ПОВОРОТНАЯ РЕГУЛИРУЮЩАЯ ДИАФРАГМА ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
ROTARY ADJUSTING DIAPHRAGM OF COGENERATION STEAM TURBINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при проектировании и модернизации конструкций теплофикационных паровых турбин, что позволяет повысить надежность и экономичность турбины за счет уменьшения износа контактных поверхностей регулирующих диафрагм и снижения протечек через закрытые регулирующие диафрагмы в процессе длительной эксплуатации на теплофикационных режимах.
Известно устройство поворотной регулирующей диафрагмы части низкого давления теплофикационной паровой турбины, содержащее собственно диафрагму и на входе в нее поворотное кольцо, 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 задеваний 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 осевой зазор между поворотным кольцом и телом диафрагмы уменьшен до минимального значения или нуля, что сокращает протечки пара в закрытом положении (Симою Л.Л., Эфрос Е.И., Гуторов В.Ф., Лагун В.П. Теплофикационные паровые турбины: повышение экономичности и надежности. - СПб.: Энерготех, 2001-208 с. Серия «Проблемы энергетики», вып.3, стр.30, рис.3.1)
По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатком устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, являются следующие факторы: при режимном повышении давления пара перед регулирующей диафрагмой паровое усилие, прижимающее поворотное кольцо к телу диафрагмы, также пропорционально возрастает, что вызывает увеличение нагрузки на сервопривод и снижение его надежности; контакт поворотного кольца с телом и ободом диафрагмы по всей поверхности уплотнения при длительной эксплуатации турбины на теплофикационных режимах с различным расходом пара в проточную часть низкого давления, следовательно, при различных положениях поворотного кольца сопровождается износом контактной поверхности, а ее увеличение за счет удаления опорных поясков ведет к снижению удельного давления в контактной зоне, следовательно, к ухудшению плотности регулирующей диафрагмы в положении полного закрытия; при длительной эксплуатации турбин на теплофикационных режимах нередко возникают задиры и повреждения контактных поверхностей поворотного кольца и диафрагмы, что сопровождается ухудшением экономичности и снижением надежности поворотной регулирующей диафрагмы, это обусловливает дополнительные восстановительные работы в период капитального ремонта турбинного оборудования.
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 к рассматриваемому заявителем техническому результату, изложенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Заявляемое техническое решение позволяет добиться увеличения экономической эффективности теплофикационных режимов паровой турбины за счет снижения протечек пара через регулирующую диафрагму в закрытом положении, а также повышения ее надежности при разделении контактной поверхности на опорную и уплотняющую поверхности.
Предложена поворотная регулирующая диафрагма теплофикационной паровой турбины, содержащая закрепленные между телом и ободом направляющие лопатки, перед которыми установлено поворотное кольцо с паровыми каналами, соответствующими входному сечению межлопаточных каналов поворотной диафрагмы, и плоской контактной уплотняющей поверхностью по периметру паровых каналов поворотного кольца и диафрагмы, причем в поворотном кольце, теле и ободе диафрагмы выполнены соответствующие опорные поверхности с профилем, обеспечивающим при вращении поворотного кольца его контакт с диафрагмой только по опорным поверхностям, а в положении полного закрытия - контакт с опорными и уплотняющей поверхностями или только с уплотняющей поверхностью.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - общий вид поворотной регулирующей диафрагмы;
на фиг.2 - сечение Г-Г по опорной поверхности М1 на фиг.1 при контакте поворотного кольца с диафрагмой в положении полного закрытия по опорной М1 и уплотняющей М поверхностям;
на фиг.3 - сечение Г-Г по опорной поверхности М1 на фиг.1 при контакте поворотного кольца с диафрагмой в положении полного закрытия только по уплотняющей поверхности М;
на фиг.4 - четыре граничных положения поворотного кольца относительно диафрагмы.
Поворотная регулирующая диафрагма включает собственно диафрагму 1 и поворотное кольцо 2 (фиг.1). Диафрагма 1 содержит тело 3 и обод 4, между которыми расположены направляющие лопатки 5. В поворотном кольце 2 с шириной регулирующей части G выполнены паровые каналы 6 для прохода пара, соответствующие по количеству и форме входному сечению межлопаточных каналов направляющих лопаток 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 поверхности поворотного кольца 2 и диафрагмы 1 выполнена плоская контактная уплотняющая поверхность М. Со стороны периферии лопаток 5 уплотняющая поверхность М ограничена периферийным диаметром D4 направляющих лопаток 5 и наружным диаметром D5. Величина D4 определяется проточной частью низкого давления, тогда как максимальное значение диаметра D5 - общими конструктивными требованиями к поворотной диафрагме.
Аналогично в корневой области лопаток 5 уплотняющая поверхность М ограничена корневым диаметром D8 направляющих лопаток 5 и диаметром D7, определяемым теми же требованиями, что и диаметр D5.
Для регулирующих диафрагм ЦНД мощных теплофикационных турбин, в частности Т-250/300-240, ширина периферийной и корневой зон уплотняющей поверхностей М после устранения зазора между поворотным кольцом 2 и направляющими лопатками 5 достигает 30-35 мм, что в 10-15 раз больше ширины контактной уплотняющей зоны вдоль продольных сторон паровых каналов 6.
На периферии и у корня направляющих лопаток 5 вблизи поверхности М расположены опорные поверхности М1. Ширина периферийной и корневой опорных поверхностей М1 определяется соответственно диаметрами D2, D3 и D6, D9. Причем величина D9 при модернизации регулирующих диафрагм эксплуатирующихся теплофикационных турбин будет ограничена положением разгрузочных отверстий 7. При создании новых регулирующих диафрагм, с целью увеличения ширины опорной поверхности М1, параметр D9 может быть уменьшен.
Оптимальное значение ширины опорных поверхностей (D2-D3)/2 и (D6-D9)/2 определяется допустимым удельным давлением на опорные поверхности М1 поворотным кольцом в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы 1, когда давление пара на поворотное кольцо 2 достигает максимальных значений. В разработанном техническом решении оно не превышает значений, характерных для мощных теплофикационных турбин.
Для исполнения опорных поверхностей М1 рядом с ними предусмотрены технологические зоны выхода режущего инструмента при металлообработке. Ширина этих зон для периферийной поверхности М1 составляет (D1-D2)/2 и (D3-D5)/2, а для корневой опорной поверхности - М1 (D7-D6)/2.
Разделение в предлагаемом техническом решении контактной поверхности поворотного кольца 2 и диафрагмы 1 на опорные М1 и уплотняющую М поверхности позволяет при вращении поворотного кольца исключить контакт с уплотняющей поверхностью М диафрагмы и тем самым опасность ее повреждений и задиров, а значит, сохранить плотность и надежность уплотнения при длительной эксплуатации турбины.
Рельеф периферийной и корневой опорных поверхностей М1 с общей высотой m имеет одинаковый характер и содержит два уровня. Уплотняющие поверхности М поворотного кольца и диафрагмы вступают в прямой контакт только в одном положении: при полном закрытии регулирующей диафрагмы. Этот алгоритм задается профилем опорных поверхностей М1 (сечение Г-Г) и показан на фиг.2, где для полноты представления условно показан межлопаточный канал шириной S1 диафрагмы 1, не попадающий в сечение Г-Г. На фиг.2 ширина промежутка поворотного кольца 2 между паровыми каналами 6 - так называемого спицей - обозначена H1; зазор между опорными поверхностями поворотного кольца 2 и диафрагмы 1 равен h1, а ширина уплотняющей зоны контакта на том же диаметре - H3.
Процесс полного закрытия регулирующей диафрагмы 1 включает три этапа (см. фиг.2). На первом этапе поворотное кольцо 2, вращаемое сервоприводом (на иллюстрациях не показан), двигается параллельно диафрагме на заданном удалении h1 от ее уплотняющей поверхности и достигает «положения стыка», когда передние по направлению вращения кромки паровых каналов поворотного кольца 2 устанавливаются напротив кромок межлопаточных каналов диафрагмы 1 (фаза A). При этом плоские участки опорной поверхности М1 поворотного кольца 2 перемещаются по плоским участкам опорной поверхности М1 диафрагмы 1 и передают ей усилие от давления пара перед поворотным кольцом 2. После достижения положения стыка скорость вращения поворотного кольца 2 воздействием на сервопривод снижают до минимальной величины.
При последующем замедленном вращении поворотное кольцо 2 продолжает перемещаться параллельно диафрагме 1 на величину H4 и достигает фазы Б. С момента наступления фазы Б поворотное кольцо 2 начинает двигаться в двух направлениях: под действием сервопривода - в окружном направлении, преодолевая до полного закрытия расстояние H2=H3-H4, H3=(H1-S1)/2, и под действием парового усилия - в осевом направлении, преодолевая расстояние h1. Величина h1 определяется гибкостью поворотного кольца 2 и жесткостью диафрагмы 1. В практических конструкциях она не превышает нескольких десятых долей миллиметра.
В заключительной фазе В - полное закрытие регулирующей диафрагмы на фиг.2 - поворотное кольцо 2 занимает окончательное положение, при котором воздействие на него сервопривода прекращается, а паровое усилие воспринимается уплотняющей М и опорными поверхностями М1 диафрагмы 1.
Таким образом, предлагаемое техническое решение полностью исключает взаимное перемещение в состоянии контакта уплотняющих поверхностей М поворотного кольца 2 и диафрагмы 1, тем самым предотвращает их повреждение и износ, что обусловливает при длительной эксплуатации сохранение надежности и экономичности регулирующей диафрагмы.
Для оценки практических значений параметров, приведенных на фиг.2, могут быть использованы, например, регулирующие диафрагмы первых ступеней (29, 38) двухпоточного ЦНД теплофикационной турбины Т-250/300-240. Для сечения Г-Г (размеры в миллиметрах): S1=72,56; H1=79,65; H2=2,89; H3=3,55; H4=0,66; h1=0,4-0,8.
Открытие регулирующей диафрагмы предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом: под воздействием максимального крутящего момента сервопривода, необходимого для свободного преодоления наклонных участков опорных поверхностей М1, поворотное кольцо перемещается из положения полного закрытия в положение текущего эксплуатационного режима или в конденсационный режим с полным открытием регулирующих диафрагм. При этом, в первую очередь, происходит разъединение уплотняющих поверхностей М поворотного кольца 2 и диафрагмы 1, а потом - последующее перемещение поворотного кольца по опорным поверхностям М1.
В положении полного закрытия регулирующей диафрагмы, изображенном на фиг.2, фаза В, паровое усилие воспринимается одновременно опорными М1 и уплотняющей М поверхностями. На теплофикационных режимах турбины с закрытыми диафрагмами снижение протечек пара через них всегда ведет к повышению экономичности. Поскольку плотность регулирующей диафрагмы возрастает с увеличением удельного давления в зоне уплотняющего контакта подвижной и неподвижной частей диафрагмы, дальнейшее улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемой конструкции может быть достигнуто увеличением удельного давления за счет переноса на уплотняющую поверхность М всей паровой нагрузки, то есть той доли, что приходится на опорные поверхности М1.
1к
1к0
1к0
1д
В предлагаемом техническом решении это может быть выполнено двумя способами, показанными на фиг.3. В первом способе соответствующие участки опорной поверхности М1 поворотного кольца 2 смещают - по сравнению с фиг.2 - в тело поворотного кольца. На фиг.3 это реализуется переносом поверхности Т в положение Т. Тогда в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы (фиг.3, фаза Б) между опорной поверхностью Т поворотного кольца 2 и опорной поверхностью Т диафрагмы 1 образуется зазор h2 в несколько десятых долей миллиметра, и все паровое усилие воспринимается только уплотняющей поверхностью М с соответствующим увеличением удельного давления, следовательно, плотности диафрагмы.
2д
2д0
Во втором способе переноса всего парового усилия только на уплотняющую поверхность М с аналогичным результатом достигается перемещением уплотняющей поверхности Т диафрагмы 1 на величину h3 в несколько десятых долей миллиметра в сторону поворотного кольца 2 в положение Т (см. фиг.3, фаза Б).
Завершающим этапом профилирования опорных М1 и уплотняющей М поверхностей является формирование стыка между ними - размер H5 на фиг.3. Этот участок профиля имеет важное значение. Теоретически зазор H5 может быть равным нулю, то есть торец поворотного кольца 2 упирается в торец диафрагмы 1. Однако практическое выполнение этого условия для всех межлопаточных каналов диафрагмы 1 связано с технологическими трудностями. Поэтому зону H5 целесообразно выполнять с некоторым зазором.
Величина этого зазора не должна быть большой, поскольку она смещает продольную (вдоль межлопаточных каналов) уплотняющую зону в окружном направлении при «перезакрытии» поворотного кольца. Величину зазора H5=1,0-1,5 мм (фиг.3) можно рассматривать как оптимальную с учетом общей технологической схемы выполнения опорных поверхностей М1.
Работа поворотной регулирующей диафрагмы с раздельными опорной и уплотняющей поверхностями осуществляется с учетом газодинамических процессов в проточной части ЦНД теплофикационной турбины и содержит три диапазона I, II, III (фиг.4), в каждом из которых к диафрагме предъявляются свои требования. Эти диапазоны и соответствующие им положения поворотного кольца 2 относительно диафрагмы 1 показаны на фиг.4 применительно, в качестве примера, к теплофикационной турбине Т-250/300-240.
Первый диапазон I - активного регулирования расхода пара через ЦНД - включает область теплофикационных режимов от положения полного открытия регулирующих диафрагм до наступления режима нулевой мощности ЦНД. Нижняя граница первого диапазона I устанавливается совмещением расходных характеристик регулирующих диафрагм и области виброопасных режимов рабочих лопаток последних ступеней. На фиг.4 эта совмещенная характеристика показана в относительных параметрах «расход пара через последние ступени ЦНД (1,0=300 т/ч в одном потоке) - давление в конденсаторе (1,0=10 кПа)». Для рассматриваемого примера выбрано характерное давление пара в конденсаторе 6 кПа.
В первом диапазоне I расход пара через ЦНД определяется степенью открытия регулирующих диафрагм; в этом диапазоне протечки по контактной зоне не имеют заметного влияния. Поворотное кольцо 2 отодвинуто от уплотняющей поверхности М диафрагмы 1 на расстояние, превышающее амплитуду его гибкости, и соприкасается с диафрагмой 1 только по корневой и периферийной опорным поверхностям М1. Тем самым исключается износ и задиры уплотняющей поверхности, снижается нагрузка на сервопривод, повышается его надежность.
Второй диапазон II - по мере закрытия регулирующих диафрагм - простирается от режима нулевой мощности ЦНД до момента приближения передней кромки паровых каналов 6 поворотного кольца 2 к противоположной кромке направляющих лопаток 5 диафрагмы 1 (на фиг.2, 4 - положение стыка). Второй диапазон II - это «мертвая зона»: в проточной части интенсивно нарастают температурные и вибрационные процессы как результат перестройки газодинамики и развития вихревых течений. Этот диапазон необходимо проходить предельно быстро. Указанное требование относится, в первую очередь, к сервоприводу и системе управления им.
Третий диапазон III - самый короткий: полное закрытие и надежное уплотнение регулирующей диафрагмы. Он совершается при нарастании давления пара в камере паровпуска ЦНД и его максимальном воздействии на поворотное кольцо 2 и диафрагму 1 в целом. Поворотное кольцо 2 перемещается одновременно в двух направлениях: в окружном - под действием сервопривода и в осевом, к диафрагме 1 - под действием давления пара. Протяженность третьего диапазона III от положения стыка до полного запирания регулирующей диафрагмы, когда поворотное кольцо займет свое окончательное место, составляет обычно несколько миллиметров, в частности, для турбины Т-250/300-240 на среднем диаметре ступени всего 2,7 мм. Утратив контакт с опорными поверхностями М1, поворотное кольцо 2 будет прижато полным паровым усилием по всему периметру паровых каналов 6 уплотняющей поверхности М диафрагмы 1. В отличие от второго диапазона II, прохождение поворотным кольцом 2 третьего диапазона III и полное закрытие регулирующей диафрагмы должно выполняться с минимальной скоростью во избежание «перезакрытия» регулирующей диафрагмы.
Открытие диафрагмы и прохождение диапазонов III и II поворотным кольцом 2 следует осуществлять аналогичным образом: перемещение в диапазоне III с минимальной и в диапазоне II с увеличенной скоростью кольца.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- высокая степень уплотнения регулирующей диафрагмы в закрытом положении, обуславливающая повышение экономичности турбины на теплофикационных режимах;
- предотвращение развития экстремальных процессов в проточной части низкого давления в области активного регулирования расхода пара через нее;
- отсутствие при длительной эксплуатации износа уплотняющих контактных поверхностей поворотного кольца и диафрагмы, что влечет повышение надежности турбины;
- снижение нагрузки на сервопривод и повышение его надежности ввиду отсутствия подвижного контакта по уплотняющим поверхностям поворотного кольца и диафрагмы в области активного регулирования расхода пара через проточную часть.