УПЛОТНЕНИЕ ПУТИ ПРОХОДА ПАРА В ПАРОВОЙ ТУРБИНЕ, ПРИВОДИМОЕ В ДЕЙСТВИЕ ДАВЛЕНИЕМ
SEAL OF STEAM FLOW PATH IN STEAM TURBINE DRIVEN BY PRESSURE

Уровень техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к уплотнителям между вращающимся и неподвижным компонентами паровой турбины, а более конкретно к уплотнителю, приводимому в действие перепадом давлений, образованным между вращающимся компонентом и неподвижным компонентом паровой турбины.
В паровой турбине уплотнение между вращающимися и неподвижными компонентами является важной частью производительности паровой турбины. Следует понимать, что чем больше количество и величина путей утечки пара, тем больше потерь эффективности паровой турбины. Например, зубцы лабиринтного уплотнения, часто используемые для уплотнения между диафрагмами неподвижного компонента и ротором или между венцами лопаток ротора и неподвижным бандажом вращающегося компонента, требуют поддержания значительных зазоров для обеспечения радиального и кругового перемещения во время переходных режимов, например, запуска и остановки паровой турбины. Эти зазоры, конечно, вредят уплотнению. Также существуют проблемы с зазорами, связанные с множественными независимыми поверхностями уплотнений, наложением допусков радиальных зазоров и узлом множественных уплотнений, которые могут уменьшать эффективность паровой турбины. Кроме того, часто трудно создавать уплотнения, которые не только увеличивают эффективность паровой турбины, но также увеличивают возможность обслуживания и ремонта различных частей турбины, а также создания известных повторяющихся граничных условий для таких частей.
Раскрытие изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена паровая турбина. Паровая турбина содержит вращающийся компонент, включающий в себя множество разнесенных по окружности лопаток, которые разнесены в аксиальных положениях. Каждая из множества лопаток имеет венец с примыкающей бандажной полкой, которая включает в себя один или более уплотнительных зубцов. Паровая турбина также содержит неподвижный компонент, включающий в себя множество диафрагм, каждая из которых имеет наружное кольцо диафрагмы и внутреннее кольцо диафрагмы, отделенные посредством установочной перегородки. Множество диафрагм расположено аксиально между смежными рядами множества лопаток. Каждый ряд образует ступень турбины, которая образует участок пути прохода пара через турбину. Каждое наружное кольцо диафрагмы имеет канал, выполненный в нем, который соединяет конец высокого давления с концом низкого давления. Паровая турбина также содержит закрывающий зазор компонент, расположенный около вращающегося компонента и неподвижного компонента для уплотнения участка пути утечки пара. Закрывающий зазор компонент содержит множество закрывающих зазор устройств. Каждое из множества закрывающих зазор устройств расположено около каждого соответствующего наружного кольца диафрагмы и одного или более уплотнительных зубцов бандажной полки лопатки. Каждое из множества закрывающих зазор устройств приводится в действие перепадом давления, образуемым в канале соответствующего наружного кольца диафрагмы, которое обеспечивает уплотнение пути утечки пара посредством одного или более уплотнительных зубцов бандажной полки лопатки и наружного кольца диафрагмы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой частичный вид в сечении участка паровой турбины, иллюстрирующий различные уплотнения согласно уровню техники;
фиг.2 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 представляет собой схематичный вид в сечении, показывающий закрывающее зазор устройство, показанное на фиг.2, в рабочем состоянии при наличии перепада давления;
фиг.4 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 представляет собой схематичный вид в сечении, показывающий закрывающее зазор устройство, показанное на фиг.5, в рабочем состоянии при наличии перепада давления;
фиг.7 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8 представляет собой схематичный вид в сечении, показывающий закрывающее зазор устройство, показанное на фиг.7, в рабочем состоянии при наличии перепада давления;
фиг.9 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.10 представляет собой схематичный вид в сечении, показывающий закрывающее зазор устройство, показанное на фиг.9, в рабочем состоянии при наличии перепада давления;
фиг.11 представляет собой схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг.12 представляет собой схематичный вид в сечении, показывающий закрывающее зазор устройство, показанное на фиг.11, в рабочем состоянии при наличии перепада давления.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на чертежи, в частности на фиг.1, показан участок паровой турбины 100, имеющий вращающийся компонент 105 и неподвижный компонент 110. Вращающийся компонент 105 включает в себя, например, ротор 115 с установленным на нем множеством разнесенных по окружности лопаток 120, расположенных в аксиальных положениях вдоль турбины, образуя части различных ступеней турбины. Неподвижный компонент 110 включает в себя множество установочных перегородок 130 диафрагм 125, образующих сопла, которые вместе с соответствующими лопатками образуют различные ступени паровой турбины 100. Как показано на фиг.1, наружное кольцо 135 диафрагмы 125 несет один или более рядов уплотнительных зубцов 140 для создания уплотнения с бандажами или бандажными полками 145, примыкающими к венцам лопаток 120. Аналогично, на внутреннем кольце 150 диафрагмы 125 установлен дугообразный уплотнительный сегмент 155. Уплотнительный сегмент имеет выступающие радиально внутрь ступенчатые зубцы 160 для создания уплотнения с ротором 115. Как показано, аналогичные уплотнения предусмотрены в различных ступенях паровой турбины 100, а направление пути потока пара указано стрелкой 165.
UP
DOWN
На фиг.2 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор компонента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.2, подобно фиг.3-12, показывает только участки вращающегося компонента и неподвижного компонента паровой турбины, изображенной на фиг.1, которые необходимы для объяснения работы различных закрывающих зазор устройств, описанных здесь. В особенности, на фиг.2 показан венец лопатки и бандажная полка 200 с уплотнительными зубцами 205 для вращающегося компонента паровой турбины и наружное кольцо 210 диафрагмы для неподвижного компонента паровой турбины. Диафрагма 210 включает в себя проход 215, выполненный в ней, который соединяет конец 220 высокого давления ступени турбины с концом 225 низкого давления ступени турбины. В этом варианте осуществления проход 215 предпочтительно представляет собой канал, выполненный в наружном кольце 210 диафрагмы, который обеспечивает альтернативный путь утечки из пути 230 прохода пара для перемещения при его прохождении из области (P) высокого давления выше по потоку в область (P) низкого давления ниже по потоку. Давление на конце 225 низкого давления ниже, чем на конце 220 высокого давления или в том месте, где предусмотрен путь 230 прохода пара. Давление ниже из-за того, что давление падает на первом уплотнительном зубце 205. Это и является тем перепадом, то есть разностью давлений между концом 220 высокого давления и концом 225 низкого давления, которая заставляет закрывающий зазор компонент (например, откидное уплотнение 235) открываться и/или закрываться. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что еще больший перепад давления может быть обеспечен посредством размещения конца 220 высокого давления еще выше по потоку (например, перед предшествующей ступенью турбины). Аналогично, специалистам в данной области техники будет очевидно, что это также применимо и для вариантов осуществления, показанных на фиг.3-10. Хотя проход 215 показан на фиг.2 как U-образный, специалистам в данной области техники будет очевидно, что и проходы других форм могут быть использованы для перемещения пути 230 прохода пара от конца 220 высокого давления к концу 225 низкого давления.
Как упомянуто выше, закрывающий зазор компонент согласно данному варианту осуществления, показанный на фиг.2, включает в себя откидное уплотнение 235, соединенное посредством шарнира 240 с наружным кольцом 210 диафрагмы, вблизи конца 225 низкого давления прохода 215. Как показано на фиг.2, откидное уплотнение 235 находится в исходном или в нерабочем положении. То есть перепад давления еще не образован вдоль конца 220 высокого давления и конца 225 низкого давления. На фиг.3 показано откидное уплотнение 235 в рабочем положении, когда перепад давления уже образован. Как показано на фиг.3, откидное уплотнение 235 в рабочем положении перемещается от конца 225 низкого давления прохода 215 для закрытия уплотнительного зубца 205 бандажной полки 200. В частности, откидное уплотнение 235 закрывает поверхность 245 уплотнительного зубца 205, который находится в области высокого давления пути утечки пара. Это позволяет откидному уплотнению 235 закрывать зазор, существующий между уплотнительным зубцом 205 и внешней неподвижной частью неподвижного компонента.
На фиг.4 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор компонента согласно второму варианту настоящего изобретения. Элементы на фиг.4, аналогичные элементам, показанным на фиг.2-3, обозначены теми же ссылочными позициями, за исключением того, что ссылочные позиции на фиг.4 начинаются с цифры 4. Закрывающий зазор компонент согласно данному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.4, представляет собой откидное уплотнение 435, которое содержит сильфонный изгиб 440, приваренный с одного конца, и вертикальный выступ 445 на конце, противоположном от него. В этом варианте осуществления изобретения сильфонный изгиб 440 сопрягается с уплотнительным зубцом 405 при наличии перепада давления, а вертикальный выступ 445 контактирует с концом 425 низкого давления прохода 415 при отсутствии перепада давления. Сильфонный изгиб 440 будет уменьшать жесткость и усилия откидного уплотнения, а вертикальный выступ 445 способствовать поддержанию давления и предотвращению вибрации этого откидного уплотнения.
На фиг.5 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор компонента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Элементы на фиг.5, аналогичные элементам, показанным на фиг.2-3, обозначены теми же ссылочными позициями, за исключением того, что ссылочные позиции на фиг.5 начинаются с цифры 5. Закрывающий зазор компонент согласно данному варианту осуществления, показанному на фиг.5, содержит поршень 535, расположенный в канавке 540 наружного кольца 510 диафрагмы на конце 525 низкого давления канала 515. Следует отметить, что для простоты иллюстрации проход 515 на фиг.5 не показан полностью, как это было сделано на предыдущих чертежах. В этом варианте осуществления предусмотрено множество изогнутых пружин 545, каждая из которых прилегает к верхней части 550 и нижней части 555 на противоположных концах верхнего участка 560 поршня 535 и участка канавки 540 наружного кольца 510 диафрагмы. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что данный вариант осуществления может функционировать без использования верхних изогнутых пружин 545 настолько долго, насколько хорошо будут сконструированы нижние изогнутые пружины 545. В основном, функцией верхних изогнутых пружин 545 является позиционирование поршня 535 и предотвращение дребезжания узла. Верхние изогнутые пружины 545 также способствуют выравниванию нагрузки таким образом, чтобы перепад нижнего давления мог привести в действие уплотнение. Нижние изогнутые пружины 545 используются для того, чтобы вернуть поршень 535 в его исходное положение при отсутствии перепада давления. Дополнительной функцией изогнутых пружин 545 является создание уплотнения вокруг поршня 535.
Поршень 535, показанный на фиг.5, находится в исходном или нерабочем состоянии. То есть перепад давления от конца 520 высокого давления к концу 525 низкого давления не образован. На фиг.6 показан поршень 535 в рабочем состоянии, когда образован перепад давления. В рабочем состоянии, как показано на фиг.6, наличие перепада давления приводит к дисбалансу нагрузки множества изогнутых пружин 545, проталкивающих поршень по пути 530 прохода пара посредством уплотнительных зубцов 505 бандажной полки 500 лопатки и наружного кольца 510 диафрагмы.
В другом варианте осуществления также можно использовать только одну изогнутую пружину 545. Кроме того, в другом варианте осуществления можно применять закрывающий зазор компонент, который вообще не использует изогнутых пружин. В таком варианте осуществления поршням в нижней половине турбины не будет нужно наличие возвратного механизма, так как сила тяжести будет заставлять их возвращаться в их исходное положение.
На фиг.7 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор компонента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Элементы на фиг.7, аналогичные элементам, показанным на фиг.5-6, обозначены теми же ссылочными позициями, за исключением того, что ссылочные позиции на фиг.7 начинаются с цифры 7. В данном варианте осуществления на фиг.7 используются две двухсторонние пружины 775 для прилегания к верхней части 780, боковой части 785 и нижней части 790 верхнего участка 760 поршня 735 и участка канавки 740 внешнего кольца 710 диафрагмы. Две двухсторонние пружины 775 расположены на боковых секциях 785. В данной конфигурации уменьшено количество элементов по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг.5-6, и уменьшена вероятность смещения пружин.
Как показано на фиг.7, поршень 735 находится в исходном или нерабочем состоянии. То есть перепад давления от конца 720 высокого давления к концу 725 низкого давления прохода 715 еще не образован. На фиг.8 показан поршень 735 в рабочем состоянии, когда образован перепад давления. В рабочем состоянии, как показано на фиг.8, наличие перепада давления приводит к дисбалансу нагрузки двухсторонних пружин 775, проталкивающих поршень по пути утечки пара, отходящему от пути 730 прохода пара посредством уплотнительных зубцов 705 бандажной полки 700 лопатки и наружного кольца 710 диафрагмы. Аналогично варианту осуществления, описанному со ссылкой на фиг.5-6, можно использовать только одну двухстороннюю пружину 775 или не использовать пружину вообще.
На фиг.9 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор компонента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Элементы на фиг.9, аналогичные элементам, показанным на фиг.5-6, обозначены теми же ссылочными позициями, за исключением того, что ссылочные позиции на фиг.9 начинаются с цифры 9. В варианте осуществления, показанном на фиг.9, используются эластомерные элементы 975, прилегающие к нижней части 980 верхнего участка 960 поршня 935 и к участку канавки 940 наружного кольца 910 диафрагмы. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что эластомерные элементы 975 могут иметь различную форму и быть как цельными, так и полыми. Неисчерпывающий перечень возможных эластомерных материалов, которые могут быть использованы в этом варианте осуществления для низкотемпературных ступеней паровой турбины, включает в себя VITON (400 градусов по Фаренгейту, 204,4 градуса по Цельсию), который является зарегистрированным товарным знаком компании DuPont Dow Elastomers, и SILASTIC (600 градусов по Фаренгейту, 315,5 градусов по Цельсию), который является зарегистрированным товарным знаком компании Dow Corning Corporation.
Как показано на фиг.9, поршень 935 находится в исходном или нерабочем состоянии. То есть перепад давления от конца 920 высокого давления до конца 925 низкого давления в проходе 915 еще не образован. На фиг.10 показан поршень 935 в рабочем состоянии, когда перепад давления образован. В рабочем состоянии, как показано на фиг.10, наличие перепада давления приводит к дисбалансу нагрузки эластомерных элементов 975, проталкивающих поршень 935 по пути утечки пара, отходящему от пути прохода пара, посредством одного или более уплотнительных зубцов 905 бандажной полки 900 лопатки и наружного кольца 910 диафрагмы.
В другом варианте осуществления можно использовать только один эластомерный элемент 975. Кроме того, в другом варианте осуществления можно использовать закрывающий зазор компонент, который вообще не использует эластомерный элемент. В этом варианте осуществления поршням в нижней половине турбины не будет нужно наличие возвратного механизма, так как сила тяжести будет заставлять их возвращаться в их исходное положение.
UP
DOWN
На фиг.11-12 показан схематичный вид в сечении закрывающего зазор устройства согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.11-12 аналогичны фиг.3-10 тем, что паровая турбина на них показана упрощенно, однако на фиг.11-12 более подробно показаны вращающийся и неподвижный компоненты паровой турбины. В частности, на фиг.11-12 показана лопатка 1100, имеющая бандажную полку 1105 с уплотнительными зубцами 1110 для вращающегося компонента и наружного кольца 1115 диафрагмы, и установочные перегородки 1120 для неподвижного компонента. Наружное кольцо 1115 диафрагмы включает в себя проход 1125, выполненный в нем, который соединяет конец 1130 высокого давления ступени турбины с концом 1135 низкого давления ступени турбины. В этом варианте осуществления проход 1125 предпочтительно представляет собой канал, выполненный в наружном кольце 1115 диафрагмы, который обеспечивает альтернативный путь для пути 1140 прохода пара для перемещения при его прохождении от области (P) высокого давления выше по потоку в область (P) низкого давления ниже по потоку.
Закрывающий зазор компонент согласно данному варианту осуществления, показанному на фиг.11-12, содержит поршень 1145, расположенный в канавке 1150 наружного кольца 1115 диафрагмы в конце 1135 низкого давления прохода 1125, который перемещается в осевом направлении. Поршень 1145 содержит верхний участок 1155 и нижний участок 1160. Верхний участок 1155 имеет больший объем, чем нижний участок 1160. Кроме того, нижний участок 1160 имеет один или более уплотнительных зубцов 1165, выступающих наружу от него. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что этот вариант осуществления может работать с поршнем 1145, имеющим всего лишь один уплотнительный зубец, или, если необходимо, вообще без уплотнительных зубцов. Один или более уплотнительных зубцов 1165, выступающих от нижнего участка 1160 поршня 1145, проталкиваются по пути утечки пара посредством одного или более уплотнительных зубцов 1110 бандажной полки 1105 лопатки и наружного кольца 1115 при наличии перепада давления, как показано на фиг.12. Более конкретно, один уплотнительный зубец 1105 выступает от лопатки в осевом направлении. Приводимое в действие поршнем 1145 уплотнение перекрывает осевой зубец 1110, отходящий от лопатки для дополнительного блокирования потока и создания извилистого пути для потока утечки. На фиг.11-12 дополнительно показано, что закрывающий зазор компонент согласно данному варианту осуществления содержит, по меньшей мере, два пружинных элемента 1170. Каждый пружинный элемент 1170 прилегает к верхнему участку и нижнему участку поршня 1145 и участку канавки 1150 наружного кольца 1115 диафрагмы. Хотя на фиг.11-12 показано использование двух пружинных элементов, можно использовать только один пружинный элемент, не использовать пружинные элементы или использовать аналогично функционирующие устройства (эластомерные элементы). Как показано на фиг.12, наличие перепада давления приводит к дисбалансу нагрузки двух пружинных элементов 1170, проталкивающих один или более уплотнительных зубцов 1165 для выступания наружу из нижнего участка поршня 1145, проталкиваемого по пути утечки пара посредством одного или более уплотнительных зубцов 1110 бандажной полки 1105 лопатки и наружного кольца 1115 диафрагмы. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что уплотнение согласно данному варианту осуществления может работать и только с одним пружинном элементом 1170, а следовательно, данный вариант осуществления не ограничивается количеством пружинных элементов, показанных на фиг.11-12.
Дополнительный элемент, показанный в варианте осуществления на фиг.11-12, включает в себя держатель 1175 уплотнения, имеющий один или более уплотнительных зубцов 1180, расположенных в канавке 1185 удлинения 1190 наружного кольца 1115 диафрагмы. Держатель 1175 уплотнения расположен радиально относительно одного или более уплотнительных зубцов 1110 бандажной полки 1105 лопатки. Держатель 1175 уплотнения также служит для обеспечения уплотнения пути уплотнения, проходящего через вращающийся компонент и неподвижный компонент паровой турбины.
Хотя настоящее изобретение было подробно описано и раскрыто в отношении предпочтительного варианта его осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и дополнения. Таким образом, следует понимать, что приложенная формула изобретения охватывает все такие изменения и дополнения.