Внутренний цилиндр низкого давления паровой турбины
STEAM TURBINE LOW PRESSURE INNER CYLINDER

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности, турбостроения, конкретно, к опорным конструкциям цилиндров низкого давления паровых турбин.
В современных конструкциях паровых турбин одной из основных технических проблем является обеспечение надежности их работы с точки зрения теплового расширения. Для предотвращения возникновения неисправностей паровой турбины необходимо исключить возможность заклинивания, повреждения и перекосов конструктивных элементов паровой турбины. При проектировании необходимо обеспечить, чтобы изменения относительного положения элементов внутреннего цилиндра и ротора, изменяющих свои геометрические размеры по мере прогрева и остывания, не превышали допустимые пределы изменения взаимного положения элементов турбины. При этом тепловые перемещения должны быть организованы в заданных направлениях и обеспечивать соосность цилиндров низкого давления с осью паровой турбины на всех режимах работы. При увеличении габаритов деталей паровых турбин возрастают величины тепловых расширений, что приводит к необходимости поиска оптимальных решений по предотвращению заклинивания.
Увеличение габаритов цилиндров низкого давления также приводит к увеличению их металлоемкости, и, следовательно, массы, что вызывает необходимость разрабатывать опорные конструкции повышенной грузоподъемности, что дополнительно увеличивает массу конструкции. Например, по массогабаритным показателям цилиндр низкого давления тихоходной паровой турбины не менее чем на 30% тяжелее цилиндра низкого давления быстроходной паровой турбины той же мощности.
Возрастание массы внутреннего цилиндра, делает технически нецелесообразным его опирание на наружный цилиндр и вызывает необходимость передавать вес цилиндра непосредственно на фундамент.
Для соблюдения существующих законодательно установленных правил и требований по перевозке грузов к их максимальному весу и размерам, необходимы дополнительные требования к конструкции цилиндров низкого давления и опорных конструкций для обеспечения технической возможности транспортировки («Правила перевозки грузов автомобильным транспортом», утв. Постановлением Правительства РФ от 21.12.2020, №2200, Приложение 1, Приложение 3; «Инструкция ДЧ-1835 по перевозке негабаритных и тяжеловесных грузов на железных дорогах государств - участников СНГ, Латвийской Республики, Литовской Республики, Эстонской Республики», утв. 19.10.2001, глава 1).
Известно изобретение «Опорное устройство внутреннего цилиндра низкого давления паровой турбины, закрепленное на фундаменте» (патент CN №102108885; F01D 25/28; дата публикации 18.09.2013 г.) Паровая турбина содержит наружный цилиндр низкого давления и внутренний цилиндр низкого давления с горизонтальными разъемами. Внутренний цилиндр крепится к опорной конструкции, неподвижно соединенной с ним. Опорная конструкция расположена под нижней половиной внутреннего цилиндра симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось паровой турбины. Опорная конструкция опирается на фундамент и передает на него нагрузку через опорные элементы, которые расположены по бокам опорной конструкции и подвижно соединены с ней шпоночным соединением. Опорные элементы неподвижно закреплены к фундаменту. Таким образом, внутренний цилиндр и фундамент свободны от вакуумной нагрузки, также удобно регулировать осевые и радиальные зазоры в проточной части низкого давления паровой турбины.
Недостатком данного решения является то, что шпоночное соединение находится внутри проточной части паровой турбины и омывается паром, что может привести к его повреждению вследствие эрозии и коррозии и заклиниванию внутреннего цилиндра низкого давления относительно опорной конструкции. Заявленное в изобретении регулирование зазоров возможно только на остановленной турбине с вскрытием наружного цилиндра.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является полезная модель «Внутренний цилиндр низкого давления паровой турбины с опорой» (патент CN №201025076; F01D 25/24; дата публикации 20.02.2008 г.). Внутренний цилиндр низкого давления паровой турбины с горизонтальным разъемом снабжен опорой, размещенной под нижней половиной внутреннего цилиндра. Опора содержит боковые панели с центральными выемками и сквозными отверстиями. Боковые панели расположены со стороны переднего и заднего торцов внутреннего цилиндра перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через ось паровой турбины. Каждая боковая панель имеет стенки трапециевидной формы, сваренные с нижними пластинами, образуя коробчатые конструкции. По центральным выемкам опора приварена к нижней половине внутреннего цилиндра. Стенки боковых панелей соединены между собой ребрами жесткости.
Недостатком данного решения является то, что опора приварена к нижней половине внутреннего цилиндра, соответственно, при работе паровой турбины внутренний цилиндр перемещается вместе с опорой. Так как опора не имеет собственных направляющих устройств, организация тепловых расширений выполняется направляющими устройствами самого внутреннего цилиндра. На работу направляющих устройств внутреннего цилиндра будут оказывать влияние тепловые расширения опорных площадок боковых панелей. В случае неравномерного теплового прогрева одной из опорных площадок, высока вероятность заклинивания направляющих устройств цилиндра и смещения оси внутреннего цилиндра относительно оси паровой турбины, что снижает надежность работы паровой турбины. Конструкция внутреннего цилиндра с приваренной опорой имеет значительную металлоемкость и большие габариты, что может затруднить его транспортировку к месту установки паровой турбины.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в предотвращении заклинивания внутреннего цилиндра низкого давления относительно опоры и смещения оси внутреннего цилиндра относительно оси паровой турбины с целью обеспечения надежности работы паровой турбины, снижении металлоемкости конструкции, облегчении процесса транспортировки паровой турбины на электростанцию.
Для достижения указанного выше технического результата внутренний цилиндр низкого давления паровой турбины с горизонтальным разъемом снабжен опорой, размещенной под нижней половиной внутреннего цилиндра, при этом опора содержит боковые панели с центральными выемками и сквозными отверстиями, расположенные со стороны переднего и заднего торцов внутреннего цилиндра перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через ось паровой турбины.
При этом, согласно заявляемому изобретению, каждая боковая панель опоры состоит из концевых частей, снабженных шпоночными соединениями и опорными элементами, и средней части, соединенной с концевыми частями разъемным соединением.
Центральные выемки боковых панелей снабжены направляющими устройствами, обеспечивающими тепловые перемещения внутреннего цилиндра.
Боковые панели соединены между собой элементами жесткости, выполненными в виде стяжек, расположенных друг над другом и сгруппированных в вертикальные ряды параллельно вертикальной плоскости.
Концевые части боковых панелей соединены по меньшей мере одним вертикальным рядом стяжек, а средние части - по меньшей мере двумя вертикальными рядами стяжек.
Сквозные отверстия выполнены между вертикальными рядами стяжек.
Выполнение каждой боковой панели опоры в виде сборной конструкции - с концевыми частями, снабженными шпоночными соединениями и опорными элементами, и средней части, соединенной с концевыми частями разъемным соединением, обеспечивает технические возможности транспортировки паровой турбины на электростанцию с соблюдением правил и требований перевозки грузов, перемещение конструкции внутри машинного зала, за счет уменьшения вертикальных и боковых габаритов составных частей опоры. Шпоночные соединения обеспечивают тепловые перемещения внутреннего цилиндра низкого давления в радиальном направлении перпендикулярно оси паровой турбины, а также обеспечивают сохранение назначенного осевого положения внутреннего цилиндра неизменным при нагреве и остывании, что способствует предотвращению заклинивания.
Снабжение центральных выемок боковых панелей опоры направляющими устройствами, обеспечивающими тепловые перемещения внутреннего цилиндра низкого давления при продольных тепловых расширениях вдоль оси паровой турбины, исключает перемещения внутреннего цилиндра в поперечном направлении, не допускает боковые и поперечные перекосы, и фиксирует осевое положение внутреннего цилиндра. Опора в процессе работы паровой турбины сохраняет в допустимых пределах соосное положение оси внутреннего цилиндра и оси турбины при тепловом расширении внутреннего цилиндра во всех направлениях и предотвращает заклинивание и деформацию внутреннего цилиндра низкого давления относительно опоры, что обеспечивает надежность работы паровой турбины.
Соединение боковых панелей между собой элементами жесткости, выполненными в виде стяжек, расположенных друг над другом и сгруппированных в вертикальные ряды параллельно вертикальной плоскости, позволяет исключить нерасчетные взаимные перемещения боковых панелей относительно друг друга, что влияет на предотвращение заклинивания внутреннего цилиндра относительно опоры. Расчетные исследования, проведенные авторами, показали, что оптимальным является выполнение стяжек в местах максимальной деформации боковых панелей опоры, а соединение средних частей боковых панелей по меньшей мере двумя вертикальными рядами стяжек, обеспечивает необходимую жесткость конструкции опоры и сохранение расчётного пространственного положения контактных поверхностей внутреннего цилиндра и опоры, что также предотвращает заклинивание. Для сохранения расчётного пространственного положения опорных элементов концевых частей опоры, необходим по меньшей мере один вертикальный ряд стяжек для соединения концевых частей, что корректно позиционирует ось опоры относительно оси внутреннего цилиндра низкого давления.
Расположение стяжек и сквозных отверстий взаимосвязано - группировка стяжек в вертикальные ряды позволяет выполнить сквозные отверстия между вертикальными рядами стяжек максимальной площади с целью максимального снижения металлоемкости. По результатам расчетных исследований, проведенных авторами, снижение металлоемкости по сравнению с конструкцией боковых панелей по прототипу составило не менее 20%.
Предлагаемая конструкция внутреннего цилиндра низкого давления паровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет предотвратить заклинивание внутреннего цилиндра относительно опоры и смещение оси внутреннего цилиндра относительно оси паровой турбины для обеспечения надежности работы паровой турбины, снизить металлоемкость конструкции, облегчить процесс транспортировки паровой турбины на электростанцию.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения внутреннего цилиндра низкого давления паровой турбины.
На фиг. 1 представлена конструкция внутреннего цилиндра низкого давления с опорой в аксонометрии; на фиг. 2 - вид справа внутреннего цилиндра; на фиг. 3 - опора внутреннего цилиндра в аксонометрии.
Внутренний цилиндр низкого давления 1 паровой турбины с горизонтальным разъемом снабжен опорой 2, размещенной под нижней половиной внутреннего цилиндра 1. Опора 2 имеет боковые панели 3, с центральными выемками 4, расположенные со стороны переднего и заднего торцов внутреннего цилиндра 1 перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через ось 5 паровой турбины. Ось внутреннего цилиндра 1 соосна оси 5 паровой турбины и совмещена с ней.
Боковые панели 3 имеют стенки 6 и верхнюю пластину 7 и представляют собой коробчатые конструкции. Толщина боковых панелей 3 и их размеры определяются конструкцией внутреннего цилиндра 1 и расчетной величиной прогиба опоры 2. Каждая боковая панель 3 состоит из концевых частей 8 и средней части 9, соединенной с концевыми частями 8 разъемным соединением 10, например, фланцевым соединением. Концевые части 8 снабжены шпоночными соединениями 11, например, поперечными шпонками, и опорными элементами 12. Шпоночные соединения 11 размещены на верхних платиках концевых частей 8 и являются фикспунктом для организации осевых тепловых перемещений внутреннего цилиндра 1. Опорные элементы 12 соединены с концевыми частями 8 разъемным фланцевым соединением 13 и предназначены для передачи веса внутреннего цилиндра 1 на фундамент (на фиг. не показан).
Центральные выемки 4 снабжены направляющими устройствами 14, например, продольными шпоночными соединениями. Направляющие устройства 14 обеспечивают направление внутреннего цилиндра 1 при тепловых расширениях вдоль оси 5 паровой турбины и размещены симметрично вертикальной плоскости.
Боковые панели 3 соединены между собой элементами жесткости, выполненными в виде стяжек 15. Стяжки 15 соединены с боковыми панелями 3 неподвижным соединением, например, сваркой. В конкретном примере выполнения стяжки 15 имеют круглое сечение с целью минимального сопротивления потоку пара. Стяжки 15 расположены друг над другом и сгруппированы в вертикальные ряды параллельно вертикальной плоскости, проходящей через ось 5 паровой турбины. Расположение вертикальных рядов определяется расположением патрубков 16 внутреннего цилиндра 1, обеспечением требуемой прочности опоры 2 и минимальной металлоемкостью конструкции опоры 2. Количество стяжек 15 в вертикальном ряду и количество вертикальных рядов определяется геометрическими размерами опоры 2, расположением патрубков 16 и технологией выполнения неподвижных сварных соединений стяжек 15 со стенкой 6 боковой панели 3. Концевые части 8 соединены по меньшей мере одним вертикальным рядом стяжек 15. Средние части 9 соединены по меньшей мере двумя вертикальными рядами стяжек 15.
Между вертикальными рядами стяжек 15 выполнены сквозные отверстия 17. Форма и размер сквозных отверстий 17 определяется возможностью максимального снижения металлоемкости конструкции при обеспечении уровня напряжений в элементах опоры 2 на расчетном уровне, и с учетом геометрической формы боковых панелей 3.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
Во время пуска паровой турбины из холодного состояния происходит постепенный прогрев внутреннего цилиндра 1 и опоры 2. При этом происходит осевое и радиальное увеличение геометрических размеров внутреннего цилиндра 1 и осевое и поперечное увеличение геометрических размеров опоры 2. Направляющие устройства 14 обеспечивают направление теплового расширения внутреннего цилиндра 1 в заданном направлении вдоль оси 5 паровой турбины без заклинивания, тем самым, обеспечивая соосность внутреннего цилиндра 1. Шпоночные соединения 11 обеспечивают сохранение назначенного осевого положения внутреннего цилиндра 1 неизменным для горячего и холодного состояния, с предоставлением свободного теплового расширения в радиальном направлении перпендикулярно оси 5 паровой турбины. При тепловом расширении внутреннего цилиндра 1 возникают усилия за счет трения в направляющих устройствах 14 и шпоночных соединениях 11, которые стремятся сместить положение боковых панелей 3 относительно друг друга. Для предотвращения такого смещения предназначены стяжки 15, соединяющие боковые панели 3. Наличие сквозных отверстий 17 в боковых панелях 3 обеспечивает равномерный прогрев элементов опоры 2 и снижение напряжений. При останове турбины и по мере ее остывания происходят те же процессы, но тепловые перемещения направлены в обратную сторону.