НЕПОДВИЖНАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ДИАФРАГМА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
FIXED NOZZLE BLADE OF STEAM TURBINE AND MEMBRANE OF STEAM TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к сопловому узлу паровой турбины или диафрагме. Более конкретно данное изобретение относится к сопловому узлу паровой турбины, содержащему множество сопловых элементов, имеющих дугообразную или «конусообразную» (например, вогнутую или выпуклую) контактные поверхности.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Паровые турбины содержат неподвижные сопловые элементы (или элементы с «аэродинамическим профилем»), которые направляют поток рабочей текучей среды на турбинные лопатки, присоединенные к вращающемуся ротору. В патентном документе GB 918692 описан сопловой элемент, имеющий аэродинамическую часть, которая соединяет отходящие от ее концов и выполненные с ней за одно целое верхнюю и нижнюю стенки. Стенки проходят от аэродинамической части в противоположных направлениях, так что лопатка имеет Z-образную форму. Полный узел сопловых элементов обычно называется диафрагмой паровой турбины. Один способ создания конструкции диафрагмы заключается в приваривании (или как вариант пайке) множества отдельных аэродинамических частей со встроенными боковыми стенками («неподвижных сопловых лопаток» или «одиночных элементов») к внутреннему и наружному кольцам. Каждый из этих одиночных элементов имеет контактные поверхности, к которым приваривают или припаивают смежные одиночные элементы (во внутреннем и наружном кольце). Эти контактные поверхности имеют переднюю осевую кромку (или кромку на «стороне нагнетания»), расположенную параллельно оси паровой турбины, и заднюю изогнутую кромку (или кромку на «стороне всасывания»). Наряду с тем, что современная конструкция такого одиночного элемента, содержащая изогнутые контактные поверхности, обеспечивает плотную посадку отдельных элементов друг с другом, тем не менее, изогнутые контактные поверхности делают практически невозможным демонтаж и ремонт отдельных элементов. Так, например, в патентном документе US 4025229 описана диафрагма паровой турбины, содержащая наружное кольцо, внутреннее кольцо и кольцеобразную конструкцию из неподвижных сопловых элементов (лопаток), расположенную между внутренним и наружным кольцами диафрагмы. Лопатки прикреплены к кольцам с помощью сварных швов, которые являются постоянными и не могут быть удалены без повреждения лопаток и/или колец и без нарушения целостности конструкции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаются сопловые элементы турбины с конусообразными контактными поверхностями. В одном варианте данного изобретения неподвижная сопловая лопатка паровой турбины содержит аэродинамическую часть, внутреннюю боковую стенку, выполненную за одно целое с первой стороной аэродинамической части, наружную боковую стенку, выполненную за одно целое со второй стороной аэродинамической части, причем каждая боковая стенка, внутренняя и наружная, имеет сторону нагнетания с дугообразной вогнутой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, и сторону всасывания с дугообразной выпуклой поверхностью, проходящей ,по существу, по всей длине боковой стенки.
Первый аспект данного изобретения предлагает неподвижную сопловую лопатку паровой турбины, содержащую аэродинамическую часть, внутреннюю боковую стенку, выполненную за одно целое с первой стороной аэродинамической части, и наружную боковую стенку, выполненную за одно целое со второй стороной аэродинамической части, причем каждая боковая стенка, внутренняя и наружная, имеет сторону нагнетания с дугообразной вогнутой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, и сторону всасывания с дугообразной выпуклой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки. При этом дугообразная вогнутая поверхность внутренней боковой стенки и дугообразная вогнутая поверхность наружной боковой стенки дополняют соответственно дугообразную выпуклую поверхность внутренней боковой стенки и дугообразную выпуклую поверхность наружной боковой стенки. Это способствует более простому извлечению лопатки в осевом направлении без повреждения соседних лопаток и без нарушения целостности конструкции, в которой они установлены.
Второй аспект данного изобретения предлагает диафрагму паровой турбины, содержащую наружное кольцо, внутреннее кольцо и кольцеобразную конструкцию из неподвижных сопловых лопаток, расположенную между внутренним и наружным кольцами диафрагмы, причем каждая из указанных лопаток содержит аэродинамическую часть, внутреннюю боковую стенку, выполненную за одно целое с первой стороной аэродинамической части, и наружную боковую стенку, выполненную за одно целое со второй стороной аэродинамической части, причем каждая боковая стенка, внутренняя и наружная, имеет сторону нагнетания с дугообразной вогнутой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, и сторону всасывания с дугообразной выпуклой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, при этом по меньшей мере одна из указанных лопаток прикреплена с возможностью демонтажа к второй из указанных лопаток.
Третий аспект данного изобретения предлагает диафрагму паровой турбины, содержащую наружное кольцо, внутреннее кольцо и кольцеобразную конструкцию из неподвижных сопловых лопаток, расположенную между внутренним и наружным кольцами диафрагмы, причем каждая из указанных лопаток содержит аэродинамическую часть, внутреннюю боковую стенку, выполненную за одно целое с первой стороной аэродинамической части, и наружную боковую стенку, выполненную за одно целое со второй стороной аэродинамической части, причем каждая боковая стенка, внутренняя и наружная, имеет сторону нагнетания с дугообразной вогнутой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, и сторону всасывания с дугообразной выпуклой поверхностью, проходящей, по существу, по всей длине боковой стенки, при этом по меньшей мере одна из указанных лопаток прикреплена с возможностью демонтажа к второй из указанных лопаток в осевом направлении, и множество сварных соединений, которые выполнены с возможностью разъединения и каждое из которых, по существу, прикрепляет с возможностью отсоединения одну из указанных лопаток к наружному или внутреннему кольцу диафрагмы.
Прикрепление лопатки с возможностью демонтажа ко второй, соседней лопатке (например, путем удерживания ее с помощью трения или удаляемых сварных соединений) и к кольцам диафрагмы (с помощью удаляемых сварных соединений, например прихваточных швов) повышает надежность фиксации лопатки в конструкции с одновременным упрощением ее извлечения без повреждения лопаток и/или колец диафрагмы и без нарушения целостности конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие свойства данного изобретения будут более понятны из последующего подробного описания его различных аспектов в сочетании с сопроводительными чертежами, которые изображают различные варианты выполнения данного изобретения и на которых:
фиг.1 показывает вид сверху соплового узла паровой турбины;
фиг.2 показывает вид в аксонометрии соплового узла паровой турбины;
фиг.3 показывает частичный вид в аксонометрии диафрагмы паровой турбины;
фиг.4 показывает вид в аксонометрии неподвижной сопловой лопатки паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения;
фиг.5 и 6 показывают виды в аксонометрии множества неподвижных сопловых лопаток паровой турбины в соответствии с вариантами выполнения;
фиг.7 показывает частичный вид в аксонометрии диафрагмы паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения.
Отметим, что чертежи данного изобретения выполнены не в масштабе. Данные чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов данного изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем правовой охраны данного изобретения. На данных чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как указано выше, аспекты данного изобретения предлагают элемент сопла паровой турбины с конусообразной контактной поверхностью. Более конкретно аспекты данного изобретения предлагают сопловой узел паровой турбины, содержащий множество сопловых элементов с дугообразными или «конусообразными» (например, вогнутыми или выпуклыми) контактными поверхностями. Указанные дугообразные контактные поверхности могут позволить извлечь и/или отремонтировать отдельные сопловые элементы при поддержании, по существу, целостности конструкции соплового узла.
Обратимся к чертежам, где на фиг.1 и 2 показан сопловой узел 100 для паровой турбины (не показана). Фиг.1 показывает вид сверху узла 100, тогда как фиг.2 показывает схематически узел 100 в аксонометрии. Узел 100 содержит неподвижную сопловую лопатку 10, имеющую по меньшей мере одну аэродинамическую часть 12, содержащую внутреннюю боковую стенку 14 и наружную боковую стенку 16. Узел 100 дополнительно содержит внутреннее кольцо 18 и наружное кольцо 20. Под формулировкой «внутреннее» и «наружное» в данном документе понимается радиальное положение относительно ротора (не показан), к которому посредством внутреннего кольца 18 прикреплен внутренний конец аэродинамической части 12. Внутреннее кольцо 18 и внутренняя боковая стенка 14 (и аналогично наружное кольцо 20 и наружная стенка боковая 16) соединены вместе у контактной поверхности 80, под которой в данном документе понимается вся площадь, на которой кольца и боковая стенка прилегают и соединяются друг с другом. Внутреннее кольцо 18 и внутренняя боковая стенка 14 (и аналогично наружное кольцо 20 и наружная боковая стенка 16) соединены вместе сваркой (или в альтернативном варианте пайкой) в нескольких точках контактной поверхности 80 (фиг.1). Следует понимать, что как изложено в данном документе, вместо сварки может быть выполнена пайка. В данной области техники известно, что для соединения металлов может использоваться сварка и пайка. Также известно, что сварка может выполняться сплавлением металлов, обычно с добавлением наполнителя. В отличие от сварки пайка обычно не включает плавление соединяемых основных металлов и, как правило, выполняется при более низкой температуре. Несмотря на то, что металлические соединения рассматриваются в данном документе как «сварные соединения», следует понимать, что эти металлические соединения как вариант могут рассматриваться как «паяные соединения».
На фиг.1 множественные зоны сварки контактной поверхности 80 как на входной (передней) стороне аэродинамической части 12, так и на выходной (задней) стороне аэродинамической части, которые сварены вместе, показаны, в целом, как сварные соединения 90 на фиг.1 и 2. Каждая контактная поверхность 80 между кольцами 18, 20 и боковыми стенками 14, 16 может содержать механический радиальный упор 19, который поддерживает аэродинамическую часть 12 в надлежащем радиальном положении во время сварки и предотвращает усадочную деформацию сварного шва. Каждая контактная поверхность 80 может дополнительно содержать механический осевой упор 17, который поддерживает аэродинамическую часть 12 в надлежащем осевом положении и регулирует продольную глубину сварного шва. Указанные механические упоры 17, 19 имеют соединение, состоящее из ряда охватываемых ступенчатых выступов, взаимодействующих с соответствующими охватывающими ступенчатыми выступами дополняющей детали, как будет изложено более подробно в дальнейшем.
На фиг.3 показанный на фиг.2 узел 100 дополнительно содержит множество неподвижных сопловых лопаток 10, расположенных на участке диафрагмы (вся диафрагма не показана для ясности изображения). Как показано на чертеже, боковые стенки 14, 16 лопаток 10 могут иметь расположенные под углом контактные поверхности 34 (например, «резко изогнутую» контактную поверхность, содержащую две поверхности, расположенные под тупыми углами). Указанные расположенные под углом поверхности 34 позволяют расположить множество неподвижных сопловых лопаток, по существу, заподлицо друг с другом в узле 100. Как показано на чертеже, лопатки 10 удерживаются между внутренней боковой стенкой 18 и наружной боковой стенкой 20 посредством множества сварных швов 90.
На фиг.4 показана неподвижная сопловая лопатка 110 паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения. Лопатка 110 может содержать аэродинамическую часть 112, внутреннюю боковую стенку 114 и наружную боковую стенку 116. Как показано на чертеже, внутренняя боковая стенка 114 может составлять единое целое с первой стороной аэродинамической части 112 (например, может быть выполнена посредством механической обработки из кованой заготовки или бруска, сваркой, литьем, пайкой и т.д.), а наружная боковая стенка 116 может составлять единое целое со второй стороной аэродинамической части 112 (например, может быть выполнена путем механической обработки из кованой заготовки или бруска, сваркой, литьем, пайкой и т.д.). Каждая боковая стенка 114 и 116, внутренняя и наружная, может иметь сторону 124 нагнетания и сторону 126 всасывания. Термины «сторона нагнетания» и «сторона всасывания» относятся соответственно к стороне нагнетания и стороне всасывания аэродинамической части 112. Как известно в данной области техники, сторона нагнетания аэродинамической части 112 представляет собой сторону высокого давления, предназначенную для направления потока рабочей текучей среды через лопатку 110. Как дополнительно известно в данной области техники, сторона всасывания аэродинамической части 112 представляет собой сторону низкого давления, расположенную, по существу, напротив стороны нагнетания. Каждая сторона 124 нагнетания может иметь дугообразную вогнутую поверхность 134, а каждая сторона 126 всасывания может иметь дугообразную выпуклую поверхность 136. В одном варианте выполнения вогнутая поверхность 134 может проходить , по существу, по всей длине L боковой стенки 114, 116 соответственно, и выпуклая поверхность 136 может проходить, по существу, по всей длине L боковой стенки 114, 116 соответственно. В одном варианте выполнения вогнутая поверхность 134 внутренней боковой стенки 114 имеет радиус дуги, по существу, равный радиусу дуги выпуклой поверхности 136 внутренней боковой стенки 114. Кроме того, в этом варианте выполнения вогнутая поверхность 134 наружной боковой стенки 116 и выпуклая поверхность 136 наружной боковой стенки 116 могут иметь, по существу, равный радиус дуги. Дополнительно в этом варианте выполнения вогнутые поверхности 134 внутренней боковой стенки 114 и наружной боковой стенки 116 соответственно могут иметь длину дуги, по существу, равную длине дуги вогнутых поверхностей 136 внутренней боковой стенки 114 и наружной боковой стенки 116 соответственно.
В соответствии с фиг.4 в одном варианте выполнения вогнутая поверхность 134 внутренней боковой стенки 114 и вогнутая поверхность 134 наружной боковой стенки 116 дополняют соответственно выпуклую поверхность 136 внутренней боковой стенки 114 и выпуклую поверхность 136 наружной боковой стенки 116. То есть в устройстве, содержащем более одной неподвижной сопловой лопатки 110 паровой турбины (фиг.5 - 7), выпуклая поверхность 136 внутренней боковой стенки 114 первой лопатки 110 дополняет вогнутую поверхность 134 внутренней боковой стенки 114 второй аналогичной лопатки 110. Подобным образом выпуклая поверхность 136 наружной боковой стенки 116 первой лопатки 110 паровой турбины дополняет вогнутую поверхность 134 наружной боковой стенки 116 второй аналогичной лопатки 110 паровой турбины. Следует понимать, что используемый в данном документ термин «дополнять» (дополняет) обозначает взаимодействие поверхностей, при котором часть этих поверхностей может располагаться, по существу, заподлицо друг с другом. Например, в одном варианте выполнения поверхности на стороне нагнетания (вогнутые) и поверхности на стороне всасывания (выпуклые) могут быть расположены в диафрагме паровой турбины (фиг.7) так, что каждая из соответствующих (внутренней, наружной) вогнутых поверхностей первой лопатки 110, по существу, расположена на одном уровне с соответствующими (внутренними, наружными) выпуклыми поверхностями второй лопатки 110. Взаимосвязь между поверхностями на стороне нагнетания и поверхностями на стороне всасывания дополнительно рассмотрена со ссылкой на фиг.5 - 7.
На фиг.5 и 6 показана конструктивная конфигурация, содержащая множество, по существу, одинаковых неподвижных сопловых лопаток 110 паровой турбины. В этой конфигурации лопатки 110 могут быть расположены так, что их дополняющие поверхности (вогнутые поверхности 134 и выпуклые поверхности 136 соответственно), по существу, находятся заподлицо друг с другом. Такое решение может обеспечить, среди прочего, эффективную подачу пара на аэродинамические части 112 и механическую прочность. Фиг.6 показывает конфигурацию, содержащую лопатки 110 паровой турбины, показанные на фиг.5, вместе с дополнительными, , по существу, аналогичными лопатками, образующие часть диафрагмы паровой турбины (кольца диафрагмы не показаны). Как изложено со ссылкой на фиг.5 и более четко показано на фиг.6, часть диафрагмы паровой турбины может быть выполнена путем размещения взаимодополняющих конусообразных поверхностей лопаток 110 заподлицо друг с другом. Как будет изложено со ссылкой на фиг.7, в более полной диафрагме лопатки 110 могут быть прикреплены друг к другу в осевом направлении (обозначенном символом «А») с возможностью демонтажа. Указанное соединение с возможностью демонтажа позволит извлечь в осевом направлении одну или более лопаток 110 из данного узла без существенного нарушения целостности конструкции (например, сварных соединений 190) оставшейся части данного узла.
На фиг.7 показана часть диафрагмы 200 паровой турбины в соответствии с вариантом выполнения. Часть диафрагмы 200 может содержать множество неподвижных сопловых лопаток 110 паровой турбины, расположенных, по существу, так, что дополняющие поверхности находятся заподлицо друг с другом, как изложено со ссылкой на фиг.5 - 6. Кроме того, часть диафрагмы 200 может содержать внутреннее кольцо 118 диафрагмы и наружное кольцо 120 диафрагмы, которые могут быть, по существу, аналогичными внутреннему и наружному кольцам (18 и 20), показанным и описанным со ссылкой на фиг.1 - 3. В завершенной диафрагме (не показана для ясности) лопатки 110 могут образовывать кольцеобразную конструкцию между внутренним кольцом 118 и наружным кольцом 120 диафрагмы. При такой компоновке лопатки 110 могут быть прикреплены друг к другу с возможностью демонтажа. Кроме того, лопатки 110 могут быть прикреплены  по существу, с возможностью отсоединения по меньшей мере к одному из внутреннего кольца 118 и наружного кольца 120 диафрагмы с помощью удаляемых сварных соединений 190. То есть, если лопатка 110 не прикреплена по меньшей мере к одному кольцу, внутреннему 118 или наружному 120, то лопатка 110 может быть извлечена из диафрагмы 200 без разрушения сварных соединений 190 одной или более смежных лопаток 110.
В узле 100, показанном на фиг.3, при полной сборке и сварке (или как вариант пайке) кольцеобразной конструкции лопаток 10 отдельные лопатки 10 не могут быть извлечены из узла 100 без удаления множества лопаток 10 (и их соответствующих сварных соединений 90 или паяных соединений). Это обусловлено тем, что расположенные под углом контактные поверхности 34 (фиг.3) лопаток 10 препятствуют перемещению смежных лопаток 10, даже при удалении сварного соединения 90. Более конкретно, как показано на фиг.3, расположенные под углом контактные поверхности 34 лопаток 10 препятствуют перемещению этих лопаток в осевом направлении (А). В противоположность этому лопатки 110 в варианте выполнения (например, показанном на фиг.7) прикреплены друг другу с возможностью демонтажа. То есть каждая лопатка 110, которая не прикреплена сваркой к одному кольцу, внутреннему 118 или наружному 120, может быть извлечена или вставлена между двумя закрепленными (например, сваркой) лопатками 110 в осевом направлении (А). Другими словами, в диафрагме 200 паровой турбины каждая лопатка 110 может быть прикреплена с возможностью демонтажа к смежной лопатке 110 в осевом направлении. Кроме того, в одном варианте выполнения каждая лопатка 110, по существу, прикреплена с возможностью извлечения по меньшей мере к одному кольцу, внутреннему 118 или наружному 120, посредством лишь множества удаляемых сварных соединений 190 (или как вариант паяных соединений).
Лопатка 110, имеющая конусообразные (вогнутую, выпуклую) контактные поверхности, как изложено в данном документе, может позволить извлекать отдельные лопатки 110 из узла (например, диафрагмы 200 паровой турбины) путем удаления (например, зачисткой, механической обработкой и/или нагревом) только тех сварных соединений 190 (или паяных соединений), которые связаны с конкретной извлекаемой лопаткой. Такое решение может обеспечить, среди прочего, более быстрый и более эффективный ремонт, замену и/или доработку отдельных лопаток 110.
Терминология, используемая в данном документе, применяется только с целью описания конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения данного описания. Подразумевается, что используемые в данном документе формы единственного числа также охватывают и формы множественного числа, если в контексте с очевидностью не указано иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» определяют наличие указанных свойств, целых чисел, этапов, операций, частей и/или элементов, но не исключают наличие или добавление одного или более других свойств, целых чисел, этапов, операций, частей, элементов и/или их сочетания.
В данном изложенном описании используются примеры, описывающие данное изобретение, содержащие предпочтительные варианты выполнения, а также обеспечивающие возможность любому специалисту в данной области техники осуществить на практике данное изобретение, включая создание и использование любых устройств или систем, а также реализацию любых соответствующих способов. Объем правовой охраны данного изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые очевидны специалистам в данной области техники. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны данной формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат равноценные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.
Перечень элементов
10 Неподвижная сопловая лопатка
12 Аэродинамическая часть
14 Внутренняя боковая стенка
16 Наружная боковая стенка
17 Механический осевой упор
18 Внутреннее кольцо
19 Механический радиальный упор
20 Наружное кольцо
34 Расположенные под углом поверхности
80 Контактная поверхность
90 Сварные соединения
100 Сопловой узел
110 Неподвижная сопловая лопатка
112 Аэродинамическая часть
114 Внутренняя боковая стенка
116 Наружная боковая стенка
118 Внутреннее кольцо диафрагмы
120 Наружное кольцо диафрагмы
124 Сторона нагнетания
126 Сторона всасывания
134 Дугообразная вогнутая поверхность
136 Дугообразная выпуклая поверхность
190 Удаляемые сварные соединения
200 Диафрагма паровой турбины
L Длина боковой стенки
А Осевое направление