УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ШПИЛЕК ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и транспорта газа, в частности, к системе охлаждения высокотемпературных шпилек корпуса и фланцевых соединений газовых и паровых турбин и может быть использована в энергетических газотурбинных установках (ГТУ) и в паротурбинных установках (ПТУ).
Из исследованного уровня техники выявлены различные способы и устройства для охлаждения высокотемпературных элементов турбин.
Известно устройство для охлаждения высокотемпературных элементов, описанное в патенте РФ на изобретение RU № 2325587 «Теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара» авторов Ардамакова СВ., Кузнецова СН. (МПК F22B 3/06 (2006.01) F22G 5/12 (2006/01) F22D 1/28 (2006/01)). Теплообменное устройство прямого смешивания воды и пара включает трубный участок транспортирования потока пара (или воды) с, по меньшей мере, одним штуцером введения потока воды (или пара) и перегородкой с отверстиями. Перегородка соединена с одним торцом введенного и размещенного вдоль оси трубного участка, по меньшей мере, одного патрубка так, что в патрубке оставлено, по меньшей мере, одно отверстие перегородки. На втором торце установлена вторая перегородка так, что обеими перегородками в трубном пространстве образована межпатрубковая полость, с которой соединен штуцер введения потока воды, а в стенках патрубка выполнен, по меньшей мере, один канал, размещенный вблизи входной перегородки.
Недостатком известного устройства для охлаждения является сложность предложенной конструкции, затрудняющей периодическое техническое обслуживание охлаждающего устройства, а также низкая надежность, вследствие наличия большого количества сложных соединений.
Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как использование устройства предполагает создание нового оборудования, использующего жидкий теплоноситель, что приведет к изменению существующей схемы работы теплового цикла турбины, что недопустимо правилами технической эксплуатации.
Из существующего уровня техники известно устройство для охлаждения ротора газовой турбины, содержащее пневмопроводы, холодильник, охлаждаемые рабочие лопатки с автономными охлаждающими системами входной кромки и пера лопатки, соединенными с каналами в хвостовике, кольцевое закручивающее пневматическое устройство, лабиринтные уплотнения и кольцевые полости. Одна из кольцевых полостей образована статором и роторной частью между компрессором и турбиной, а другая - покрывным диском и диском рабочего колеса. Проточная часть за компрессором пневмопроводом соединена с пневматическим входом холодильника. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевой надроторной полостью между компрессором и турбиной, которая в районе турбины имеет лабиринтное уплотнение с увеличенным зазором, за которым в покрывном диске расположен ряд отверстий. Отверстия соединены со входом в телескопические трубчатые пневмопроводы, выход каждого из которых соединен с входным патрубком канала системы охлаждения входной кромки охлаждаемой рабочей лопатки турбины. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевым закручивающим пневматическим устройством, напротив выхода из которого в покрывном диске расположен ряд отверстий с выходом в кольцевую полость, которая соединена с располагаемыми в хвостовиках лопаток продольными каналами системы охлаждения пера рабочей лопатки турбины (патент РФ на изобретение RU № 2443869, МПК F01D 5/08; F01D 25/08, опубл. 19.02.2010).
Недостатком вышеописанного устройства является сложность конструкции, вследствие того, что устройство содержит более сорока существенных признаков, каждый из которых при взаимодействии элементов и/или узлов конструкции может выйти из строя и привести к его поломке, с указанным имеет место быть низкая надежность конструкции вследствие наличия большого количества соединений и промежуточных элементов, а также низкая степень охлаждающей способности вследствие отсутствия пассивных интенсификаторов теплообмена.
Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как используется в устройстве для охлаждения ротора газовой турбины.
Известен способ охлаждения цилиндрических тел вращения паром, описанный в патенте РФ на изобретение RU № 2279551 «Высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина» авторов Орлик В.Г., Аверкиной Н.В., Вайнштейна Л.Л. и др. (МПК F01D 5/08 (2006.01)). Высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина включает корпус с сопловыми лопатками первой ступени и ротор, снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для перепуска пара.
Недостатком известного устройства для охлаждения является невозможность проводить регулировку перепущенного охлаждающего пара в турбине, за счет наличия только отверстий для перепуска, при этом усложняется процедура технического контроля охлаждающего устройства, при которой необходимо останавливать всю турбину и разбирать ее корпус.
Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как используется в устройстве для охлаждения ротора паровой турбины.
Известно устройство охлаждаемый элемент турбины для охлаждения термически нагруженной на передней стороне стенки (патент РФ на изобретение RU № 2539950, МПК F01D 5/18, опубл. 28.01.2010), содержащее на обратной стороне стенки с распределением по поверхности множество выступающих из стенки шипов, а также средства для формирования направленных струй охлаждающей среды в зоне шипов на обратную сторону стенки, предназначенных для ударного охлаждения. Распределение шипов в пределах критических зон элемента имеет более высокую плотность, чем на его остальных участках. Средства для создания направленных на обратную сторону стенки струй содержат ударно-охлаждающую пластину с распределенными ударно-охлаждающими отверстиями. Плотность ударно-охлаждающих отверстий коррелированна с плотностью шипов.
Недостатком аналога устройства охлаждения является наличие шипов на оборотной стороне стенки, что усложняет процедуру механической очистки поверхности нагрева охлаждающего устройства и приводит к увеличению энергетических затрат на прокачку охлаждающей среды вследствие увеличения аэродинамических сопротивлений пристенной зоны.
Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как используется в устройстве для создания охлаждаемого элемента газовой турбины, охлаждение которого оптимально согласовано с локально изменяющейся термической нагрузкой.
Известно устройство охлаждаемая лопатка (патент РФ на полезную модель RU № 131416, МПК F01D 5/18, опубл. 21.01.2013), преимущественно высокотемпературных турбин, содержащая канал входной кромки и перегородку, образующую также канал, соседствующий с каналом входной кромки, отличающаяся тем, что внутренняя стенка входной кромки, а также стенка канала входной кромки и канала, образованного перегородкой, выполнены криволинейными так, что образуют каналы диффузор - конфузорного типа.
Недостатком является невозможность осуществления технического обслуживания элементов охлаждающего устройства без останова всей турбины, что усложняет технический процесс проведения ремонтных работ.
Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как используется в устройстве для охлаждения лопатки высокотемпературной газовой турбины.
Наиболее близким устройством к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является устройство, выбранное заявителем в качестве прототипа (патент РФ на изобретение RU № 2382885, МПК F01D 5/18, опубл. 20.05.2008), сущность известного решения заключается в том, что сопловая лопатка газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения, содержащая закручивающие устройства, охлаждающие цилиндрические каналы, перфорацию входной кромки, отличающаяся тем, что в теле лопатки имеется центральная полая камера, подводящая дополнительно хладагент через закручивающие устройства, расположенные по высоте охлаждающих цилиндрических каналов на расстоянии, равном 4 и 8 калибрам, отнесенных к диаметру охлаждающих каналов, а в выходной кромке лопатки размещена вихревая матрица.
Недостатком данного технического решения является то, что устройство, описанное в прототипе не имеет возможности ремонта вследствие его неразборности, что приводит к невозможности технического обслуживания без остановки всего технического процесса работы турбины, а также наличие дополнительного хладагента, что требует дополнительно выполнения требованиям соответствия его уровню технических требований, предъявляемым к охлаждающим веществам (уровень дисперсных загрязнений, коррозионная активность, вязкость, плотность и пр.). Кроме указанного, устройство не может быть использовано для реализации поставленных целей у заявленного технического решения, так как используется в устройстве для охлаждения сопловой лопатки газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения.
Технической задачей заявленного технического решения по устройству охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин является повышение долговечности и надежности уплотнения фланцевых соединений корпуса турбин и устранения утечек через разъемы фланцевых соединений корпуса турбин, вследствие уменьшения термического напряжения на соединительных шпильках фланцевых соединений, без изменения основных конструктивных элементов газовой и паровой турбины, шпилек, корпуса и фланцевых соединений турбин.
Поставленная техническая задача в устройстве для охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин, содержащем охлаждающие цилиндрические каналы, перфорацию, достигается тем, что охлаждающий цилиндрический канал образован двумя цилиндрическими металлическими трубками с основаниями, имеющими общую вертикальную ось, причем цилиндрическая металлическая трубка меньшего диаметра имеет перфорацию и соединена с цилиндрическим патрубком, а внешняя цилиндрическая металлическая трубка большего диаметра соединена с отводящим цилиндрическим патрубком.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует критериям патентоспособности.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
На фиг. 1 изображено охлаждающее устройство.
На фиг. 2 изображено расположение охлаждающего устройства в шпильке.
Схема общего вида охлаждающего устройства для охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин представлена на фиг. 1, а схема размещения охлаждающего устройства для осуществления способа охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин в самой высокотемпературной шпильке представлена на фиг. 2.
Охлаждающее устройство для охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин, изображенное на фиг. 1 и 2 содержит цилиндрическую металлическую трубку меньшего диаметра 1 с перфорацией 3, и основание. Отверстия в 3 цилиндрической металлической трубки меньшего диаметра 1 могут быть расположены, например, в коридорном или в шахматном порядке, или по спирали. Отверстия перфорации в 3 цилиндрической металлической трубки меньшего диаметра 1 могут быть выполнены различной геометрической формы (например, круглые, квадратные, прямоугольные или n-угольные, овальные). Внешняя цилиндрическая металлическая трубка большего диаметра 2 имеет однородную сплошную поверхность и основание и плотно скреплена с трубкой 1 в верхней части, так что вертикальные оси трубок 1 и 2 совпадают. Охлаждающий цилиндрический канал образован трубками 1 и 2. Цилиндрический патрубок 4 (подающий канал) и отводящий цилиндрический патрубок 5 (отводящий канал) соответственно скреплены с трубками 1 и 2, и служат для подвода и отвода рабочего охлаждающего потока (охлаждающего пара или газа или воздуха). При этом отводящий цилиндрический патрубок 5 подсоединен к трубке 2 таким образом, что образует Г-образную форму. Все элементы 1, 2, 3, 4, 5 выполнены из стали (например, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т). Размеры и материал охлаждаемой шпильки 6 определяются соответствующим ГОСТ. Габаритные размеры охлаждающего устройства напрямую зависят от габаритных размеров охлаждаемой шпильки 6, и подбираются таким образом, чтобы не нарушить прочностные характеристики охлаждаемой шпильки, и не препятствовать ее основному функциональному назначению. Длина устройства охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин, равная длине трубки 2 определяется вертикальными габаритами охлаждаемой шпильки и не может превышать 0,9 ее длины. Глубина просверленного глухого отверстия в охлаждаемой шпильке соответствует 0,7 длины самой охлаждаемой шпильки и равна длине перфорации 3 трубки 1. Вертикальные оси трубок 1, 2 и просверленного глухого отверстия в охлаждаемой шпильке 6 совпадают. Длина внешней цилиндрической металлической трубки большего диаметра 2 выбирается таким образом, чтобы обеспечить контакт ее сплошного основания с основанием внутренней поверхности глухого отверстия в охлаждаемой шпильке 6, служащего для размещения в нем устройства охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин, а также с учетом необходимости наличия пространства для монтажа 5, но не менее 0,9 длины самой охлаждаемой шпильки. Длина цилиндрической металлической трубки меньшего диаметра 1 в совокупности с 3 выбирается таким образом, чтобы обеспечить монтаж 2 и цилиндрического патрубка 4, а также соблюдение условия постоянства ширины охлаждаемого цилиндрического канала, образованного 1 и 2, но не менее длины охлаждаемой шпильки 6. Толщины 1, 2, 3 одинаковы и определяются из расчета минимально допустимых величин в зависимости от давления рабочего охлаждаемого потока, но не менее 1 мм (для обеспечения возможности создания в 3 профильных направляющих перфораций со сложной геометрией каналов). Диаметр просверленного глухого отверстия в охлаждаемой шпильке 6 на 0,1 мм больше внешнего диаметра 2 и выбирается из диапазона 0,2-0,3 от диаметра охлаждаемой шпильки, таким образом охлаждающее устройство высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин можно свободно вынимать и вставлять в глухое отверстие охлаждаемой шпильки 6. При этом внешний диаметр трубки 1 и перфорации 3 выбирается в зависимости от внутреннего диаметра 2, но не более 0,9 его величины. При этом делается поправка на толщину стенок трубок таким образом, чтобы охлаждаемый цилиндрический канал (между 1 и 2) был не менее 1 мм (например, длина охлаждающего устройства 720 мм, диаметр отверстия и внешний диаметр трубки 2-35 мм, внутренний диаметр трубки 1-30 мм, толщина стенок трубок 1 мм).
На фиг. 1 и. 2 через 4 под давлением подается рабочий охлаждающий поток (например, пар или газ или воздух) в трубку 1, где распределяясь в объеме, попадает в 3. Перфорация 3 имеет одинаковый диаметр и толщину стенки с трубкой 1, а отверстия перфорации могут быть
расположены, например, в коридорном или в шахматном порядке, или по спирали. Через перфорированные отверстия в 3, которые могут быть выполнены различной геометрической формы (например, круглые, квадратные, прямоугольные или n-угольные, с простой или сложной геометрией) рабочий охлаждающий поток попадает в пространство охлаждающего канала, образованного трубками 1 и 2. При этом рабочий охлаждающий поток, проходя через отверстия в 3, выполняющие функцию равномерного распределения охлаждающего рабочего потока по всей области охлаждающего цилиндрического канала и функцию пассивного интенсификатора потока, направляется на внутреннюю поверхность трубки 2. При этом рабочий охлаждающий поток за счет перфораций приобретает лучшие физические характеристики скорости (его движение становится турбулентным), обеспечивающее лучший теплосъем с внутренней поверхности трубки 2, а шахматное или коридорное или спиральное расположение перфораций в 3 обеспечивает равномерное покрытие охлаждаемым потоком всей поверхности теплосъема, вследствие чего происходит увеличение коэффициента теплоотдачи и процесс съема тепла осуществляется с наибольшей эффективностью. В цилиндрическом охлаждающем канале, образованном трубками 1 и 2 в результате теплообмена, охлаждающий рабочий поток нагревается за счет теплоотдачи от нагретой внутренней поверхности трубки 2, которая в свою очередь воспринимает тепловой поток от шпильки 6 в результате теплопередачи. Нагретый рабочий охлаждающий поток вследствие разности давлений вытесняется из охлаждаемого канала в отводящий цилиндрический патрубок 5, при этом процесс происходит непрерывно. Образованная конструкция охлаждающего устройства жестко связана (элементы 1, 2, 3, 4, 5), герметична и мобильна (ее свободно можно вставить и удалить из просверленного глухого цилиндрического отверстия в шпильке 6).
Конструкция предложенного устройства охлаждения высокотемпературных шпилек паровых и газовых турбин позволяет размещать охлаждающее устройство в шпильках без изменения основных конструктивных элементов газовой и паровой турбины, шпилек, корпуса и фланцевых соединений турбин, а выполнение цилиндрической металлической трубки меньшего диаметра с перфорацией позволяет интенсифицировать теплообмен и как следствие уменьшить термическое напряжение на соединительных шпильках фланцевых соединений, что в свою очередь влияет на величины термической деформации всего фланцевого уплотнения (соединения). При этом повышается надежность соединений и минимизируются потери теплоносителя с утечками.