ВКЛАДЫШ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ СКВОЗНОГО ОТВЕРСТИЯ В РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ РОТОРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ ЕГО УСТАНОВКИ
INSERT FOR ADJUSTMENT OF THROUGH-HOLE IN STEAM TURBINE ROTOR WHEEL AND METHOD OF ITS MOUNTING

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение в целом относится к вкладышам и способам закупоривания или изменения размера проходного сечения сквозного отверстия и, более конкретно, отверстий, обеспечивающих равновесное состояние пара в рабочих колесах паровой турбины.
Рабочие колеса паровых турбин часто имеют уравновешивающие отверстия, через которые происходит вытекание пара по неподвижным соплам турбины от ступени к ступени. Конструктивное назначение уравновешивающих отверстий в активных ступенях турбины заключается в предотвращении повторного прохождения вытекающего пара через турбину по основному паровому тракту и устранение возмущений в указанном тракте, приводящих к значительным потерям. Важное значение имеют число и диаметр уравновешивающих отверстий, поскольку если суммарная площадь сечения указанных отверстий является недостаточной для данной ступени, то некоторое количество вытекающего пара будет повторно поступать в основной паровой тракт, тогда как если суммарная площадь сечения является чрезмерной для данной ступени, то пар будет втягиваться из основного парового тракта в вытекающий поток.
Проводимые в настоящее время усовершенствования конструкции лопатки, сопла и уплотнений сопла уменьшили объем вытекающего потока и сделали необходимым использование меньшего числа уравновешивающих отверстий и/или отверстий меньшего размера для обеспечения поддержания эффективной работы роторов паровых турбин. Вследствие используемых материалов и затрат, расходуемых при производстве роторов паровых турбин (в том числе их рабочих колес и валов), предпочтительно модифицировать, а не заменять роторы во время модернизации паровой турбины. Как изложено в патенте США №7134841, МПК F01D 5/18, 14.11.2006, выданном Монтгомери и переуступленном правопреемнику данной заявки, в уравновешивающих пар отверстиях рабочего колеса паровой турбины может быть установлено устройство, обеспечивающее регулировку и оптимизацию площади сечения уравновешивающего отверстия при модернизации паровой турбины.
Конструкция вкладыша, раскрытая в патенте США №7134841, состоит из двух конусных втулок. Первая втулка представляет собой внешнюю тонкостенную расширяемую втулку с резьбовой частью, которая устанавливается в изменяемом отверстии рабочего колеса, а вторая втулка с ответной резьбовой частью и сквозным каналом заданного диаметра предназначена для ввинчивания в резьбовую часть предварительно установленной внешней втулки. При резьбовом соединении указанных втулок происходит расширение внешней втулки в отверстии колеса, и таким образом сборный вкладыш удерживается в отверстии за счет сил трения.
Несмотря на эффективность такого решения, вкладышу такой конструкции присущ ряд недостатков. В частности, при установке вкладыша необходимо осевое выравнивание внешней и внутренней втулок (особенно внешней) в отверстии рабочего колеса относительно наружной поверхности рабочего колеса. Выравнивание необходимо для полного использования внутренней поверхности отверстия в колесе для создания необходимой площади поверхности фрикционного контакта между отверстием и вкладышем. Для осуществления такого выравнивания необходимо затрачивать лишнее время и усилия, кроме того, при этом возникает необходимость в использовании выравнивающих приспособлений, которые будут оказывать усилия нажатия на рабочие колеса. Завинчивание внутренней втулки и удержание внешней втулки также может потребовать применения приспособлений, оказывающих давление на смежное колесо. Кроме того, для надежного и прочного удержания вкладыша в отверстии за счет сил трения, необходимо при затяжке резьбового соединения тщательно контролировать необходимый момент затяжки, что, опять же, означает увеличение трудоемкости и времени установки вкладыша. Если момент затяжки будет слишком мал, то вкладыш может выскочить из отверстия при вращении колеса и повредить элементы турбины, если же момент затяжки будет велик, то возможны избыточные напряжения в отверстии, которые могут привести к усталостному разрушению ступицы колеса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном изобретении предложен вкладыш и способ, позволяющие изменять сквозное отверстие, такое как уравновешивающее отверстие в рабочем колесе паровой турбины.
В соответствии с первым аспектом данного изобретения указанный вкладыш содержит корпус, имеющий продольную ось, противоположно расположенные первый и второй концы, фланец, проходящий радиально от указанного второго конца корпуса, и внешнюю поверхность, расположенную по периферии корпуса между его первым концом и фланцем, расположенным на втором конце. Первый канал, выполненный в корпусе, образует первое отверстие на первом конце корпуса, при этом указанный первый канал и внешняя поверхность корпуса совместно образуют между собой стенку, выполненную с возможностью пластической деформации в радиальном наружном направлении. Второй канал, выполненный в корпусе, сообщается с указанным первым каналом и имеет меньшее поперечное сечение, чем первый канал. Кроме вкладыша, другой аспект данного изобретения охватывает рабочее колесо паровой турбины, имеющее уравновешивающее пар отверстие, в котором установлен указанный вкладыш.
Другим аспектом данного изобретения является способ установки вкладыша в сквозное отверстие, такое как уравновешивающее пар отверстие рабочего колеса ротора паровой турбины. Данный способ в целом включает размещение вкладыша в сквозном отверстии таким образом, что первый конец указанного вкладыша выступает с первой стороны колеса, а фланец, проходящий в радиальном направлении от противоположного второго конца, примыкает к расположенной напротив второй стороне колеса. Затем в первый канал, выполненный в корпусе вкладыша и образующий первое отверстие на указанном первом конце корпуса вкладыша, и во второй канал, выполненный в корпусе вкладыша и имеющий меньшее поперечное сечение, чем указанный первый канал, вводят стержень. Указанный вкладыш закрепляют в сквозном отверстии путем развальцовки стенки, образованной внешней поверхностью вкладыша и первым каналом и расположенной между ними. Развальцовку стенки выполняют с помощью стержня с обеспечением втягивания развальцовочного средства в первый канал и введения его во взаимодействие со стенкой с обеспечением пластической деформации стенки в радиальном наружном направлении. Развальцовочное средство и стержень затем удаляют из вкладыша.
Преимущество данного изобретения заключается в том, что указанный вкладыш может быть установлен в уравновешивающем пар отверстии колеса ротора паровой турбины без необходимости выполнения каких-либо модификаций колеса и путем применения способа, который устраняет опасность деформации смежных колес под действием напряжений изгиба во время процесса установки, поскольку развальцовка вкладыша не требует надавливания на смежные колеса. Устранение необходимости оказания давления на смежное колесо также обеспечивает возможность установки вкладыша в первое и последнее колеса секции турбины. Другое преимущество изобретения заключается в несложной процедуре, которая может быть выполнена одним рабочим.
Другие аспекты и преимущества данного изобретения более понятны из последующего подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 и 2 изображают виды сбоку вкладышей, предназначенных для установки в уравновешивающем отверстии рабочего колеса паровой турбины в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения.
Фиг.3 изображает продольный разрез вкладыша, показанного на фиг.1, установленного в уравновешивающем отверстии рабочего колеса паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения.
Фиг.4 и 5 изображают частичные разрезы роторов паровой турбины и иллюстрируют два способа установки предложенных вкладышей в уравновешивающем отверстии рабочего колеса паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 и 2 изображают два варианта выполнения вкладыша 10, предназначенного для изменения уравновешивающего пар отверстия 54 в рабочем колесе 52 паровой турбины, как показано на фиг.3. Вкладыш 10 предназначен для изменения уравновешивающего пар отверстия 54 в том смысле, что он может полностью закупорить уравновешивающее отверстие 54 (фиг.4) или уменьшить площадь его поперечного сечения (фиг.5) в зависимости от требований в конкретной ситуации. На фиг.4 и 5 рабочее колесо 52 изображено в виде неотъемлемой части ротора 50, содержащего набор колес 52, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль вала 56. Указанный ротор 50 и его компоненты являются схематическим изображением роторов, приводимых в действие паром и известных в данной области техники, и показаны для описания данного изобретения. Не предполагается, что объем данного изобретения ограничен конкретными конструкциями ротора 50 и его компонентов. Несмотря на то что изобретение описано применительно к ротору паровой турбины, предполагается и находится в рамках объема изобретения дальнейшее приспособление указанного вкладыша 10 для закрытия или ограничения отверстий, проходящих через другие объекты, в том числе колеса турбин других типов.
На чертежах каждое колесо 52 имеет уравновешивающее пар отверстие 54, совмещенное в осевом направлении с уравновешивающими отверстиями 54 в других колесах 52. Кроме того, на чертежах периферия каждого колеса 52 содержит элемент 58 соединения «ласточкин хвост», с помощью которого рабочие лопатки (не показаны) могут быть установлены по окружности указанного колеса. Между каждой парой смежных колес 52 находится вал 56 ротора, выполненный с возможностью создания уплотнения с неподвижными соплами (не показаны), расположенными между парами колес, с обеспечением сведения к минимуму протечек между указанным валом 56 и соплами с помощью щеточного уплотнения или уплотнительного кольца (не показано). При установке ротора в паровую турбину его ориентируют таким образом, что поверхности 62 колес 52 обращены назад относительно направления течения потока пара, тогда как противоположные им поверхности 64 обращены вперед относительно направления течения, так что поток пара, вытекающего через каждое уравновешивающее отверстие 54, проходит от поверхности 62 к поверхности 64 каждого колеса 52. Как хорошо известно в данной области техники, пар, вытекающий из парового тракта между валом 56 ротора и соплами, протекает через отверстия 54 с обеспечением прохождения от ступени к ступени турбины предпочтительно без повторного соединения с потоком пара. Уравновешивающие отверстия 54 обычно имеют цилиндрическую форму, равномерно распределены по окружности и расположены на определенном радиальном расстоянии от оси ротора 50, при этом их диаметры обеспечивают достижение потока вытекающего пара, приемлемого для конкретной модели паровой турбины. Считается, что типичный диапазон диаметров уравновешивающих отверстий 54 составляет приблизительно от 0,75 до 1,5 дюймов (приблизительно от 2 до 4 см), хотя предполагается и находится в рамках объема данного изобретения использование меньших и больших диаметров.
На фиг.1 и 2 показаны два варианта выполнения вкладыша 10. Для удобства на данных чертежах для обозначения элементов, сходных с функциональной точки зрения, используются одни и те же номера позиций. На фиг.1 и 2 показано, что указанный вкладыш 10 содержит корпус 12 монолитной конструкции, другими словами, не собранный из отдельно выполненных элементов. Указанный корпус 12 имеет продольную ось 14, противоположно расположенные первый и второй концы 16 и 18, фланец 20, радиально проходящий от второго конца 18, и внешнюю поверхность 22, проходящую по периферии корпуса 12 между указанными первым концом 16 и фланцем 20. Вкладыш 10 может быть выполнен из различных материалов, например, из нержавеющей стали, предпочтительным примером которой является материал по спецификации В500А947АЗ компании «Дженерал Электрик», хотя предполагается использование других материалов. Для установки в цилиндрическом уравновешивающем отверстии 54 внешняя и внутренняя формы поперечного сечения вкладыша 10 могут быть круговыми по всей длине, а внешняя поверхность 22 может иметь по существу постоянную круговую форму поперечного сечения между первым концом 16 указанного вкладыша 10 и фланцем 20, расположенным у второго конца 18 вкладыша 10. Для повышения прочности фланца 20 он предпочтительно проходит радиально наружу по всему периметру внешней поверхности 22 с обеспечением образования внешнего кругового края, хотя выполнение прерывистого фланца 20 и краев другой формы также находится в рамках объема изобретения. Предпочтительно фланец 20 отходит от внешней поверхности 22 на расстояние около 0,375 дюймов (около 1 см) или более, хотя в рамках объема данного изобретения возможно использование фланца 20 меньших размеров.
Соответствующая длина вкладыша 10 зависит от конкретной геометрии колеса 52, хотя особенно подходящей считается длина, превышающая ширину колеса 52 в осевом направлении приблизительно на 0,25 дюйма (около 6 мм). Исходя из этого считается вполне обычной длина вкладыша, составляющая приблизительно от 1,5 до 2, 5 дюймов (приблизительно от 4 до 6 см).
В корпусе 12 образованы первый и второй каналы 24 и 26. Первый канал 24 образует первое отверстие 28 на первом конце 16 вкладыша 10, а вместе с внешней поверхностью 22 он также ограничивает кольцевую стенку 32. Как изложено ниже со ссылкой на фиг.3-5, стенка 32 выполнена с возможностью пластической деформации в радиальном наружном направлении относительно оси 14 вкладыша 10. По существу минимальная глубина указанного канала 24 должна быть достаточной для обеспечения объема материала стенки, который может быть деформирован способом, проиллюстрированным на фиг.3, при этом указанная глубина по существу зависит от длины вкладыша 10 и толщины колеса 52 в осевом направлении.
Второй канал 26, выполненный во вкладыше 10, сообщается с первым каналом 24, но имеет меньшее поперечное сечение, чем первый канал 24. В варианте выполнения, показанном на фиг.1, второй канал 26 представляет собой сквозное отверстие, при этом первый и второй каналы 24 и 26 образуют непрерывный продольный проход, идущий через вкладыш 10. Второй канал 26 образует второе отверстие 30 на втором конце 18 вкладыша 10, которое имеет меньшее поперечное сечение, чем первое отверстие 28, образованное первым каналом 24. В случае конфигурации, изображенной на фиг.1, вкладыш 10 обеспечивает наличие ограниченного прохода в отверстии 54, в котором он установлен, как показано на фиг.3. Соответствующая площадь поперечного сечения прохода (образованного вторым каналом 26) зависит от особенностей ротора 50 и паровой турбины, в которую он установлен. Однако диаметры прохода, составляющие приблизительно 0,25-1,25 дюймов (около 6-30 мм), считаются подходящими для многих областей применения. Второй канал 26 может быть просверлен в корпусе 12 вкладыша 10 с обеспечением возможности выполнения прохода с размером, удовлетворяющим требованиям заказчика, для получения необходимой площади сечения уравновешивающего отверстия для заданной ступени паровой турбины.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2, второй канал 26 является глухим, так что вкладыш обеспечивает закрытие отверстия 54 полностью вместо того, чтобы обеспечивать уменьшение размера сквозного прохода, как предполагается в варианте выполнения, показанном на фиг.1. На фиг.2 второй канал 26 изображен выполненным с внутренней резьбой 34 по причинам, объясненным со ссылкой на фиг.4.
Из фиг.3 очевидно, что вкладыш 10, показанный на фиг.1, подвергли пластической деформации на его первом конце 16 для обеспечения постоянного удержания вкладыша 10 в отверстии 54 колеса 52. В частности, стенка 32, ограниченная первым каналом 24 и внешней поверхностью 22 вкладыша 10 и расположенная между ними, испытывает пластическую деформацию в радиальном наружном направлении относительно оси 14 вкладыша 10. Деформированная стенка 32 взаимодействует с фланцем 20, охватывая осевую толщину колеса 52, расположенного между ними. Для обеспечения соответствующей конструктивной целостности указанная стенка 32 предпочтительно имеет постоянную толщину, предпочтительно около 0,125 дюйма (около 3 мм) или более, хотя в зависимости от материала вкладыша 10 могут использоваться меньшие толщины. Кроме того, стенку 32 предпочтительно деформируют в наружном радиальном направлении на расстояние около 0,125 дюймов (около 3 мм) или более. На чертеже вкладыш 10 установлен таким образом, что его конец 18, имеющий фланец 20, расположен на напорной поверхности 62 колеса 52 (подвергающейся воздействию потока), хотя предполагается, что вкладыш 10 может быть установлен с противоположной ориентацией. Вкладыш 10, показанный на фиг.2, предназначен для установки по существу таким же способом.
Поскольку расстояние между смежными колесами 52 в осевом направлении ограничено, как с очевидностью следует из фиг.4 и 5, то любой из предложенных вкладышей 10 предпочтительно устанавливают способом, который обеспечивает возможность прочного закрепления указанного вкладыша 10 в имеющемся ограниченном пространстве. В общих чертах, вкладыш 10 вставляют в отверстие 54 со стороны напорной поверхности 62 колеса 52, так что первый конец 16 вкладыша 10 выступает из ненапорной поверхности 64 колеса 52, а фланец 20 примыкает к указанной напорной поверхности 62. Затем стенку 32 у первого конца 16 вкладыша 10 развальцовывают для обеспечения вхождения в контакт с ненапорной поверхностью 64 колеса 52 с охватом осевой толщины колеса 52 вместе с фланцем 20. Развальцовка стенки 32 вкладыша может выполняться с помощью стержня 36 и развальцовочного инструмента 38, как проиллюстрировано на фиг.4 и 5. Указанный инструмент 38 содержит конусообразную или сужающуюся часть, размеры и конфигурация которой обеспечивают ее соединение со стенкой 32 вкладыша и развальцовку указанной стенки по мере продвижения инструмента 38 в отверстие 28 вкладыша 12. Считается, что подходящей конусностью развальцовочного инструмента 38 является конусность с углами в диапазоне приблизительно 50-60° от оси указанного инструмента 38, хотя предполагается и находится в рамках объема изобретения использование меньшей и большей конусности. Кроме того, предполагается использование других средств, обеспечивающих возможность развальцовки стенки 32 путем их принудительного введения в первый канал 24 вкладыша 10. После выполнения развальцовки стенки 32 стержень 36 и развальцовочный инструмент 38 могут быть удалены, при этом в уравновешивающем отверстии 54 остается только вкладыш 10.
Для установки вкладыша 10, показанного на фиг.2, способом, проиллюстрированным на фиг.4, стержень 36 в целом выполняют в виде болта, при этом один его конец 40 имеет наружную резьбу, а противоположный конец 42 имеет головку. До сборки стержня с вкладышем 10 развальцовочный инструмент 38 помещают на хвостовик стержня 36 с обеспечением возможности продвижения указанного инструмента 38 к резьбовому концу 40 стержня 36 с помощью расширяющего устройства 44. К подходящим для этого расширяющим устройствам относятся имеющиеся на рынке полые гидравлические цилиндры, такие как полый цилиндр с плунжером ENERPAC, модель RCH120. Как проиллюстрировано на фиг.4, стержень 36 вводят через первый канал 24 и завинчивают его резьбовой конец 40 в резьбовой второй канал 26, при этом первый конец 16 вкладыша 10 выступает из уравновешивающего отверстия 54 у ненапорной поверхности 64 колеса 52. Длину стержня 36 выбирают таким образом, что при завинчивании развальцовочного инструмента 38 во второй канал 26 вкладыша 10 указанный инструмент примыкает к первому концу 16 и стенке 32 вкладыша 10, при этом развальцовочный инструмент 38, расширяющее устройство 44 и головка стержня 36 примыкают друг у другу в осевом направлении или по меньшей мере располагаются достаточно близко друг к другу в осевом направлении, так что осевое расширение устройства 44 может обеспечить вдавливание развальцовочного инструмента 38 в первый канал 24 и радиально расширить стенку 32 вкладыша с обеспечением принятия ею формы, подобной форме, показанной на фиг.3. После извлечения стержня 36 в уравновешивающем отверстии 54 остается только вкладыш 10. Вследствие того, что второй канал 26 является глухим, вкладыш 10 полностью закрывает/закупоривает уравновешивающее пар отверстие 54.
Для установки вкладыша 10, показанного на фиг.1, на фиг.5 стержень 36 снова показан выполненным в целом в виде болта, при этом один его конец 40 имеет наружную резьбу, а противоположный конец 42 имеет головку. В отличие от случая, проиллюстрированного на фиг.4, стержень 36 проводят полностью через оба канала 24 и 26 вкладыша 10 с обеспечением выступания противоположных концов 40 и 42 стержня 36 соответственно у ненапорной и напорной поверхностей 64 и 62 колеса 52. Для областей применения, в которых желательный размер прохода второго канала 26 является сравнительно небольшим, например, менее приблизительно 0,5 дюйма (около 1,3 см), может потребоваться выполнение резьбы на части канала 26 и установка вкладыша 10 способом, аналогичным описанному для фиг.4.
До сборки стержня 36 с вкладышем 10 расширяющее устройство 44 помещают на хвостовик указанного стержня 36. Резьбовой конец 40 стержня 36 вводят через второй канал 24, проводят через первый канал 24 и выводят через первое отверстие 28 вкладыша 10, при этом первый конец 16 вкладыша 10 выступает из уравновешивающего отверстия 54 вблизи ненапорной поверхности 64 колеса 52. Затем развальцовочный инструмент 38 может быть установлен на резьбовой конец 40 и закреплен с помощью гайки 46, в результате чего указанная гайка 46, инструмент 38 и стенка 32 вкладыша примыкают друг к другу или по меньшей мере располагаются достаточно близко друг к другу в осевом направлении, так что осевое расширение устройства 44 может обеспечить втягивание развальцовочного инструмента 38 в направлении указанного устройства 44 и в первый канал 24, что приводит к радиальной развальцовке стенки 32 вкладыша с обеспечением принятия ею формы, подобной форме, показанной на фиг.3. После извлечения стержня 36 в уравновешивающем отверстии 54 остается только вкладыш 10. Вследствие того, что второй канал 26 является сквозным и вместе с первым каналом 24 образует непрерывный проход, а второе отверстие 30, которое образовано каналом 26, имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем уравновешивающее отверстие 54, то вкладыш 10 образует ограничитель потока для отверстия 54.
Из вышеизложенного ясно, что предложенный в данном изобретении вкладыш 10 может быть установлен с помощью способа, который устраняет опасность деформации смежных колес 52 турбины под действием напряжений изгиба во время процесса развальцовки, поскольку развальцовка вкладыша 10 не требует надавливания на смежное колесо 52. Устранение необходимости оказания давления на смежное колесо 52 также обеспечивает возможность установки вкладыша 10 в первое и последнее колеса секции турбины. Другое преимущество изобретения заключается в том, что вкладыш 12 может быть установлен без деформации или изменения колеса 52, при этом установка включает несложную процедуру, которая может быть выполнена одним рабочим.
Несмотря на то, что данное изобретение описано с точки зрения конкретных вариантов выполнения, очевидно, что специалисты в данной области техники могут использовать другие формы. Например, конфигурация вкладыша 10 и отдельных компонентов, используемых для его установки, а также конфигурация ротора 50 могут отличаться от конфигураций, показанных на прилагаемых чертежах, кроме того, могут использоваться материалы и способы, отличные от указанных. Кроме того, следует понимать, что конец 42 с головкой болта, показанный на фиг.4, и гайка 46, показанная на фиг.5, могут использоваться для приложения достаточного усилия к инструменту 38 с обеспечением развальцовки стенки 32 вкладыша и, таким образом, исключением необходимости в расширяющем устройстве 44. Таким образом, объем правовой охраны данного изобретения ограничен только приведенной ниже формулой изобретения.
Перечень элементов
Вкладыш
10
Корпус
12
Ось
14
Первые концы
16
Вторые концы
18
Фланец
20
Внешняя поверхность
22
Первые каналы
24
Вторые каналы
26
Первое отверстие
28
Отверстие
30
Стенка
32
Резьба
34
Стержень
36
Развальцовочное средство
38
Конец
40
Конец
42
Расширяющее устройство
44
Гайка
46
Ротор
50
Колесо
52
Уравновешивающее отверстие
54
Вал ротора
56
Элемент в соединении «ласточкин хвост»
58
Напорная поверхность
62
Ненапорная поверхность
64.