ПАРОВАЯ ТУРБИНА
STEAM TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение относится в целом к паровым турбинам и, более конкретно, к проточному каналу наружного корпуса паровой турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Паровые турбины часто имеют очень большие размеры и, следовательно, большой физический вес. Кроме того, паровые турбины работают при высоких температурах, что создает ряд проблем. Одна проблема заключается в обеспечении надлежащей тепловой реакции компонентов, например наружного корпуса. Обычно наружные корпусы паровых турбин не содержат какой-либо специальной системы теплового реагирования, кроме предусмотренной протечки некоторого количества пара и поддержания конкретных параметров пара в ступенях. Однако при указанных способах теплового реагирования применяют пар при повышенной температуре. Один подход, обеспечивающий улучшение тепловой реакции, заключается в расположении выпускного отверстия наружного корпуса посередине нижней половины указанного корпуса. К сожалению, данная конфигурация не влияет на ту область наружного корпуса, которая отвечает за зазоры.
[0003] Другая проблема заключается в обеспечении надлежащей величины зазора между наружным и внутренним корпусами для обеспечения предотвращения контакта между ними, вызванного относительным тепловым расширением компонентов корпусов по мере их увеличения при высоких температурах эксплуатации. В большинстве паровых турбин проблема относительного теплового расширения решена путем создания достаточного зазора между компонентами корпуса для обеспечения разрешения любой, самой неблагоприятной ситуации. Тем не менее, указанный последний подход ведет к увеличению размера установки и может повысить ее физическую массу. Другой подход к решению проблемы зазоров заключается в применении нагревающих кожухов для нагрева наружного корпуса перед запуском.
Так, в патенте США №6422807 на имя Leach и др. описан способ управления турбиной, имеющей ротор с разнесенными вдоль оси лопатками, формирующими части ступени турбины, наружный корпус, внутренний корпус вокруг ротора, содержащий сопловые лопатки, формирующие другие части указанной ступени турбины, и бандаж вокруг соответствующих концов лопаток указанной ступени, и проточный канал, образованный во внутреннем корпусе для протекания теплоносителя для управления тепловыми изменениями внутреннего корпуса. В известном способе последовательно пропускают теплоноситель через (I) участки проточного канала внутреннего корпуса в первом осевом месте, соответствующем участку в осевом месте во второй ступени указанной турбины, (II) вперед вдоль внутреннего корпуса из первого осевого места к участкам проточного канала внутреннего корпуса во втором месте, соответствующем участку в осевом месте в первой ступени турбины, и (III) назад вдоль внутреннего корпуса из второго осевого места к участкам проточного канала внутреннего корпуса в первом осевом месте для управления температурным радиальным расширением и сжатием внутреннего корпуса и зазором между кончиками лопаток и бандажом в первой и во второй ступенях.
Однако в известном решении теплоноситель циркулирует в проточных каналах внутреннего корпуса между ступенями турбины, направляясь в(из) корпус(а) через соответствующие отверстия, соединяющие этот корпус с источником. Таким образом, что, несмотря на то, что такое решение обеспечивает управление температурой между ступенями турбины, оно не является эффективным для управления температурным радиальным расширением и сжатием внутреннего корпуса относительно наружного корпуса со всеми проблемами, которые возникают при этом для уплотнений между корпусами. Настоящее изобретение направлено на решение такой проблемы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В первом аспекте изобретения предложена паровая турбина, содержащая турбинную секцию с ротором, внутренний корпус, окружающий турбину и имеющий верхний по потоку конец, нижний по потоку конец и выпускное отверстие, расположенное у указанного нижнего по потоку конца и обеспечивающее возможность выпуска отработанного пара из внутреннего корпуса, наружный корпус, окружающий внутренний корпус и имеющий выпускное отверстие, расположенное смежно с верхним по потоку концом внутреннего корпуса, и проточный канал, который расположен между внутренним корпусом и наружным корпусом и через который отработанный пар проходит от выпускного отверстия внутреннего корпуса к выпускному отверстию наружного корпуса.
[0005] Во втором аспекте изобретения предложена паровая турбина, содержащая турбинную секцию с ротором, внутренний корпус, окружающий турбину и имеющий верхний по потоку конец, нижний по потоку конец и выпускное отверстие, расположенное у нижнего по потоку конца и обеспечивающее возможность выпуска отработанного пара из внутреннего корпуса, наружный корпус, окружающий внутренний корпус и имеющий выпускное отверстие, расположенное смежно с верхним по потоку концом внутреннего корпуса, проточный канал, который расположен между внутренним корпусом и наружным корпусом и через который отработанный пар проходит от выпускного отверстия внутреннего корпуса к выпускному отверстию наружного корпуса, и перегораживающий элемент, расположенный в проточном канале между внутренним корпусом и наружным корпусом, причем конец наружного корпуса, смежный с выпускным отверстием внутреннего корпуса, имеют форму, обеспечивающую возможность направления отработанного пара из указанного отверстия в проточный канал.
[0006] В третьем аспекте изобретения предложено устройство, содержащее дугообразный перегораживающий элемент, который имеет наружный участок, обеспечивающий возможность соединения с внутренней частью наружного корпуса паровой турбины, и внутренний участок, обеспечивающий возможность соединения с наружной частью внутреннего корпуса паровой турбины, при этом дугообразный перегораживающий поток элемент обеспечивает протекание потока пара в определенном направлении между внутренним и наружным корпусами.
[0007] Иллюстративные аспекты данного изобретения предназначены для решения описанных в данном документе проблем и/или других проблем, не рассматриваемых в данном документе.
Тем самым, в результате использования предложенного в настоящем изобретении технического решения обеспечивается возможность применения более широкого диапазона материалов для изготовления наружного корпуса. В связи с этим, использование материалов более низкого качества приводит к сокращению производственных затрат. Благодаря управлению температурным радиальным расширением и сжатием внутреннего корпуса относительно наружного корпуса уменьшаются зазоры и повышается общая производительность паровой турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Эти и другие особенности данного изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания различных аспектов изобретения при его рассмотрении совместно с сопроводительными чертежами, которые изображают различные варианты выполнения изобретения и на которых:
[0009] фиг. 1 изображает продольный разрез паровой турбины, имеющей проточный канал в соответствии с вариантами выполнения изобретения,
[0010] фиг. 2 изображает продольный разрез паровой турбины, имеющей проточный канал и перегораживающий элемент в соответствии с вариантами выполнения изобретения,
[0011] фиг. 3 изображает поперечный разрез паровой турбины, имеющей проточный канал и перегораживающий элемент в соответствии с вариантами выполнения изобретения,
[0012] фиг. 4 изображает поперечный разрез паровой турбины, имеющей проточный канал и перегораживающий элемент в соответствии с альтернативными вариантами выполнения изобретения.
[0013] Следует отметить, что приведенные чертежи выполнены не в масштабе. Данные чертежи предназначены для отображения только типичных аспектов изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. На чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] В соответствии с чертежами на фиг. 1 изображен продольный разрез одного варианта выполнения паровой турбины 100. Паровая турбина 100 содержит турбинную секцию 101, в состав которой входит ротор 102, содержащий вращающийся вал 104 и разнесенные в осевом направлении рабочие колеса 106. Понятно, что к каждому рабочему колесу 106, расположенному во внутреннем корпусе 122, механически присоединены вращающиеся рабочие лопатки (не показаны). Более конкретно, указанные лопатки расположены рядами, которые проходят в периферическом направлении по окружности каждого колеса 106. Кроме того, понятно, что вокруг расположенного во внутреннем корпусе 122 вала 104 проходят в периферическом направлении неподвижные лопатки (не показаны), которые расположены в осевом направлении между соседними рядами рабочих лопаток. Неподвижные лопатки во взаимодействии с рабочими лопатками образуют ступень турбины и ограничивают часть канала для протекания рабочего пара через турбинную секцию 101. В процессе эксплуатации пар поступает в паровпускное отверстие 110 секции 101 и направляется через неподвижные лопатки. Как показано на чертеже, паровпускное отверстие 110 расположено между верхним по потоку концом 130 и нижним по потоку концом 132 внутреннего корпуса 122 (а также наружного корпуса 120) и предназначено для подачи рабочего пара во внутренний корпус 122. Неподвижные лопатки обеспечивают направление пара вниз по потоку к рабочим лопаткам. Пар проходит через остальные ступени с приложением усилия к рабочим лопаткам и обеспечением, таким образом, вращения вала 104. По меньшей мере один конец паровой турбины 100 может проходить в осевом направлении от ротора 102 и может быть прикреплен к нагрузке или механизму (не показаны), например, но без ограничения этим, к динамоэлектрической установке, такой как генератор или двигатель, и/или к другой турбине.
[0015] Паровая турбина 100 также содержит наружный корпус 120, проходящий вокруг внутреннего корпуса 122. Как отмечено выше, внутренний корпус 122 проходит вокруг турбинной секции 101. Понятно, что каждый из корпусов 120, 122 может быть выполнен из полукруглых частей, соединенных по горизонтальной средней линии, причем на чертежах изображены верхние половины наружного и внутреннего корпусов. Внутренний корпус 122 может содержать переднюю и заднюю насадные части, установленные с возможностью радиального сужения и расширения относительно наружного корпуса 120. Как частично отмечено выше, внутренний корпус 122 имеет верхний по потоку конец 130, нижний по потоку конец 132 и выпускное отверстие 134. Выпускное отверстие 134 внутреннего корпуса 122 может представлять собой любой проем, расположенный у конца 132 корпуса 122 и обеспечивающий возможность выпуска пара из указанного корпуса 122. Используемые в данном документе выражения «верхний по потоку» и «нижний по потоку» указывают на местоположение относительно направления потока рабочего пара через турбинную секцию 101, который на фиг. 1 и фиг. 2 изображен проходящим слева направо.
[0016] В отличие от обычных паровых турбин, наружный корпус 120 имеет выпускное отверстие 140, расположенное смежно с верхним по потоку концом 130 внутреннего корпуса 122. Обычно выпускные отверстия наружного корпуса расположены смежно с выпускным отверстием 134 внутреннего корпуса (то есть непосредственно за ним или в радиальном наружном направлении относительно него). Расположение отверстия 140 смежно с входным концом 130 обеспечивает образование между внутренним корпусом 122 и наружным корпусом 120 проточного канала 144, по которому отработанный пар проходит в направлении от выпускного отверстия 134 внутреннего корпуса к выпускному отверстию 140 наружного корпуса. Используемое в данном документе выражение «смежный» означает расположение около входного конца 130 или в непосредственной близости от него, например либо выше по потоку, либо немного ниже по потоку от входного конца 130. Выпускное отверстие 140 наружного корпуса может быть расположено в радиальном наружном направлении относительно по меньшей мере части входного конца 130 внутреннего корпуса 122. В одном варианте выполнения конец 142 наружного корпуса 120, смежный с выпускным отверстием 134 внутреннего корпуса, имеет форму, которая обеспечивает направление отработанного пара из указанного отверстия 134 к каналу 144, например изогнутую, изогнутую с образованием лопаток или имеющую другую конфигурацию, обеспечивающую направление пара к каналу 144.
[0017] Пар в проточном канале 144 протекает в направлении вверх по потоку относительно потока рабочего пара в турбинной секции 101, то есть в целом справа налево на фиг. 1 и 2 - навстречу потоку рабочего пара в секции 101. Следовательно, отработанный пар в канале 144 протекает по внутренней поверхности 150 наружного корпуса 120 и наружной поверхности 152 внутреннего корпуса 122 с обеспечением охлаждения каждого корпуса. В частности, канал 144 обеспечивает возможность поддержания каждой из температур наружного корпуса 120 и внутреннего корпуса 122 в соответствии с температурой ротора 102. Используемое в данном документе выражение «в соответствии» означает, что в случае повышения температуры ротора температура наружного и внутреннего корпусов также повышается, так что относительное перемещение между ротором и корпусами сведено к минимуму. Аналогичным образом, в случае понижения температуры ротора температура наружного и внутреннего корпусов также понижается. С технической точки зрения, полученная более низкая температура корпуса обеспечивает возможность применения более широкого диапазона материалов для изготовления наружного корпуса 120. Кроме того, варианты выполнения изобретения очень просты для реализации, а также исключают необходимость в дополнительных компонентах и, соответственно, риск выхода таких компонентов из строя. Более того, возможность использования материалов более низкого качества приводит к сокращению производственных затрат. Уменьшение зазоров повышает общую производительность паровой турбины 100.
[0018] В соответствии с фиг. 2-4, в дополнительном варианте выполнения, в проточном канале 144 между внутренним корпусом 122 и наружным корпусом 120 расположен перегораживающий элемент 160, 260. Указанный элемент 160, 260 может иметь любую форму, обеспечивающую протекание потока пара в определенном направлении между внутренним корпусом 122 и наружным корпусом 120, но обычно является дугообразным, как показано на фиг. 3 и 4, которые изображают разрезы по линии А-А на фиг. 2. Перегораживающий элемент 160, 260 может быть изготовлен из любого известного в настоящее время или созданного впоследствии материала, способного выдерживать режимы эксплуатации паровой турбины 100, например из стали. Как лучше всего видно на фиг. 2, элемент 160, 260 направляет отработанный пар к нижней части 164 канала 144, расположенного между внутренним корпусом 122 и наружным корпусом 120. Активное охлаждение наружного корпуса 120 обеспечивает уменьшение необходимых осевых зазоров между неподвижными и вращающимися частями, что повышает производительность. Как показано на чертеже, в одном варианте выполнения перегораживающий элемент 160, 260 расположен непосредственно за выпускным отверстием 140 наружного корпуса (то есть относительно направления потока рабочей текучей среды в турбинной секции 101). Однако данное местоположение может не является обязательным во всех случаях. В одном варианте выполнения элемент 160, 260 содержит дугообразную перегородку, проходящую между внутренним корпусом 122 и наружным корпусом 120 в периферическом направлении по дуге от приблизительно 160° до приблизительно 220°, а в частном варианте выполнения перегородка 160, 260 проходит в периферическом направлении между корпусами по дуге приблизительно 200° (показано пунктирными линиями на фиг. 3 и 4).
[0019] Как показано на фиг. 3 и 4, дугообразный элемент 160, 260 имеет наружный участок 170, обеспечивающий возможность соединения с внутренней частью 172 (например с поверхностью 150 (фиг. 2) или другой внутренней конструкцией) наружного корпуса 120, и внутренний участок 174, обеспечивающий возможность соединения с наружной частью 176 (например с поверхностью 152 (фиг. 2) или другой наружной конструкцией) внутреннего корпуса 122. Следовательно, радиальная длина L дугообразного элемента 160, 260 (обозначена только на фиг. 3) приблизительно соответствует промежутку между внутренней частью 172 наружного корпуса 120 и наружной частью 176 внутреннего корпуса 122. Могут использоваться любые известные в настоящее время или разработанные впоследствии способы соединения компонентов в паровой турбине 100 и обеспечения соответствующего теплового расширения, например механические соединения, сварка, скользящие соединения и т.д. Изображенный на фиг. 3 перегораживающий элемент 160 соединен с внутренним корпусом 122 с помощью вышеуказанных способов. В альтернативном варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, перегораживающий элемент 260 выполнен за одно целое с внутренним корпусом 122, то есть составляет часть указанного корпуса.
[0020] Используемая в данном документе терминология применяется исключительно для описания конкретных вариантов выполнения и не должна считаться ограничивающей изобретение. Подразумевается, что используемые формы единственного числа также охватывают формы множественного числа, если из контекста с очевидностью не следует иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» указывают на наличие перечисленных признаков, чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0021] Подразумевается, что в приведенной ниже формуле изобретения указание на соответствующие конструкции, материалы, действия и эквиваленты всех элементов, обозначающих средство и функцию или этап и функцию, охватывает любую конструкцию, материал или действие для выполнения указанной функции в сочетании с другими элементами, заявленными в конкретных пунктах формулы изобретения. Описание данного изобретения приведено в иллюстративных и описательных целях и не должно считаться исчерпывающим или ограниченным рамками изложенного описания. Специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения. Выбранный и описанный вариант выполнения наилучшим образом поясняет принципы и практическое применение изобретения и дает возможность другим специалистам понять изобретение с точки зрения различных вариантов выполнения с различными модификациями, которые соответствуют предполагаемому варианту применения.