ПОВОРОТНАЯ РЕГУЛИРУЮЩАЯ ДИАФРАГМА ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
TURNING CONTROL DIAPHRAGM OF EXTRACTION STEAM TURBINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при проектировании и модернизации конструкций теплофикационных паровых турбин, что позволяет повысить экономичность турбины за счет снижения протечек через закрытые регулирующие диафрагмы в процессе длительной эксплуатации на теплофикационных режимах, а также снизить эрозионный износ рабочих лопаток на режимах с влажным паром перед регулирующими диафрагмами.
Известно устройство поворотной регулирующей диафрагмы части низкого давления теплофикационной паровой турбины, содержащее собственно диафрагму и на входе в нее поворотное кольцо с паровыми каналами, приводимое во вращение сервоприводом и опирающееся на диафрагму по кольцевым контактным поверхностям с образованием осевого зазора между направляющими лопатками диафрагмы и паровыми каналами поворотного кольца для предотвращения заклинивания и истирания, а также снижения нагрузок на сервопривод (Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.193-197, рис.1.2).
Недостатком известного технического решения являются значительные протечки пара через зазор между поворотным кольцом и диафрагмой в положении ее полного закрытия, существенно ухудшающие экономичность теплофикационных режимов.
Известна поворотная регулирующая диафрагма теплофикационной паровой турбины, в которой с целью сохранения экономичности турбины на теплофикационных режимах уменьшение протечек через закрытые диафрагмы достигается за счет повышения гибкости поворотного кольца выполнением в нем со стороны подвода пара между паровыми каналами от внутренней до наружной поверхности сквозных пазов, боковые поверхности которых параллельны соседним боковым поверхностям паровых каналов, а площадь сечения поворотного кольца по радиусу паза составляет не менее площади сечения кольца по радиусу канала, при этом минимальная толщина кольца между боковыми поверхностями канала и паза равна радиусу сопряжения боковой поверхности канала с торцовой поверхностью кольца, составляющего 0,16-0,20 от гидравлического диаметра канала (Поворотная регулирующая диафрагма теплофикационной паровой турбины. А.с. №1592524 A1 F01D 25/24. Опубл. Б.И. №34, 15.09.90.).
По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатками устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, являются следующие факторы: увеличение гибкости поворотного кольца сквозными пазами по всей ширине не учитывает распределение протечек по периметру паровых каналов и ослабляет силовые элементы поворотного кольца, воспринимающие вращающий момент от сервопривода; поскольку поворотное кольцо периферийной зоной опирается на обод диафрагмы, жестко закрепленный в корпусе цилиндра низкого давления и препятствующий деформации от температуры и давления пара, а центральной зоной поворотное кольцо опирается на тело диафрагмы, также жестко закрепленное в обтекателе камеры паровпуска, наличие пазов в этих зонах не способствует увеличению плотности регулирующей диафрагмы, так как основная протечка совершается через контактную зону вдоль паровых каналов, где ее ширина имеет минимальную величину; на конденсационных режимах с большими расходами пара, когда регулирующая диафрагма полностью открыта, наличие в поворотном кольце пазов, обращенных навстречу паровому потоку, вызывает увеличение гидравлического сопротивления при входе пара в межлопаточные каналы направляющего аппарата диафрагмы и ухудшает экономичность турбины.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.
Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило сформулировать в заявляемом устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению рассматриваемому заявителем технического результату, изложенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Поворотные регулирующие диафрагмы выполняют три функции. Первая функция - формирование в положении полного открытия диафрагм на конденсационных режимах каналов для прохода пара аэродинамически совершенной формы с минимальными гидравлическими потерями. Вторая функция - функция регулирующего органа, который обеспечивает увеличение тепловой нагрузки турбоустановки за счет расхода пара в сетевые подогреватели и сокращения его через проточную часть низкого давления при вращении поворотного кольца и уменьшении входного проходного сечения в межлопаточные каналы диафрагмы. Третья функция - функция запорного органа реализуется на режимах максимальной тепловой нагрузки, когда поворотное кольцо полностью закрывает межлопаточные каналы и весь пар из части среднего давления направляется в сетевые подогреватели. На этом режиме тепловое состояние проточной части низкого давления поддерживается специальным охлаждающим устройством, а протечки пара через закрытые диафрагмы должны быть снижены до минимальной величины. Для удовлетворения этого требования предназначено заявляемое техническое решение.
Заявляемое техническое решение позволяет добиться увеличения экономической эффективности теплофикационных режимов паровой турбины за счет снижения протечек пара через закрытые регулирующие диафрагмы, повышения экономичности на конденсационных режимах при открытом положении регулирующих диафрагм за счет снижения гидравлических потерь на входе пара в регулирующую диафрагму, а также снижения эрозии рабочих лопаток за счет удаления части жидкости на режимах с влажным паром в камере паровпуска.
Предложена поворотная регулирующая диафрагма теплофикационной паровой турбины, содержащая закрепленные между телом и ободом направляющие лопатки и установленное перед ними поворотное кольцо с пазами в промежутках между каналами для прохода пара, причем, боковые поверхности пазов параллельны смежным боковым поверхностям каналов; длина пазов равна высоте каналов, а площадь поперечного сечения промежутка с пазом поворотного кольца составляет не менее половины площади этого же сечения при отсутствии паза; толщина поворотного кольца под пазом и его передней в направлении закрытия диафрагмы стенки составляет не менее 0,04, а задней - не менее 0,02 высоты канала для прохода пара; в каналах установлены удобообтекаемые вставки с поперечными щелями, а пазы сообщаются со сборными камерами в верхней половине поворотного кольца у корня, а в нижней половине - на периферии каналов.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - общий вид поворотной регулирующей диафрагмы в положении полного закрытия;
на фиг.2 - сечения А-А (на периферии парового канала); Б-Б (на среднем диаметре), В-В (на корневом диаметре), фиг.1;
на фиг.3 - форма паровых каналов и пазов поворотного кольца.
Поворотная регулирующая диафрагма включает собственно диафрагму 1 и поворотное кольцо 2. Диафрагма 1 содержит тело 3 и обод 4, между которыми расположены направляющие лопатки 5. В поворотном кольце 2 выполнены паровые каналы 6 (фиг.3) для прохода пара, соответствующие по количеству и форме входному сечению межлопаточных каналов, образованных направляющими лопатками 5 диафрагмы 1, и разгрузочные отверстия 7 для уменьшения паровой нагрузки на поворотное кольцо 2 за счет выравнивания давления пара перед кольцом 2 и в кольцевой камере 8. По периметру паровых каналов 6 на поверхностях поворотного кольца 2 и диафрагмы 1, а также направляющих лопаток 5 выполнена плоская контактная уплотняющая поверхность М. Заявляемое техническое решение может быть применено также для диафрагм, у которых контактная поверхность разделена на уплотняющую поверхность М и опорную поверхность M1. Поворотное кольцо 2 в промежутках между каналами 6, так называемых спицах 9 (фиг.3) имеет глухие пазы 10 протяженностью от центральной зоны 11 до периферийной зоны 12 поворотного кольца, то есть длина пазов 10 соответствует высоте L каналов 6 (фиг.3).
пер
пep
ср
cp
кор
кор
В отличие от прототипа с пазами по всей ширине поворотного кольца, в заявляемом техническом решении пазы 10, увеличивающие гибкость поворотного кольца 2 вдоль каналов 6, следовательно, плотность прилегания его к диафрагме 1 и снижение протечек пара в положении полного закрытия, выполнены с длиной, равной высоте L каналов 6. В условиях длительной эксплуатации на теплофикационных режимах протечки пара через закрытые диафрагмы совершаются преимущественно вдоль длинной стороны паровых каналов 6, где ширина контактной зоны (на фиг.2 - (H-S)/2; (H-S)/2; (H-S)/2) обычно составляет несколько миллиметров. Поэтому на этих участках уплотняющего периметра прилегание поворотного кольца 2 к диафрагме 1 должно быть особенно плотным, что обеспечивается за счет пазов 10 в спицах 9. В то же время центральная 11 и периферийная 12 зоны поворотного кольца 2 опираются на жесткое тело 3 и обод 4 диафрагмы 1, установленные также жестко в корпусе турбины, что предотвращает коробление этих элементов и ухудшение плотности торцовых участков уплотняющего периметра паровых каналов 6.
Таким образом, в заявляемом техническом решении поворотное кольцо 2 представляет собой конструкцию жестких элементов 11 и 12, между которыми установлена «гибкая сетка» из спиц 9, надежно уплотняющих под действием паровой нагрузки контактный периметр межлопаточных каналов регулирующей диафрагмы. Сохранение, в отличие от прототипа, жесткости периферийной зоны 12 поворотного кольца 2 необходимо для обеспечения общей устойчивости поворотного кольца 2 при приложении к нему вращающего момента сервопривода (на рисунках не показан).
При вращении поворотного кольца 2 в режиме закрытия диафрагмы 1 передняя 13 и задняя 14 стенки спицы 9 работают в различных условиях (фиг.2). Передняя стенка 13 до момента опирания ее на соответствующую кромку направляющих лопаток 5 диафрагмы 1 испытывает наибольшее усилие от перепада давления пара перед и за регулирующей диафрагмой 1 и работает как защемленная по краям консоль. Тогда как задняя кромка 14 при любом положении поворотного кольца 2 опирается на контактную поверхность направляющих лопаток 5. Поэтому с целью увеличения плотности закрытия диафрагмы заднюю кромку 14 целесообразно выполнять более гибкой с меньшей, чем у передней кромки 13, толщиной стенки, что способствует надежному прилегаю к контактной поверхности М лопаток 5 диафрагмы 1.
Следовательно, в отличие от прототипа, в заявляемом техническом решении поворотное кольцо 2 выполнено с асимметричной гибкостью спиц 9, способствующей уплотнению контактной поверхности М регулирующей диафрагмы и снижению протечек пара в закрытом положении.
Повышение плотности контактной зоны по периметру межлопаточных каналов диафрагмы 1 за счет увеличения гибкости спиц 9 поворотного кольца 2 ограничивается такими размерами пазов 10, при которых прогиб под действием пара передней стенки 13 при приближении ее к соответствующей кромке лопаток 5 превышает радиус ее заходной части, что создает повышенные нагрузки на сервопривод при полном закрытии межлопаточных каналов направляющих лопаток 5. Системными расчетами с применением современных компьютерно-программных средств регулирующих диафрагм эксплуатируемых теплофикационных турбин установлено, что площадь поперечного сечения спиц 9 с пазами 10 поворотного кольца 2 на любом диаметре не должна быть меньше половины площади поперечного спицы 9 без паза 10, а толщина Ь1 передней 13 и b2 задней 14 стенок спицы, а также толщина b3 контактной части спицы 9 должны оставаться постоянными вдоль всей длины пазов 10. Причем, толщина b2 задней стенки 14 может быть не более чем в два раза меньше толщины b1 передней стенки 13, равной толщине b3 контактной части спицы 9.
В заявляемом техническом решении для работы на режимах с влажным паром в камере паровпуска проточной части низкого давления предусмотрено устройство удаления капельной влаги из парового потока и тем самым снижение эрозии входных кромок рабочих лопаток. Для этого в пазах 10 поворотного кольца 2 установлены перфорированные вставки 15, прикрепленные посредством кольца 16 через прокладку 17 болтами 18 к периферийной зоне 12 кольца 2 и через влагоулавливающее кольцо 19 со сборной камерой 20 и прокладку 21 болтами 22 к центральной зоне 11 кольца 2. В прокладке 21 выполнены каналы 23, соединяющие пазы 10 со сборной камерой 20, из которой в нижней половине кольца 2 предусмотрен отвода отсепарированной жидкости в дренаж камеры паровпуска (на рисунке не показан). С той же целью в нижней половине поворотного кольца 2 выполнены аналогичные каналы 23 в прокладке 17, а сборная камера - в кольце 16. Вставки 15 прикреплены болтами 18 и 22 к поворотному кольцу 2 с небольшим зазором, что исключает их влияние на гибкость спиц 9.
1
Вставки 15 установлены в пазах 10 с выступом навстречу паровому потоку (G>G), что способствует их сепарирующей способности при реально формирующихся различных углах натекания влажного пара. Отвод пленочной влаги, возникающей в результате сепарации капель на поверхности вставок 15, осуществляется через поперечные щели 24, имеющие в верхней и нижней половинах поворотного кольца 2 наклон внутрь пазов 10. Щели 24 выполняются под углом, например, 45° к передней поверхности вставок 15 дисковой фрезой радиусом R. Ширина δ щелей 24 и их количество определяются режимными параметрами турбины. В то же время для исключения дополнительных гидравлических потерь эти два параметра должны соответствовать условию «аэродинамически гладкой» поверхности вставок 15.
Другое важное назначение вставок 15 заключается в том, что на конденсационных режимах, когда в проточную часть поступает номинальный и близкий к нему расход пара, а регулирующая диафрагма находится в положении полного открытия, вставки 15, восстанавливая внешний профиль спиц 9 поворотного кольца 2, снижают гидродинамические потери поворотной регулирующей диафрагмы.
Работает поворотная регулирующая диафрагма следующим образом. На конденсационных режимах регулирующая диафрагма полностью открыта и паровые каналы 6 в поворотном кольце 2 совпадают с межлопаточными каналами диафрагмы 1, что обеспечивает минимальные гидравлические потери. В проточную часть низкого давления поступает полный расход пара. На теплофикационных режимах поворотное кольцо 2 воздействием на него вращающим моментом сервопривода устанавливают в положение частичного открытия, при котором расход пара в проточную часть низкого давления уменьшается, следовательно, и выработка электроэнергии, а расход пара в сетевые подогреватели возрастает, что влечет увеличение выработки тепловой энергии в соответствии с диспетчерским графиком нагрузок.
Для достижения максимальной выработки тепловой энергии управлением сервопривода поворотное кольцо 2 устанавливают в положение полного закрытия регулирующей диафрагмы, и весь расход пара направляют в сетевые подогреватели. Усилие от перепада давления на регулирующую диафрагму, в том числе и на поворотное кольцо 2, достигает максимальной величины. Поворотное кольцо 2 перекрывает межлопаточные каналы диафрагмы 1 по всему периметру. Наличие в спицах 9 поворотного кольца 2 пазов 10 повышает их гибкость, что уменьшает паровое усилие на преодоление внутренней деформации спиц 9 и увеличивает удельное давление на контактную поверхность, способствуя снижению протечек пара в проточную часть, где они не в состоянии - из-за малости расхода и обширных вихревых течений - вырабатывать мощность. Согласно расчетам деформационных полей и напряжений диафрагмы 1 и поворотного кольца 2, удельное давление в заявляемом техническом решении более чем в два раза превосходит эту величину по сравнению с прототипом, что практически переводит регулирующую диафрагму из категории уплотненных в категорию плотных.
На конденсационных, а также на теплофикационных режимах с пониженными параметрами пара в камеру паровпуска цилиндра низкого давления поступает влажный пар. Влага, содержащаяся в нем в виде капель, при обтекании вставок 15 поворотного кольца 2 сепарируется на них и образует пленочное течение, которое отводится через щели 24 в пазы 10, а оттуда - через каналы 23 в сборные камеры 20 и далее в дренаж. Это снижает количество влаги, транспортируемой паром в проточную часть низкого давления, что уменьшает потери энергии, а также эрозионный износ входных кромок рабочих лопаток.
Заявляемое техническое решение может быть использовано как в регулирующих диафрагмах с контактной поверхностью М поворотного кольца 2 и диафрагмы 1, выполняющей одновременно опорную и уплотняющую функции, так и с раздельными контактными поверхностями - опорной M1 и уплотняющей М поверхностью. В этом случае качество уплотняющего периметра межлопаточных каналов существенно повышается, а его износ при длительной эксплуатации исключается.