СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ ПО РОТОРУ ДВУХПОТОЧНОЙ ТУРБИНЫ
METHOD FOR CONTROL OF AXIAL FORCE ON ROTOR OF DOUBLE-FLOW TURBINE

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании двухпоточных турбин.
В двухпоточных турбинах рабочее тело подают в центр проточной части турбины, откуда оно растекается по двум симметричным потокам. Из-за симметрии проточной части силы, действующие на противоположные части ротора, взаимно уравновешиваются, и в итоге суммарная осевая сила равна нулю. С точки зрения потерь такая ситуация является благоприятной, однако положение ротора относительно статора становится неопределенным и неустойчивым, поскольку идеального уравновешивания невозможно добиться из-за значительных колебаний давления рабочего тела на входе в турбину и, особенно, на выходе из турбины в выхлопных патрубках. Поэтому фактически суммарная осевая сила изменяется некоторым случайным образом относительно нулевого среднего значения, вызывая осевые перемещения ротора в разные стороны. Эти смещения приводят к ударам упорного гребня ротора по колодкам упорного подшипника, что может привести к их разрушению. Отсюда возникает необходимость в регулировании осевого усилия.
Известен способ регулирования осевого усилия с помощью диска переднего концевого уплотнения турбины (думмиса) (Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин: Учеб. для вузов: В 2 кн. Кн.1. - 6-е изд., перераб., доп. и подгот. к печати Б.М.Трояновским. - М.: Энергоатомиздат, 1993. с.364), увеличивая диаметр которого, можно создать уравновешивающее усилие, направленное навстречу потоку пара и уменьшающее нагрузку на упорный подшипник.
Недостатками диска переднего концевого уплотнения являются:
- увеличение диаметра концевого уплотнения приводит к увеличению протечки пара через уплотнение и уменьшению экономичности турбины;
- возникают конструктивные затруднения плотного горизонтального разъема цилиндра;
- уменьшение диаметра уплотнения приводит к повышению осевого усилия и, следовательно, к увеличению размеров упорного подшипника и механических потерь.
Известен способ регулирования осевого усилия МЭИ - ЛМЗ (Трояновский Б.М., Фрагин М.С. «Об осевых усилиях в многоцилиндровых паровых турбинах», ж. Теплоэнергетика №10, 1996, с.62), который позволяет отказаться от думмиса в двухпоточных конденсационных паровых турбинах путем перераспределения числа ступеней левого и правого потока, увеличив число ступеней в одном из потоков и таким образом повысив усилие в потоке. Такое предложение дает возможность отказаться от думмиса, но в случае двухпоточной однокорпусной турбины нарушит не только симметрию конструкции, но и режимные характеристики каждого из потоков турбины.
Известен способ регулирования осевого усилия в паровых турбинах с противоточными цилиндрами по патенту US 6892540 B1, МПК F01K 13/00, 2005. Регулирование достигается путем определения величины осевого усилия, с которым вал ротора действует на упорный подшипник, и снижением давления пара в одном из потоков, с помощью парогенератора и управляемых клапанов. Решение позволяет обеспечить нагрузку на упорный подшипник и при этом предотвратить его разрушение.
Рассмотренный способ является наиболее близким аналогом к заявленному способу регулирования осевого усилия в двухпоточных турбинах. Недостатками этого способа является то, что использование парогенератора и системы клапанов приводит к усложнению конструкции системы регулирования, снижению надежности и сложности в эксплуатации.
Указанные недостатки устраняются заявленным способом.
Заявленный способ позволяет с помощью применения разгрузочных отверстий в дисках ротора двухпоточной турбины достичь технического результата при минимально возможных механических потерях. Способ отличается надежностью и простотой в эксплуатации.
Задачей способа является регулирование осевого усилия по ротору двухпоточной турбины путем создания направленного усилия, величина которого обеспечивает прижатие упорного гребня ротора к рабочим колодкам упорного подшипника. Направленное усилие создают с помощью разгрузочных отверстий в дисках ротора, причем разгрузочные отверстия применяют во всех дисках одного из потоков, а во втором потоке либо применяют диски без разгрузочных отверстий, либо применяют разгрузочные отверстия в диске последней ступени, либо применяют разгрузочные отверстия в дисках двух последних ступеней.
Способ регулирования осевого усилия по ротору представлен на примере двухпоточной турбины, изображенной на чертеже.
Двухпоточная паровая турбина содержит корпус 1, ротор 2 с дисками 3, упорным подшипником 4 и двумя опорными подшипниками 5, расположенными на одном валу с ротором 2. Ротор симметричный, количество дисков в каждом потоке турбины одинаковое. Со стороны упорного подшипника 4 ротор 2 имеет упорный гребень 7, который служит для поджатия колодок упорного подшипника 4. Диски на роторе расположены симметрично, но количество дисков 3 с разгрузочными отверстиями 6 различно в каждом из потоков двухпоточной турбины с преобладанием их в одном из потоков. На чертеже представлен способ регулирования осевого усилия по ротору, когда разгрузочные отверстия применены во всех дисках потока А двухпоточной турбины, а в потоке Б разгрузочные отверстия применены в дисках двух последних ступеней.
Регулирование осевого усилия осуществляют следующим образом.
Подача рабочего тела в турбину осуществляется через паропровод 8 в центр проточной части, откуда он растекается по двум противоположным направлениям: поток А и поток Б. Рабочее тело, проходящее в потоке А, встречает меньшее сопротивление, чем то, которое проходит в потоке Б, ввиду того что в потоке А все диски ротора 2 имеют разгрузочные отверстия. Следовательно, перепад давления в потоке А будет меньше, чем перепад давления в потоке Б. Эта разница находится в прямой зависимости от количества и месторасположения разгрузочных отверстий.
Возможны различные варианты применения разгрузочных отверстий, например:
- все диски одного из потоков могут быть выполнены с разгрузочными отверстиями 6, а диски другого потока - без них;
- все диски одного из потоков могут быть выполнены с разгрузочными отверстиями 6, а во втором потоке один последний диск с разгрузочными отверстиями 6;
- все диски одного из потоков могут быть выполнены с разгрузочными отверстиями 6, а во втором потоке два последних диска с разгрузочными отверстиями 6.
При любом варианте применения разгрузочных отверстий производят расчет осевого усилия по каждому из потоков А и Б двухпоточной турбины. Осевые усилия расчитывают по двум вариантам: с разгрузочными отверстиями и без разгрузочных отверстий.
Определение количества разгрузочных отверстий и их размещение производится из двух параметров:
- несущая способность упорного подшипника;
- величина и направление усилия, создаваемого в результате погрешности изготовления и разности теплофизических процессов, происходящих на выхлопе потоков А и Б.
Разность осевых нагрузок в потоках А и Б турбины не должна превышать значения, обусловленного запасом прочности (несущая способность подшипника) на упорный подшипник 4, и быть не ниже номинального значения, необходимого для прижатия упорного гребня 7 ротора 2 к рабочим колодкам упорного подшипника 4.
Для примера, показанного на чертеже, вектор усилия потока А меньше вектора усилия потока Б. Сумма векторов потоков А и Б турбины дает вектор усилия по ротору 2.
Изобретение позволяет без диска переднего концевого уплотнения, перераспределения числа ступеней, перепуска пара обеспечить создание и поддержание осевой нагрузки на упорный подшипник в допустимых пределах. При этом благодаря применению разгрузочных отверстий в дисках ротора двухпоточной турбины технический результат достигается при минимально возможных механических потерях без снижения экономичности. Способ отличается надежностью и простотой в эксплуатации.