СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯМИ ВАЛА ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована для уплотнения вращающихся валов турбомашин (компрессоров, турбин). Особенно актуально применение таких систем для турбин, работающих в составе энергетических установок с замкнутыми контурами, в которых теплоносителями являются низкокипящие рабочие тела.
Низкокипящие рабочие тела являются токсичными и пожаровзрывоопасными веществами, поэтому их применение для энергетических установок возможно только при наличии в конструкции агрегатов уплотнений повышенной герметичности. Особенно жестко это требование предъявляется к уплотнениям вращающихся валов турбин. Наилучшей герметичностью обладают сухие газовые уплотнения, в которых для минимизации протечек рабочих тел создаются специальные системы управления.
Известна система контроля и управления сухими газовыми уплотнениями, разработанная ЗАО «НПФ «Невинтермаш». Сухие газовые уплотнения состоят из двух ступеней. В качестве затворного газа применен процессный газ. Управление работой уплотнений производится системой контроля и управления, которая состоит из подсистем фильтрации и осушки процессного газа и подсистемы контрольно-измерительных приборов. (ЗАО «НПФ «Невинтермаш». Система контроля и управления узлами сухих газовых уплотнений, СПБ, 2003 г.).
Недостатком известной системы управления является потеря рабочего циклового газа.
Известна система управления сухими торцовыми уплотнениями, разработанная фирмой «Burgman». В состав схемы входят модули продувочного, затворного и разделительного газов и модуль отвода утечки. Продувочным является газ, работающий в цикле. В качестве разделительного газа применяют воздух, а в качестве затворного - азот, причем азот подогревают для предотвращения выпадения твердых фракций из продувочного газа за счет его охлаждения при дросселировании в уплотнениях. Смесь продувочного и затворного газов подается в модуль утечки и из него на факел, смесь затворного и разделительного газов сбрасывается в атмосферу. (Федеративная Республика Германия, фирма «Burgman». Торцовые уплотнения. Каталог конструкций 15.1. стр.89).
По совокупности признаков эта система управления наиболее близка к заявляемой и принята за прототип.
Недостатком системы управления, принятой за прототип, является потеря рабочего циклового газа, сбрасываемого совместно с затворным газом (азотом) через модуль протечки в факел для утилизации. Особенно нежелательна потеря рабочего циклового газа для турбин, работающих в составе замкнутого контура низкокипящего рабочего тела (бутан, пентан и др.), так как из-за трудности разделения азота и низкокипящего рабочего тела, их смесь сжигают. В результате необходима постоянная внешняя подпитка контура низкокипящего рабочего тела, которая усложняет и удорожает энергетическую установку.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, 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
выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле полезной модели.
Заявляемое техническое решение позволяет обеспечить надежное уплотнение вала турбины, работающей на низкокипящем рабочем теле (бутан, пентан и др.), предотвращает потери низкокипящего рабочего тела и исключает пожаро-взрывоопасность, что приводит к повышению надежности и экономичности энергетической установки.
Предложена система управления уплотнениями вала турбины, включающая вал турбины с концевыми уплотнениями, состоящими из камер продувочного, затворного и разделительного газов и камеры отвода утечки продувочного газа, при этом, вход турбины через регулирующий вентиль и фильтр соединен с камерой продувочного газа, камера затворного газа соединена посредством трубопровода с коллектором перегретого водяного пара, камера отвода утечки продувочного газа по трубопроводу утечки соединена с охладителем - конденсатоотводчиком и конденсатором турбины, причем камера смешивания продувочного и затворного газов посредством трубопроводов соединена через водоструйный эжектор с циклоном, связанным с баком сбора конденсата, и с охладителем - конденсатоотводчиком, а камера разделительного газа посредством водоструйного эжектора соединена с барботером, связанным с баком сбора конденсата, при этом в качестве затворного газа использован перегретый водяной пар.
Предлагаемая система управления уплотнениями вала турбины иллюстрируется чертежом.
Система управления уплотнениями вала турбины включает вал 1 турбины 2, вращающийся в подшипниках 3, с концевыми уплотнениями. Газовое уплотнение состоит из лабиринтового уплотнения 4, первой 5 и второй 6 ступеней газового уплотнения, сегментного кольца 7, двух
концевых лабиринтовых уплотнений 8. Указанные элементы образуют камеры: камеру 9 продувочного газа - между первым лабиринтом 4 и первой ступенью 5 газового уплотнения, камеру 10 отвода утечки продувочного газа - между первой 5 и второй 6 ступенями газового уплотнения, камеру 11 смешивания продувочного и затворного газов - между второй ступенью 6 газового уплотнения и сегментным кольцом 7, камеру 12 затворного газа - между сегментным кольцом 7 и первым лабиринтовым уплотнением 8, камеру 13 разделительного газа между двумя лабиринтовыми уплотнениями 8. Вход турбины 2 через регулирующий вентиль 14 и фильтр 15 соединен с камерой 9 продувочного газа. Камера 12 затворного газа посредством трубопровода соединена с коллектором перегретого водяного пара 16. Камера 10 отвода утечки продувочного газа по трубопроводу утечки 17 соединена с охладителем - конденсатоотводчиком 18 и конденсатором 19 турбины 2. Камера 11 смешивания продувочного и затворного газов посредством трубопровода 20 соединена через водоструйный эжектор 21 с циклоном 22, связанным с баком сбора конденсата 23 и с охладителем - конденсатоотводчиком 18. Камера 13 разделительного газа посредством водоструйного эжектора 24 соединена с барботером 25, соединенным с баком сбора конденсата 23. В качестве затворного газа использован перегретый водяной пар.
Предлагаемая система управления уплотнениями вала турбины работает следующим образом.
Низкокипящее рабочее тело подается на вход турбины 2 при давлении 25...30 бар и температуре 120...130°С. Давление низкокипящего рабочего тела за турбиной 2 составляет 2,5...3,0 бар. При расширении низкокипящее рабочее тело совершает полезную работу, и ротор турбины 2 вращается в подшипниках 3. Уплотнения вала турбины выполнены на обоих его концах и имеют одинаковую конструкцию Рабочим телом для турбины 2 является газ с низкой температурой кипения (бутан, пентан и др.). Уплотняемый газ отбирается на входе турбины 2 через регулирующий вентиль 14, фильтруется
в фильтре 15 и в качестве чистого продувочного газа подается на газовое уплотнение. Продувочный газ подается в камеру 9, часть его через первый лабиринт 4 уходит в проточную часть турбины, а часть в виде утечки через первую ступень газового уплотнения 5 поступает в камеру 10. Утечки продувочного газа через вторую ступень газового уплотнения из камеры 10 проходят в камеру 11. В камеру 12 из коллектора 16 поступает перегретый водяной пар, являющийся затворным газом. Из камеры 12 он проходит через сегментное кольцо 7 в камеру 11, в которой образуется смесь продувочного газа и водяного пара. Часть водяного пара из камеры 12 поступает через первое лабиринтовое уплотнение 8 в камеру 13, давление в которой ниже атмосферного. В результате водяной пар смешивается с атмосферным воздухом, протекающим через наружное лабиринтовое уплотнение 8. Продувочный газ из камеры 10 подается в охладитель - конденсатоотводчик 18, конденсируется в нем и возвращается в цикл через конденсатор турбины 19. Смесь продувочного газа и водяного пара с помощью водоструйного эжектора 21 отводится в циклон 22, где за счет конденсации водяного пара происходит разделение газа и пара. Конденсат пара направляется в бак сбора конденсата 23, а продувочный газ конденсируется в охладителе - конденсатоотводчике 18 и возвращается в цикл. Смесь газов из камеры 13 отводится водоструйным эжектором 24 в барботер 25, в котором пар конденсируется, и его конденсат сливается в бак сбора конденсата 23, а воздух сбрасывается в атмосферу.