Направляющий лопаточный венец для паровой турбины, многоступенчатая паровая турбина и способ изготовления лопаточного узла
STATIONARY BLADING FOR STEAM TURBINE, MULTISTAGE STEAM TURBINE AND METHOD FOR MANUFACTURING BLADE UNIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в целом к паровым турбинам и в частности к направляющему лопаточному венцу, предназначенному для паровой турбины, а также к способу изготовления направляющего лопаточного венца.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Паровая турбина представляет собой турбомашину, которая преобразует тепловую энергию и энергию давления пара во вращательное движение, которое может использоваться для выполнения работы. Паровые турбины могут использоваться, например, для приведения в действие электрогенераторов или компрессоров.
С целью улучшения эффективности паровой турбины пар часто подвергается расширению при его прохождении через ряд ступеней. Каждая ступень обычно содержит диафрагму с направляющими лопатками и смонтированный на подшипнике роторный узел, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо.
В документе US 3881842 раскрыта диафрагма для последней ступени паровой турбины, содержащая сваренные полые лопатки. Каждая полая лопатка имеет паз для удаления жидкой фазы, при этом каждый паз сообщается с внутренним пространством направляющей лопатки. Внутреннее пространство направляющей лопатки сообщается только с кольцевым каналом обода и с кольцевым каналом корпуса. Обод имеет отверстия, выполненные с возможностью обеспечения соединения между упомянутым каналом и конденсатором.
При прохождения пара через последние ступени паровой турбины из пара может поглощаться энергия, достаточная для конденсации части пара и образования, таким образом, так называемого влажного пара, Помимо возможного коррозионного воздействия, при столкновении влажного пара с диафрагмой с направляющими лопатками указанный конденсат имеет тенденцию к интенсивному воздействию на направляющие лопатки и другие части диафрагмы. В результате направляющие лопатки и другие части каждой диафрагмы, расположенные в последних ступенях паровой турбины, могут быть повреждены, например, в течение длительного воздействия влажного пара, содержащего высокий процент конденсата.
Для современных турбин изготовление диафрагм с направляющими лопатками является дорогостоящим, в частности, для многоступенчатых паровых турбин, содержащих три или более ступеней, каждая из которых может содержать одну или несколько отдельных диафрагм с направляющими лопатками.
При повреждении указанной диафрагмы может возникнуть необходимость в остановке турбины и извлечении поврежденной диафрагмы для проведения текущего ремонта. Если ремонт невозможно провести на месте эксплуатации, то возможно потребуется отправить на ремонт всю диафрагму или альтернативно установить полностью новую статорную диафрагму. В худшем варианте, если нужна замена, необходимо изготавливать новую диафрагму с направляющими лопатками. Таким образом, в дополнение к стоимости диафрагмы добавляются расходы, связанные с длительным простоем паровой турбины.
Соответственно возникает необходимость замены обычной диафрагмы на такую, которая проста в техническом обслуживании и/или замене, способна обеспечить безотказную работу при наличии влажного пара и конструкция которой является простой и более легкой при производстве.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения направляющий лопаточный венец, предназначенный для паровой турбины, содержит направляющие лопатки, которые ограничивают кольцевую камеру и каждая из которых содержит профильную часть лопатки, имеющую первую корпусную часть и вторую корпусную часть, припаянную к указанной первой корпусной части, а также продольный канал и по меньшей мере одно отверстие, проходящее через указанную первую корпусную часть, или указанную вторую корпусную часть оболочки лопатки, или обе эти корпусные части к указанному продольному каналу, внутреннюю полку, припаянную к первому продольному концу указанной профильной части лопатки и имеющую сквозное отверстие, образующее часть указанной кольцевой камеры, и внутренний канал, проходящий от указанного сквозного отверстия к указанному продольному каналу, и наружную полку, припаянную ко второму продольному концу указанной профильной части лопатки, взаимодействующую с указанной паровой турбиной и имеющую наружный канал, выходящий на поверхность паровой турбины и в указанный продольный канал. В направляющем лопаточном венце наружная полка может иметь первый паз, выполненный с возможностью взаимодействия с первым выступом на указанной поверхности паровой турбины, и второй паз, выполненный с возможностью взаимодействия со вторым выступом на указанной поверхности паровой турбины. Указанные первый паз и второй паз могут быть смещены относительно указанной внутренней полки. В указанной внутренней полке каждой лопатки может быть выполнена канавка, образующая кольцевую канавку в указанном направляющем лопаточном венце, взаимодействующую с металлическим кольцом для соединения вместе указанных лопаток. Указанная кольцевая канавка может быть обращена внутрь к центру венца
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения паровая турбина содержит роторный узел, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, подшипник, присоединенный к роторному узлу и предназначенный для его поддержания с возможностью вращения, и направляющий лопаточный венец, как указано выше.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения многоступенчатая паровая турбина содержит роторный узел, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, подшипник, присоединенный к роторному узлу и предназначенный для его поддержания с возможностью вращения, направляющий лопаточный венец, как указано выше, предназначенный для последней ступени паровой турбины.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения способ изготовления лопатки, предназначенной для направляющего лопаточного венца в последней ступени паровой турбины и содержащей профильную часть лопатки, внутреннюю полку и наружную полку, включающий припаивание первой и второй кромок первой корпусной части профильной части лопатки к первой и второй кромкам второй корпусной части профильной части лопатки с образованием продольного канала в указанной профильной части лопатки, выполнение сквозного отверстия в указанной внутренней полке, выполнение внутреннего канала в указанной внутренней полке, проходящего от поверхности внутренней полки к указанному сквозному отверстию, припаивание первого продольного конца профильной части лопатки к указанной поверхности внутренней полки так, что указанный продольный канал открыт во внутренний канал, выполнение наружного канала в указанной наружной полке, проходящего от первой поверхности ко второй поверхности наружной полки, и припаивание второго продольного конца профильной части лопатки к указанной первой поверхности наружной полки так, что указанный продольный канал открыт в указанный наружный канал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На сопроводительных чертежах, которые включены в данное описание и составляют его часть, показаны один или несколько вариантов выполнения и вместе с описанием объясняются эти варианты выполнения. На чертежах
фиг. 1 показывает паровую турбину;
фиг. 2 показывает вид в аксонометрии иллюстративного варианта выполнения;
фиг. 3 показывает вид сбоку иллюстративного варианта выполнения;
фиг. 4 показывает вид в разрезе иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг. 2;
фиг. 5-7 показывают внутреннюю часть иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг. 2;
фиг. 8-10 показывают наружную часть иллюстративного варианта выполнения, показанного на фиг. 2;
фиг. 11 изображает блок-схему способа изготовления лопаточного узла для направляющего лопаточного венца согласно иллюстративному варианту выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем правовой охраны которого определен в прилагаемой формуле изобретения. Обсуждение последующих вариантов выполнения для упрощения выполняется с использованием терминологии и конструкции, относящихся к турбомашине, содержащей статор и ротор. Однако рассматриваемые в дальнейшем варианты выполнения не ограничиваются этими иллюстративными установками и могут быть использованы в других установках.
Ссылка в данном описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения изобретения. Таким образом, появление формулировки «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
Для введения в контекст, необходимый для понимания последующего обсуждения направляющих лопаток статора согласно этим иллюстративным вариантами выполнения, на фиг. 1 схематически показана турбомашина в виде многоступенчатой паровой турбины 400. На чертеже паровая турбина 400 содержит корпус (статор) 420, внутри которого расположено несколько диафрагм 430, содержащих направляющие лопатки, и роторный вал 450, снабженный рядом рабочих колес 440. Вал 450 поддерживается в радиальном и осевом направлении подшипниками 480.
Во время работы в паровую турбину поступает пар из впускного отверстия 460, который проходит через различные ступени расширения к выпускному отверстию 470, ведущему к конденсатору. В каждой турбинной ступени пар направляется диафрагмой 430 на рабочее колесо 440 с преобразованием тем самым тепловой энергии и энергии давления пара во вращательную энергию вала 450 ротора, которая используется для совершения работы.
На фиг. 2 показана часть направляющего лопаточного венца 12 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения. Указанный венец 12 содержит группу отдельных направляющих лопаток 14, проходящих вокруг ротора 28 (фиг. 3) в паровой турбине 10. На фиг. 2 показаны две таких лопатки 14а и 14b.
Каждая лопатка 14а, 14b содержит профильную часть 16 лопатки, как показано на фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 4 показывает поперечный разрез указанной профильной части 16, содержащей продольное ребро 24 жесткости и продольные каналы 26. Как дополнительно показано на фиг. 4, профильная часть 16 также может быть выполнена без ребра 24 жесткости и, соответственно, может иметь единый продольный канал 26. Как будет более подробно изложено в дальнейшем, каждая указанная часть 16 выполнена припаиванием первой корпусной части 18 профильной части лопатки ко второй корпусной части 22 профильной части лопатки вдоль верхней по потоку кромки 32 и нижней по потоку кромки 34 лопатки.
Как дополнительно показано на фиг. 2-4, каждая профильная часть 16 имеет отверстия 36 в указанной части 22, или указанной части 24 или в обеих этих частях. В варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4, каждое отверстие 36 является пазом, выполненным электроимпульсной обработкой. Альтернативно, отверстия 36 могут быть выполнены другими механическими способами обработки, например сверлением или фрезерованием, или отверстия 36 могут быть выполнены во время изначального изготовления указанных частей 22 и 24 оболочки лопатки, например, с помощью вкладыша в пресс-форме.
Каждая лопатка 14 содержит внутреннюю полку 38, присоединенную к первому продольному концу по меньшей мере одной профильной части 16, как показано на фиг. 2. В варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4, внутренняя полка 38 припаяна к указанной части 16, как будет изложено дополнительно ниже. Каждая внутренняя полка 38 имеет сквозное отверстие 42, проходящее поперек продольной оси 46 (фиг. 3) указанной части 16. При установке каждого из указанных узлов в паровой турбине 10 сквозное отверстие 42 образует часть кольцевой камеры 20 в направляющем лопаточном венце 12. Для улучшения уплотнения между сквозными отверстиями 42 в смежных лопатках 14 по меньшей мере один конец каждого сквозного отверстия 42 может быть снабжен канавкой 48, выполненной для размещения уплотнительной прокладки. В варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4, канавка 48 выполнена для размещения уплотнительного кольца.
Каждая внутренняя полка 38 также содержит по меньшей мере один внутренний канал 44, как показано на фиг. 3, проходящий от сквозного отверстия 42 к каждому продольному каналу 26. Альтернативно, если ребро 24 жесткости заканчивается перед продольным концом профильной части 16, то один внутренний канал 44 может быть открыт в оба продольных канала 26.
Каждая лопатка 14 также содержит наружную полку 52, присоединенную ко второму продольному концу по меньшей мере одной профильной части 16, как показано на фиг. 2 и 3. Каждая наружная полка 52 имеет по меньшей мере один наружный канал 54, который открыт в каждый продольный канал 26 и к внутренней поверхности паровой турбины 10, как показано на фиг. 2, 9 и 10. Кроме того, в варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4 и 8-10, каждая наружная полка может иметь канавку 74 на по меньшей мере одной ее стороне. Канавка 74 может быть выполнена с возможностью размещения прокладки для уплотнения смежных наружных полок 52 друг с другом и/или для создания демпфирующего воздействия на направляющий лопаточный венец 12. Указанный венец 12 может использоваться в одной из последних ступеней паровой турбины 10, как показано на фиг. 2. Во время работы конденсат из влажного пара, сталкивающегося с каждой лопаткой 14, может поступать в продольный канал 26 профильной части 16 через одно из отверстий 36. Конденсату доступны несколько трактов для прохождения внутри лопаток 14, прежде чем он выйдет наружу из венца 12 в месте, где конденсат наименее вероятно вызовет повреждение компонентов паровой турбины 10. Конденсат может проходить вниз в одном тракте, который может содержать расположенные выше роторного вала лопатки 14, через каждый продольный канал 26 и внутренний канал 44 в сквозное отверстие 42. Открытые сквозные отверстия 42, выполненные в смежных лопатках 14, которые образуют кольцевую камеру 20, проходящую по окружности в венце 12, обеспечивают возможность непрерывного прохождения указанного конденсата вниз под действием силы тяжести. Конденсат может выходить из кольцевой камеры 20 и продолжать проходить по направленному вниз тракту через внутренний канал 44 лопатки 14, расположенной ниже роторного вала паровой турбины 10. И, наконец, указанный конденсат может проходить через наружный канал 54 к поверхности паровой турбины вне направляющего лопаточного венца 12.
В другом тракте конденсат может поступать в продольный канал 26 профильной части 16 ниже роторного вала паровой турбины 10 и выходить через наружный канал 54 без начального прохождения через кольцевую камеру 20, образованную сквозными отверстиями 42.
Удаление конденсата из влажного пара, проходящего через последние ступени паровой турбины 10, может предотвратить повреждение венца 12, а также турбинных лопаток 16 и других расположенных ниже по потоку компонентов паровой турбины 10. Кроме того, венец 12 обеспечивает возможность сбора конденсата, который может содержать остаточное тепло, для его использования в других процессах.
Некоторые лопаточные узлы, например, узлы, расположенные выше роторного вала паровой турбины 10, могут быть выполнены без наружного канала 54, например, для уменьшения производственных расходов, поскольку проходящий вниз поток конденсата может исключать необходимость наличия наружных каналов 54 в лопатках 14, расположенных выше роторного вала. Кроме того, некоторые лопатки 14 могут быть выполнены с профильными частями 16, не имеющими прорези, например, для дополнительного уменьшения производственных расходов. Альтернативно, как проиллюстрировано в вариантах выполнения, показанных на фиг. 2-3 и 5-10, лопатки 14 могут быть идентичны друг другу. Это обстоятельство обеспечивает ряд преимуществ. Например, производственный процесс становится более унифицированным. Кроме того, техническое обслуживание паровой турбины 10 также является более удобным, так как во время ремонта или замены одной лопатки 14, выполненной в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, потребуется только один каталожный номер детали, так как все лопатки 14 в направляющем лопаточном венце 12 являются одинаковыми.
Помимо экономии в расходах на направляющие диафрагмы, для которых может потребоваться технический ремонт или замена как одного целого, лопатки 14 представляют собой простую однокомпонентную конструкцию, которую легче устанавливать и/или заменять по сравнению со стандартными направляющими лопаточными венцами диафрагм. Как показано на фиг. 2, 3 и 8-10, наружная полка 52 каждой лопатки 14 взаимодействует непосредственно с паровой турбиной 10. В частности, каждая наружная полка 52 содержит верхний по потоку паз 56 и нижний по потоку паз 58. Паровая турбина 10 содержит верхний по потоку выступ 62, взаимодействующий с пазом 56, и нижний по потоку выступ 64, взаимодействующий с пазом 58. Паз 56 смещен ближе к внутренней части 38 по сравнению с пазом 58. Смещение между пазами 56 и 58 может обеспечивать возможность лучшего согласования между каждой лопаткой и желательным паровым трактом через паровую турбину 10, а также может препятствовать непреднамеренной установке техником лопатки 14 в ненадлежащем положении при сборке или техническом обслуживании направляющего лопаточного венца 12.
Как показано на фиг. 2 и 3, наружный канал 54 открыт к поверхности паровой турбины 10 между выступом 62 и выступом 64. Отметим, что между наружной поверхностью указанного венца 12 и поверхностью паровой турбины 10 образована камера 76. Камера 76 может способствовать удобному сбору конденсата, который выходит из наружных каналов 54.
В каждой внутренней полке 38 имеется канавка 66, образующая непрерывную кольцевую канавку, обращенную к центру указанного венца 12, как показано на фиг. 2, 3 и 5-7. Как показано на фиг. 3, каждая канавка 66 взаимодействует с металлическим кольцом 68, которое соединяет вместе указанные лопатки 14.
Как видно на фиг. 2, 3 и 5-7, внутренняя полка 38 каждой лопатки 14 ограничивает внутреннюю площадку для припоя, окружающую первый продольный конец каждой профильной части 16. Также как видно на фиг. 2, 3 и 5-7, внешняя полка 52 каждого узла ограничивает внешнюю площадку для припоя, ограничивающую второй продольный конец каждой профильной части 16.
Площадки для припоя обеспечивают удобную поверхность для припаивания продольных концов каждой профильной части 16, а также ограничивают часть ступени и/или паровой тракт в паровой турбине 10. Отметим, что из фиг. 2 и 3 следует, что площадка для припоя каждой наружной полки 52 плавно переходит к окружающим поверхностям паровой турбины 10.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 2-4, корпусная часть 18 профильной части лопатки может быть прикреплена к корпусной части 22 профильной части лопатки вакуумной пайкой. Первый и второй продольные концы получающейся в результате профильной части 16 затем могут быть прикреплены вакуумной пайкой к внутренней полке 38 и наружной полке 52 каждой лопатки 14. Оборудование, используемое для вакуумной пайки диафрагмы 12, может быть стандартным оборудованием для вакуумной пайки, таким, как например, рассмотренное в патентных документах США №№4874918 и 4401254, содержание которых включено в данный документ посредством ссылки.
Таким образом, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг. 11, способ (1000) изготовления лопатки, предназначенной для направляющего лопаточного венца и содержащей профильную часть лопатки, внутреннюю полку и наружную полку, может включать следующие этапы: припаивание (1002) первой и второй кромок первой корпусной части профильной части лопатки к первой и второй кромкам второй корпусной части профильной части лопатки с образованием продольного канала в профильной части; выполнение (1004) сквозного отверстия во внутренней полке; выполнение (1006) внутреннего канала во внутренней полке, проходящего от поверхности внутренней полки к сквозному отверстию; припаивание (1008) первого продольного конца профильной части к поверхности внутренней полки так, что продольный канал открыт во внутренний канал; выполнение (1010) наружного канала в наружной полке, проходящего от первой поверхности ко второй поверхности наружной полки; и припаивание (1012) второго продольного конца профильной части к первой поверхности наружной полки так, что продольный канал открыт в наружный канал.
Предполагается, что вышеприведенные иллюстративные варианты выполнения изобретения являются иллюстративными во всех отношениях, а не ограничительными. Таким образом, данное изобретение допускает множество изменений в детальной реализации, которые могут быть извлечены специалистом из описания, приведенного в данном документе. Предполагается, что все такие изменения и модификации подпадают под сущность и объем правовой охраны данного изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. Никакой элемент, действие или указание, используемые в описании представленной заявки, не должны рассматриваться как важные или существенные для данного изобретения, если это прямо не указано. Кроме того, используемый в единственном числе термин может содержать один или более элементов.