Устройство регулирования расхода рабочего тела тепловой машины

Предлагаемая полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в газовых, паровых турбинах и других тепловых машинах.
Известен опыт установки отсечного устройства на подаче пара в ЦНД в виде задвижки и регулирующих поворотных диафрагм в практике УТМЗ для установки на турбинах Т-250-300-240 зав №№1 и 2 устройства подачи в ЦНД охлаждающего пара. Подача основного парового потока в ЦНД по паропроводам DN1600 из ЦСД-2 полностью прекращалась закрытием задвижки DN1600 (а.с. №427196, опубликована 05.05.1974). Недостатком является то, что время закрытия задвижки составляло более 3 мин, что делает ее абсолютно непригодной в качестве органа защиты турбины от разгона. Такая защита осуществлялась стопорным клапаном, установленным перед турбиной Т-250/300-240. Была поставлена задача - предложить конструкцию паровой турбины для использования 1000 т пара в час с параметрами 0,12 МПа при Т=140°С. Между источником пара и новой турбиной необходимо установить отсечное устройство (он же клапан автозатвора, он же стопорный клапан) и регулирующее устройство для изменения мощности и защиты турбины от разгона при сбросе нагрузки. В качестве регулирующего органа могла бы быть применена поворотная регулирующая диафрагма, применяемая в турбинах Т-250/300-240 УТМЗ.
При этом отсечное устройство должно соответствовать следующим условиям:
1. Время полного закрытия не более 0,35 сек (как это имеет место в стопорных клапанах типовых конструкций).
2. Холостые протечки пара через закрытое отсечное устройство должны быть не более 1% от расхода свежего пара.
3
2
3. Гидравлические потери не должны превышать 3% от давления свежего пара. Удельный объем такого пара равен 1,6582 м/кг. Конструктивно турбина аналогична цилиндру низкого давления турбины К-300 ЛМЗ или Т-250 УТМЗ. При скорости свежего пара около 80 м/сек сечение паропровода свежего пара составит 5,76 м, т.е. диаметр трубы 1,6 м, величины, равной диаметрам перепускных труб НД турбины Т-250.
Существуют и используются для установки на газопроводах больших диаметров краны шаровые и краны пробковые полнопроходные и щелевые, описанные например, И.И. Поникаровым «Машины и аппараты химических производств», изд. Машиностроение, стр. 304, рис. 5-6. Они представляют собой толстостенный корпус, в котором механической обработкой перпендикулярно оси потока выполнено коническое посадочное место, с малым углом конусности и затвора, так же имеющего форму конуса, устанавливаемого в расточку корпуса. Недостаток таких кранов - отсутствие должного быстродействия и значительная мощность привода поворота крана из-за большой силы трения между затвором и седлом, т.к. затвор перепадом давления прижимается к седлу, а также неплотность перекрытия потока. В качестве отсечного или стопорного клапана в трубопроводы такого диаметра возможна установка дискового поворотного затвора типа 32ч036бр по ТУЗ700-001-04618-2013. Но его недостаток - слишком большие габариты, в комплекте с приводом, а также неплотность перекрытия потока, что выявилось при эксплуатации таких затворов, хотя и меньших диаметров, в теплосетях г. Екатеринбург.
Известно также изобретение «Радиальная поворотная диафрагма» (патент №2317423, опубликован 20.02.2008 Бюллетень №5, автор и патентовладелец Синцов В.А.). Регулирующая поворотная диафрагма содержит цилиндрическую радиальную сопловую неподвижную диафрагму четырехклапанной конструкции, покрытую цилиндрическим кольцом, представляющим собой поворотную радиальную диафрагму. Регулирующая поворотная диафрагма выполнена симметричной, неподвижная диафрагма имеет гофр, а цилиндрическое кольцо содержит жесткий гребень. Неподвижная диафрагма и цилиндрическое кольцо установлены в средней части цилиндра низкого давления турбины серии Т. Жесткий гребень цилиндрического кольца размещен внутри гофра неподвижной диафрагмы. Недостатками регулирующей поворотной диафрагмы, выполненной в виде цилиндрического кольца, (по мнению автора патента) являются: отсутствие жесткости и, естественно, коробление; заедания при движении; - сравнительно большая утечка пара через зазоры в местах радиального, а в других конструкциях и аксиального направлениях, а также ее размещение в корпусе турбины, что приводит к вскрытию всей турбины для ее ремонта и обслуживания.
Близким к предлагаемому техническому решению является парораспределительное устройство, выполненное в виде поворотной радиальной разгруженной диафрагмы с рычажным приводом, размещенное в корпусе турбины. («Паровые турбины малой мощности КТЗ», В.И. Кирюхин, Н.М. Тараненко, Е.П. Огурцева, М. Энергоатомиздат, 1987 г, стр. 22, рис. 1.6). Недостатком такого решения является его размещение в корпусе турбины, что приводит к вскрытию всей турбины, что значительно повышает трудоемкость ремонта и обслуживание турбины.
Задачей заявленного устройства является устранение недостатков известных решений с одновременным повышением удобства обслуживания и ремонтопригодности тепловой машины.
Указанная задача решается заявленным устройством регулирования расхода рабочего тела тепловой машины, включающее в себя расположенное в отдельном от тепловой машины корпусе (1) стопорно-регулирующий (2) блок, состоящий из по меньшей мере двух поворотных (3) оболочек и по меньшей мере одной неподвижной (4) оболочки, на поверхности которых выполнены несколько сквозных отверстий с одним и тем же расположением, содержит приводы (5) поворотных (3) оболочек, соединяющих их с сервоприводами.
Техническим результатом заявленного устройства является уменьшение утечки рабочего тела, упрощение конструкции устройства и повышение удобства обслуживания и ремонтопригодности турбины (нет необходимости вскрывать всю турбину).
Поворотные (3) и неподвижные (4) оболочки, входящие в стопорно-регулирующий (2) блок могут быть выполнены как цилиндрической, так и конической формы. Сквозные отверстия различной формы, выполненные на поверхностях поворотных (3) и неподвижных (4) оболочках могут быть расположены по образующим, либо под углом к образующим поверхности с постоянным, или переменным шагом. При этом количество сквозных отверстий на поворотной (3) и неподвижной (4) оболочках может быть как одинаковым, так и различным. Для повышения жесткости, исключения коробления и заедания при движении поворотные (3) и неподвижные (4) оболочки могут содержать ребра жесткости и силовые элементы, а между оболочками могут быть установлены прокладки (6), выполненные из антифрикционного материала, например фторопласта Ф-4.
Устройство регулирования расхода рабочего тела тепловой машины может быть установлено на перепускной трубе между цилиндрами многоцилиндровой тепловой машины.
Заявленная полезная модель поясняется следующими фигурами, на которых изображен пример реализации:
фиг.1 - продольный и поперечный разрез заявленного устройства;
фиг.2 - твердотельная 3D модель заявленного устройства регулирования расхода рабочего тела тепловой машины.
Ниже приведен пример реализации заявленной полезной модели.
Устройство регулирования расхода рабочего тела тепловой машины, устанавливаемое, например, перед паровой турбиной, либо на перепускной трубе между цилиндрами многоцилиндровой паровой турбины, включает в себя, расположенный в отдельном корпусе 1 от турбины, стопорно-регулирующий 2 блок, состоящий из двух поворотных 3 оболочек и двух неподвижных 4 цилиндрических оболочек с фланцем и днищем. На поверхности неподвижных 4 оболочек выполнено несколько сквозных отверстий некруглой формы, расположенных по образующим поверхности с постоянным шагом, совпадающие со сквозными отверстиями, выполненными на поверхности поворотных 3 оболочек.
В радиальном зазоре между неподвижной 4 и поворотной 3 цилиндрической оболочкой установлена прокладка 6 из фторопласта Ф-4, закрепленная в пазах на неподвижной оболочке 4. Отверстия на неподвижной 4 и поворотной 3 оболочке имеют одинаковое расположение относительно их общей оси, но ширина и длина отверстий на поворотной 3 оболочке больше ширины и длины отверстий на неподвижной 4 оболочке для создания перекрыши. При повороте поворотной 3 оболочки относительно неподвижной 4 оболочки обеспечивается возможность ликвидации холостых протечек рабочего тела. Суммарное сечение отверстий на неподвижной 4 и поворотной 3 оболочке меньше проходного сечения неподвижной 4 цилиндрической оболочки.
Между поворотной 3 оболочкой и поверхностью фторопластовых уплотнительных прокладок 6 выполнен монтажный зазор не более 0,1-0,2 мм, что позволяет установить цилиндрическую поворотную 3 оболочку на неподвижную 4 оболочку с установленными на ней прокладками 6. На поворотной 3 оболочке диаметрально расположены два привода 5 для соединения при сборке с сервоприводом (на фигуре не показан). Возможная к применению рычажная система предложена, например, патентом №2196234 фиг. 6 и 7.
Устройство работает следующим образом. Поворотную 3 оболочку устанавливают при сборке в положение полного закрытия (Вид Б-Б фиг. 1) и перекрышей по периметру отверстия в неподвижной 4 оболочке не менее 5 мм. По команде системы регулирования срабатывает сервомотор, привод 5 поворачивает поворотную 3 оболочку относительно неподвижной 4 цилиндрической оболочки и открывает проходное сечение. Полный угол поворота, обеспечивающий полное перекрытие проходного сечения, составит примерно 2,5°. При этом отверстия в неподвижной 4 оболочки закрыты поверхностью поворотной 3 оболочки с перекрышей Е≥5 мм. Время срабатывания не превышает 0,35 сек, что достаточно для предотвращения разгона турбины рабочим телом от внешнего источника. Устранено недостаточное быстродействие.
Из пространства между стопорной и регулирующей частью блока 2 выполнен отвод рабочего тела в конденсатор или в атмосферу для предотвращения утечки рабочего тела в тепловую машину.
Проведено математическое моделирование предлагаемого устройства регулирования расхода рабочего тела тепловой машины в составе стопорно-регулирующего 2 блока в отдельном корпусе. Установлено, что гидравлическое сопротивление такого устройства менее 1,5% начального давления рабочего тела. Обычно в тепловые расчеты турбины закладывается потеря давления в стопорном и регулирующем клапанах 3-5% от давления свежего рабочего тела. Поворотные диафрагмы в турбину устанавливать нет необходимости. Зазор между поворотной 3 оболочкой и уплотняющими фторопластовыми прокладками 6 при рабочих параметрах среды станет меньше монтажного зазора за счет увеличения диаметра неподвижной 4 оболочки от перепада давления свежего рабочего тела (в нашем примере 0,12 МПа до давления в конденсаторе 0,05 КПа), но главным образом за счет того, что фторопласт Ф-4 имеет температурный коэффициент линейного расширения в 1,5 раза больше, чем сталь, из которой выполнены неподвижная 4 и поворотная 3 оболочки. Суммарное уменьшение зазора не больше 0,011 мм. Неуплотненный зазор примерно 0,09 мм.
Протечки через зазор определим по формуле
(Источник О.В. Ворожцов Гидравлика. Учебное пособие, Издательство Псков ГУ, 2014),
2
где Δр=1,2 кг/см - максимальный перепад давления между свежим рабочим телом и полным вакуумом в конденсаторе при пуске турбины,
м - перекрыша между кромками поворотной 3 оболочки и отверстием в неподвижной 4 оболочке,
-1
S=0,009 м - неуплотненный зазор,
2
μ=1,15 кг сек/м - коэффициент динамической вязкости пара при давлении 0,12 МПа и температуре 120°С (Источник М.П. Вукалович. Термодинамические свойства воды и водяного пара Машгиз, Москва 1951 г стр. 25),
L=76,8 м - суммарная длина щелей вокруг всех отверстий.
Расчетная величина протечек через неуплотненный зазор составляет
т/час т.е. <0,1% от расхода свежего рабочего тела, что численно характеризует достаточную плотность устройства при одновременно закрытых стопорных и регулирующих частях блока 2.
Заявленное устройство регулирования расхода рабочего тела тепловой машины может быть установлено в приключенных турбинах с параметрами пара 1,6 МПа типа К-110-1,6, Т-35/55-1.6, выпускаемых УТЗ.
Применение заявленного устройства регулирования расхода рабочего тела тепловой машины устраняет недостатки известных решений и улучшает обслуживание и ремонтопригодность тепловой машины, например, паровой турбины.