СЕГМЕНТИРОВАННЫЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ МАЛОРАСХОДНОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ НА ОРГАНИЧЕСКОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к конструкции малорасходных паровых турбин, и может быть использована в малорасходных паротурбинных установках на органическом рабочем теле, как элемент конструкции статора малорасходной паровой турбины.
1. Известна конструкция разделенного на сектора соплового аппарата турбомашины, образованного из цилиндрических секторов, размещенных встык и содержащих, каждый, два коаксиальных сектора кольцевых площадок, соединенных между собой, по существу, радиальными лопатками, и сектор кольцевой опорной направляющей для элементов из истираемого материала, при этом сектор направляющей находится радиально внутри сектора внутренней площадки и сопрягается с внутренней поверхностью этого сектора площадки, при этом каждый сектор соплового аппарата содержит на продольных краях сектора внутренней площадки средства окружного жесткого закрепления, взаимодействующие с соответствующими средствами, предусмотренными на смежном секторе соплового аппарата, отличающийся тем, что продольные края секторов внутренней площадки образуют V-образную форму (Патент №2008149160 СНЕКМА (FR)).
2. Известна конструкция соплового аппарата для турбины, способ установки лопаток в сопловой аппарат и паровая турбина, где сопловой аппарат для турбины содержит лопатку с выполненными за одно целое с ней внутренней и внешней боковыми стенками, а также внутреннее и внешнее кольца. (Патент №2601069 Дженерал Электрик Компани (US))
3. Наиболее близкой является конструкция сегментированного соплового аппарата турбины, содержащее внешнее кольцо, внутреннее кольцо и сегменты сопловых лопаток. Каждый сегмент (36) ограничен сверху конусной поверхностью (112), снизу тоже конусной поверхностью (114), причем вершины конусных поверхностей расположены со стороны входа в сопловой аппарат и лежат на оси симметрии. Со стороны входа каждый сегмент ограничен поверхностью (64) перпендикулярной оси симметрии и со стороны выхода конусной поверхностью (116), вершина которой расположена со стороны входа и лежит на оси симметрии. Между верхней и нижней частью сегмента находится сопловая лопатка, установленная под необходимым углом к оси симметрии. Сегменты собраны в единое целое и соединены сваркой с внутренними кольцами (24, 26) и внешними кольцами (30, 32). Сварка сегментов и колец выполнена с одной стороны соплового аппарата. (Патент 4,092,768 Browning et al)
Основным недостатком устройства по п. 3 является невозможность обеспечения высокого КПД при малых расходах рабочего тела, так как уменьшение расхода в данной конструкции возможно только при парциальном подводе рабочего тела.
Кроме того, каждый сегмент имеет совокупность 4-х поверхностей сложения: (104, 106, 108, 110). Поверхности сложения (104) и (106) образованны радиальными поверхностями. Поверхности сложения (108) и (110) образованны совокупностью радиальных образующих эквидистантных поверхностям спрофилированных поверхностей и имеют сложную пространственную форму, которая в случае малорасходной турбины фактически будет повторять форму спрофилированных каналов, что значительно усложнит конструкцию и потребует точного пространственного изготовления сегмента.
Также недостатком устройства по п. 3. является сложная трудоемкая сборка, требующая специальной оснастки, высокой квалификации персонала и высокой точности изготовления деталей. Сварные швы расположены только со стороны выхода из соплового аппарата, что ведет к осевому прогибу всего соплового аппарата из-за несимметричности сварных швов.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание простой и надежной конструкции соплового аппарата с целью обеспечения малого расхода при высоком КПД устройства для малорасходной паровой турбины на органическом рабочем теле, при этом не требующей специальной оснастки, высококвалифицированного персонала и высокой точности изготовления деталей.
Основной технический результат заявленной полезной модели направлен на повышение КПД устройства при малых расходах рабочего тела в паровой турбине на органическом рабочем теле.
Основной технический результат достигается тем, что предлагаемая конструкция соплового аппарата с использованием сегментов, позволяет выполнить, нижеуказанные, требования к сопловому аппарату высокоэффективной малорасходной паровой турбины:
Геометрия сегментированного соплового аппарата для высокоэффективной малорасходной паровой турбины определяется пропускной способностью:
где:
- высота сопла,
=0,06…0,12
ε < 0,2 - парциальный подвод
1
α ≤ 14° - угол выхода из сегментированного соплового аппарата
cp
D - средний диаметр ступени.
cp
Величина D ограничена:
- Прочностными характеристиками при заданном числе оборотов ротора турбины
- Числом рабочих лопаток первой ступени
cp
D=z⋅B
где:
В - ширина лопатки
z - количество рабочих лопаток
Альтернативный технический результат заявленной полезной модели направлен на снижение трудоемкости изготовления паровой турбины на органическом рабочем теле.
Альтернативный технический результат достигается тем, что конструкция сегмента упрощена за счет приведения сложных пространственных форм прилегающих поверхностей сегментов к простым поверхностям. Сегменты размещены по окружности встык, при этом каждый сегмент имеет с двух сторон простые прилегающие поверхности и спрофилированные каналы. Сегменты свариваются с внешним и внутренним кольцами, которые крепят сегментированный сопловой аппарат к корпусу турбины. Поэтому за счет доступности и простоты поверхностей сегментов возможно снижение трудоемкости при изготовлении и сборке сегментированного соплового аппарата, в том числе предлагаемая конструкция позволяет упростить контроль качества, замер шероховатости и измерение размеров канала за счет доступности обеих сторон сегмента.
Другой альтернативный технический результат заявленной полезной модели направлен на исключение прогиба сегментированного соплового аппарата паровой турбины на органическом рабочем теле.
Альтернативный технический результат достигается тем, что сварка сегментированного соплового аппарата осуществляется в легко доступном месте, поэтому сегменты и кольца имеют симметричные равнопрочные сварные швы, как со стороны входа, так и со стороны выхода из сегментированного соплового аппарата, вследствие чего отсутствует осевой прогиб всего сегментированного соплового аппарата.
Полезная модель поясняется фигурами:
- на Фиг. 1 изображен продольный разрез сегментированного соплового аппарата в сборе, стрелками указаны места кольцевой сварки с внешним и внутренним кольцами;
- на Фиг. 2 изображены сегменты сегментированного соплового аппарата в сборе вид спереди и сзади;
на Фиг. 3 изображено сечение сопла, образованного сегментами сегментированного соплового аппарата;
- на Фиг. 4 изображен сегмент сегментированного соплового аппарата вид со стороны входа потока;
- на Фиг. 5 изображен сегмент сегментированного соплового аппарата вид со стороны выхода потока.
Заявляемый сегментированный сопловой аппарат был испытан в малорасходной паровой турбине Т-500, в составе опытного образца утилизационной паротурбинной установки УУ-500, использующей в качестве источника тепловой энергии теплоту уходящих газов газотурбинных агрегатов, в составе автономного энергоисточника АЭИ МТУ-500 мощностью 500кВт на КС «Северная», в рамках НИОКР «Разработка опытного образца комбинированной парогазовой утилизационной установки для выработки электроэнергии на собственные нужды компрессорных станций». Сегментированный сопловой аппарат имеет 29 сопел, равно распределенных на окружности среднего диаметра 0550. На номинальном режиме давление рабочего тела на входе в турбину составляло величину 0,74…0,76 МПа. Давление рабочего тела на выходе из турбины составляло величину 0,01…0,03 МПа. Расход рабочего тела через сегментированный сопловой аппарат турбины составил величину 13,0…13,5 кг/с.Температура газа на входе в сегментированный сопловой аппарат турбины 450…460 К. По результатам испытаний при номинальной скорости вращения 3000 об/мин обеспечивается надежная работа турбины с максимальной электрической мощностью на клеммах генератора, достигающей величины 493 кВт.
Порядок сборки. Наружное кольцо (2) располагается горизонтально на ровной поверхности стороной входа потока наверх, внутреннее кольцо (3) укладывается горизонтально внутрь наружного кольца по центру стороной входа потока наверх, образуя равномерный зазор между кольцами для сегментов (1). Сегменты (1) раскладываются по направлению вращения (8) между кольцами встык друг к другу по окружности стороной входа потока (4,6) наверх. После проверки равномерности зазоров производится сварка в местах соединения наружного и внутреннего колец с сегментами. Вид сварки, оборудование, схема и режимы сварки выбираются в зависимости от материала колец и сегментов. Сегментированный сопловой аппарат переворачивается стороной выхода потока (5,7) наверх и аналогично предыдущей операции производиться сварка в местах соединения наружного и внутреннего колец с сегментами. Далее выполняется зачистка и контроль качества сварных соединений сегментированного соплового аппарата. Симметричное расположение сварных швов исключает прогиб сегментированного соплового аппарата как при изготовлении, так и при длительной эксплуатации.