной патрубок
431 верхний выхлопной патрубок
432 нижний выхлопной патрубок
435 конструктивный элемент
440 поток отработанного пара
450 заданное осевое расстояние
455 осевая линия лопаток последней ступени
460 минимальное осевое расстояние
461 направленный внутрь радиальный выступ
462 стенка паронаправляющей
463 высота
465 максимальное осевое расстояние
466 направленный внутрь радиальный выступ
467 стенка паронаправляющей
468 высота
469 впуск паронаправляющей
470 Н
480 внутренняя стенка паронаправляющей
500 первый вариант выполнения внутренней стенки
505 направленный внутрь радиальный выступ
510 второй вариант выполнения внутренней стенки
515 сужающаяся коническая часть
520 расширяющаяся коническая часть
525 направленный внутрь радиальный выступ.