ПАРОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ ОТВОДА ВЛАГИ ИЗ ПУТИ ПОТОКА В ПАРОВОЙ ТУРБИНЕ
STEAM TURBINE AND METHOD OF MOISTURE REMOVAL FROM FLOW PATH IN STEAM TURBINE

В случае влажного пара, как при поступающей с паром, или первичной, влагой, так и при влаге, осаждающейся на внутренних металлических поверхностях пути пара, т.е. вторичной влаге, происходит снижение КПД и увеличивается вероятность появления эрозии.
Скапливание воды на поверхностях диафрагмы является сложным процессом, различным для разных поверхностей. В случае использования паровой турбины «ступень» состоит из и образована двумя рядами аэродинамических профилей, один из которых является стационарным, и другой - вращающимся с вращающимися рядами аэродинамических профилей, расположенными ниже по потоку стационарного ряда аэродинамических профилей. Для стенок внешней стороны диафрагмы и аэродинамических профилей (сопел) скапливание воды создается в основном центробежными силами, которые отбрасывают капли воды от предшествующих вращающихся рабочих лопаток турбины в наружном направлении. Вследствие большого угла падения между каплями влаги и набегающими краями сопел вода большей частью оседает (попадает) на передней части всасывающей стороны (выпуклой поверхности) сопла, ближайшей к набегающему краю. На поверхности сопла, имеющей повышенное давление, скапливание воды происходит по всей протяженности канала (см. Фиг.3) за счет действия центробежных сил, которые воздействуют на крупные капли воды и ближе к сбегающему краю; причем на этой поверхности скапливается все большее количество воды. Скапливающаяся вода на стенке внешней стороны и на соплах течет вниз по потоку к вращающимся рабочим лопаткам турбины, тем самым повышая риск эрозии.
wb
Пути скапливающейся влаги в ступени паровой турбины можно проследить следующим образом. Влага начинается либо в виде первичной влаги, либо в виде вторичной влаги, которая переносится с предыдущей ступени (ступеней) турбины. Как показано на Фиг.1 и 3, влага 10 (см. Фиг.3) осаждается на находящейся под повышенным давлением или вогнутой стороне 12 стационарного аэродинамического профиля 14. Пар перемещает влагу к сбегающему краю 16 стационарного аэродинамического профиля. Оттуда влага отрывается в виде скоплений воды, которые перемещаются в одном и том же направлении, но медленнее, чем пар, позади стационарных аэродинамических профилей 14. Влага затем распыляется, когда относительная скорость между влагой и окружающим паром достигает определенного порогового значения. При этом темп ускорения влаги значительно повышается, и в это время она двигается все еще медленнее окружающего пара. Согласно Фиг.1 эта влага 18 попадает на набегающий край 22 вращающегося аэродинамического профиля. На этом чертеже ссылочной позицией W обозначена скорость вращения рабочей лопатки турбины, a V -скорость воды относительно рабочей лопатки турбины.
Как показано на Фиг.2, обычно некоторое число радиальных канавок 24 (обычно в количестве 3) может находиться на всасывающей, или выпуклой, стороне 26 вращающегося аэродинамического профиля 20 вблизи набегающего края 22 аэродинамического профиля для удаления попадающей на них влаги. Недостаток канавок 24 заключается в том, что они удаляют только ту влагу, которая уже привела к значительным потерям КПД. На самом деле, потери КПД различного вида происходят, когда влага 10 сначала осаждается на имеющую повышенное давление сторону 12 стационарного аэродинамического профиля до, и включительно, перехвата влаги 18 вращающимся набегающим краем 22.
В некоторых последних ступенях турбин (из-за высокой скорости и высоких местных значений влажности) эрозия в концевой области представляет собой обычное явление, если не приняты меры защиты. Как правило, вышеописанный механизм скапливания влаги на поверхностях лопатки является общепринятым, и на этой теории основаны многие технические решения по удалению влаги в последних ступенях паровых турбин. Изготовители обычно закаляют набегающие края рабочей лопатки турбины вблизи этой области или защищают их накладными полосками. Другие меры защиты включают в себя удаление воды при помощи средств дренажа в стенках внешней стороны (концевых стенках) сопла или через всасывающие прорези в полых лопастях статора (аэродинамические профили или сопла). Эта влага затем собирается в периферийных полостях между диафрагмой и корпусом и стекает в конденсатор.
Предыдущие концепции удаления влаги при помощи лопастей основаны на отборе пленки влаги с поверхностей лопасти через прорези за счет перепада давления между путем пара и внутренним пространством полой лопасти. Влага, собравшаяся во внешних/внутренних кольцах диафрагмы, затем в конечном счете стекает в конденсатор. Таким образом, этот способ согласно предшествующему уровню техники заключается в обеспечении полой конструкции диафрагмы с прорезями/отверстиями отбора на всасывающей стороне аэродинамического профиля, соединенной с внешними/внутренними кольцевыми камерами, дренируемыми в конденсатор.
Существующие конструкции, использующие прорези/отверстия отбора в полой лопасти, обеспечивают удаление влаги и поэтому выполняют положительную функцию. Однако этот способ удаления влаги может работать эффективно только при достаточном перепаде давления, с одновременным удалением значительного количества пара с пути прохождения пара в конденсатор, тем самым снижая КПД паровой турбины. Обычно объем утечки пара составляет 0,5-0,8% от основного количества пара. Эта утечка пропорционально снижает КПД паровой турбины.
Еще одна концепция снижения риска эрозии основана на том факте, что капли воды меньшего размера обусловливают меньшую эрозию, чем более крупные капли. Согласно этой концепции пар выходит из прорезей полой лопасти и сталкивает пленку влаги с поверхности лопасти, при этом разбивая крупные капли воды на более мелкие. В соответствии с этой концепцией прорезь выпуска пара расположена как можно ближе к сбегающему краю.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является техническое решение согласно SU 330253 А1, в соответствии с которым используют удаляющий влагу аэродинамический профиль соответствующей конструкции. В частности, в SU 330253 А1 раскрыта паровая турбина, содержащая ряд аэродинамических профилей в паровой турбине для удаления влаги из пути потока в паровой турбине, причем каждый аэродинамический профиль имеет радиальную длину, определяемую первым и вторым отстоящими в продольном направлении концами и проходящей между ними внешней периферийной стенкой, образующей набегающий край аэродинамического профиля, сбегающий край аэродинамического профиля, по существу вогнутую боковую поверхность и по существу выпуклую боковую поверхность, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля и имеющий, по меньшей мере, одно входное отверстие, сообщающееся по потоку с путем пара, проходящим ряд аэродинамических профилей и между соседними аэродинамическими профилями, и, по меньшей мере, один канал впуска, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля по оси ниже по потоку, по меньшей мере, одного канала отбора влаги и имеющий, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара в путь пара. Отвод влаги из пути потока в такой паровой турбине осуществляют посредством выполнения этапов, на которых обеспечивают, по меньшей мере, один удаляющий влагу аэродинамический профиль в ряду аэродинамических профилей паровой турбины, имеющий радиальную длину, определяемую первым и вторым отстоящими в продольном направлении концами и проходящей между ними внешней периферийной стенкой, образующей набегающий край аэродинамического профиля, сбегающий край аэродинамического профиля, по существу вогнутую боковую поверхность и по существу выпуклую боковую поверхность, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля и имеющий, по меньшей мере, одно входное отверстие, сообщающееся по потоку с путем пара, проходящим мимо ряда аэродинамических профилей и между соседними аэродинамическими профилями, и, по меньшей мере, один канал впуска пара, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля по оси ниже по потоку, по меньшей мере, одного канала отбора влаги и имеющий, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара в путь пара; отбирают влагу с поверхности аэродинамического профиля с помощью, по меньшей мере, одного канала отбора влаги; и впускают пар через, по меньшей мере, один канал впуска пара в путь пара.
Однако такая паровая турбина имеет недостаточный КПД паровой турбины, который уменьшается из-за утечек пара, а также недостаточную стойкость к эрозии.
Согласно изобретению созданы аэродинамический профиль и способ уменьшения содержания влаги, в частности, в последних ступенях паровой турбины, которая создает проблемы эрозии для последней ступени рабочих лопаток турбины. В частности, изобретение повышает КПД ступени за счет эффективного удаления влаги из пути пара и/или путем уменьшения размера капли. В приводимых в качестве примера вариантах осуществления изобретения это достигается с помощью как канала (каналов) удаления влаги для отбора влаги с поверхности сопла, так и с помощью канала (каналов) впуска пара, чтобы возвращать, по меньшей мере, некоторое количество пара, уходящего по каналам удаления влаги, и/или чтобы сталкивать влагу с поверхности аэродинамического профиля, тем самым разбивая крупные капли воды на меньшие.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создана паровая турбина, содержащая ряд аэродинамических профилей в паровой турбине для удаления влаги из пути потока в паровой турбине, причем каждый аэродинамический профиль имеет радиальную длину, определяемую первым и вторым отстоящими в продольном направлении концами и проходящей между ними внешней периферийной стенкой, образующей набегающий край аэродинамического профиля, сбегающий край аэродинамического профиля, по существу вогнутую боковую поверхность и по существу выпуклую боковую поверхность, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля и имеющий, по меньшей мере, одно входное отверстие, сообщающееся по потоку с путем пара, проходящим ряд аэродинамических профилей и между соседними аэродинамическими профилями, и, по меньшей мере, один канал впуска, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля по оси ниже по потоку, по меньшей мере, одного канала отбора влаги и имеющий, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара в путь пара. Паровая турбина дополнительно содержит диафрагму, состоящую из внутреннего кольца, внешнего кольца и аэродинамических профилей, проходящих между ними, причем во внешнем кольце выполнена наружная полость диафрагмы, представляющая собой полость разделения пара/влаги, в которую поступает влага и пар, отбираемые через канал отбора влаги, и которая сообщается по потоку с каналом впуска пара для повторного впуска пара, отделенного в полости, в путь пара.
Предпочтительно, аэродинамический профиль дополнительно содержит, по меньшей мере, одну проходящую по радиусу направляющую в полости по существу для предотвращения возвращения влаги через канал впуска.
Предпочтительно, по меньшей мере, одно входное отверстие представляет собой несколько входных отверстий, соединяющих путь пара с каналом отбора.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть поверхности аэродинамического профиля имеет углубление вблизи, по меньшей мере, одного входного отверстия.
Предпочтительно, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара проходит в направлении, по существу перпендикулярном поверхности аэродинамического профиля, или проходит под углом к поверхности аэродинамического профиля и направлено по существу в направлении вниз по потоку.
Предпочтительно, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара выходит к выпуклой поверхности аэродинамического профиля.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ отвода влаги из пути потока в паровой турбине, при котором обеспечивают, по меньшей мере, один удаляющий влагу аэродинамический профиль в ряду аэродинамических профилей паровой турбины, имеющий радиальную длину, определяемую первым и вторым отстоящими в продольном направлении концами и проходящей между ними внешней периферийной стенкой, образующей набегающий край аэродинамического профиля, сбегающий край аэродинамического профиля, по существу вогнутую боковую поверхность и по существу выпуклую боковую поверхность, по меньшей мере, один канал отбора влаги, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля и имеющий, по меньшей мере, одно входное отверстие, сообщающееся по потоку с путем пара, проходящим мимо ряда аэродинамических профилей и между соседними аэродинамическими профилями, и, по меньшей мере, один канал впуска пара, проходящий вдоль части длины аэродинамического профиля по оси ниже по потоку, по меньшей мере, одного канала отбора влаги и имеющий, по меньшей мере, одно выходное отверстие для впуска пара в путь пара; отбирают влагу с поверхности аэродинамического профиля с помощью, по меньшей мере, одного канала отбора влаги; впускают пар через, по меньшей мере, один канал впуска пара в путь пара; и обеспечивают в паровой турбине диафрагму, состоящую из внутреннего кольца, внешнего кольца и аэродинамических профилей, проходящих между ними, причем во внешнем кольце выполняют наружную полость диафрагмы, представляющую собой полость разделения пара/влаги; при этом, по меньшей мере, один канал отбора влаги и, по меньшей мере, один канал впуска пара находятся, соответственно, в сообщении по потоку с полостью разделения пара/влаги, причем при впуске пара осуществляют повторный впуск пара, отобранного с влагой, через, по меньшей мере, один канал впуска пара.
Указанные и другие цели и преимущества изобретения будут более понятны после прочтения приведенного далее более подробного описания предпочтительных в настоящее время примеров вариантов осуществления изобретения, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематический вид в поперечном сечении части ступени турбины, иллюстрирующий поток пара и влаги через нее;
Фиг.2 - схематический вид в поперечном сечении в увеличенном масштабе области А с Фиг.1;
Фиг.3 - схематический вид сверху в поперечном сечении, иллюстрирующий траекторию капли непосредственно перед осаждением на имеющей повышенное давление стороне стационарного аэродинамического профиля;
Фиг.4 - схематический вид сбоку обычной паровой турбины низкого давления с двойным потоком, иллюстрирующий расположение диафрагм последней ступени;
Фиг.5 - вид спереди обычного узла диафрагмы;
Фиг.6 - схематическая иллюстрация удаления влаги согласно примеру варианта осуществления изобретения;
Фиг.7 - более подробная иллюстрация удаления влаги согласно варианту осуществления с Фиг.6;
Фиг.8 - схематический вид в горизонтальном сечении, иллюстрирующий удаление влаги и впуск пара согласно примеру варианта осуществления изобретения;
Фиг.9 - схематическая иллюстрация отвода влаги и впуска пара согласно альтернативному варианту осуществления изобретения;
Фиг.10 - схематическая иллюстрация входного участка сбора влаги примера варианта осуществления изобретения; и
Фиг.11 - вид, аналогичный виду с Фиг.10, иллюстрирующий вариант входного участка сбора влаги.
Удаление влаги необходимо по двум основным причинам. Во-первых, удаление влаги (или уменьшение размера капель воды) необходимо для снижения риска эрозии, в частности, на рабочих лопатках турбины последней ступени. Такая эрозия может уменьшать надежность рабочей лопатки турбины, а также ухудшать рабочие характеристики ступени. Во-вторых, удаление влаги необходимо для повышения КПД ступени путем улучшения векторной диаграммы реакции между рабочей лопаткой турбины и соплом - в связи с потерями момента и траектории влаги.
Согласно изобретению созданы конструкция и способ уменьшения содержания влаги в ступени паровой турбины, в частности, в последних ступенях паровой турбины, для снижения риска эрозии рабочих лопаток турбины этой ступени (ступеней). Помимо этого, согласно изобретению получена конфигурация аэродинамического профиля и способ повышения КПД паровой турбины за счет удаления влаги из пути пара и, таким образом, повышения КПД ступени. В частности, согласно изобретению созданы конфигурация и способ, повышающие эффективность удаления влаги.
В приводимом в качестве примера варианте осуществления изобретения эффективность удаления влаги повышена при помощи такой конструкции диафрагмы, которая предусматривает как удаление влаги, так и впуск пара. Удаление влаги происходит через, по меньшей мере, один канал для отвода пленки влаги с поверхности сопла. Впуск пара происходит через, по меньшей мере, один канал впуска пара. Впуск пара сталкивает влагу с поверхности сопла и таким образом разбивает крупные капли воды на мелкие. В приводимом в качестве примера варианте осуществления впускаемый пар состоит из пара, выходящего из пути пара в канал (каналы) удаления влаги, в результате чего впуск пара экономит большую часть пара, которая обычно ушла бы в конденсатор, если бы не было канала (каналов) удаления влаги. Комбинация канал (каналов) удаления влаги и впуска пара снижает риск эрозии вращающейся лопатки турбины и повышает надежность паровой турбины. КПД повышается не только за счет удаления влаги, но также и за счет возвращения пара при помощи впуска пара, который неизбежно утекает через канал (каналы) отвода влаги.
Таким образом, изобретение направлено на решение проблемы удаления влаги, что снижает риск эрозии. Кроме того, использование изобретения позволяет уменьшить риск снижения КПД, происходящего из-за утечки/удаления пара из пути пара. Помимо этого, впуск пара согласно приводимому в качестве примера варианту осуществления изобретения повышает КПД ступени путем уменьшения размера капель влаги.
На Фиг.4 схематически показана обычная 2-поточная секция турбины низкого давления, а на Фиг.5 схематически показана обычная диафрагмная ступень. На Фиг.6 схематически показано поперечное сечение диафрагмной ступени, иллюстрирующее концепцию удаления влаги согласно настоящему изобретению; а на Фиг.7 показан подробный вид в увеличенном масштабе отвода влаги и впуска пара согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Согласно этим чертежам диафрагма 50 состоит из внутреннего кольца 52, внешнего кольца 54 и из нескольких сопел (аэродинамических профилей), проходящих между ними. В приводимом в качестве примера варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один канал 58, 60 отвода влаги и, по меньшей мере, один канал 62 впуска пара расположены вдоль, по меньшей мере, части длины аэродинамического профиля 56. В приводимом в качестве примера варианте осуществления первый и второй каналы 58, 60 отвода влаги выполнены совместно с единственным каналом 62 впуска пара.
Каждый из каналов 58, 60 отбора влаги и канала 62 впуска пара сообщается своим соответствующим наружным по радиусу концом с выполненной во внешнем кольце 54 наружной полостью 64 диафрагмы. В приводимом в качестве примера варианте осуществления наружная полость диафрагмы способствует отделению друг от друга пара и влаги для сбора влаги и ее удаления в конденсатор, причем пар может возвращаться в путь пара через канал 62 впуска пара согласно приводимому ниже более подробному описанию.
Отводящий влагу канал (каналы) 58, 60 сопла можно выполнить в виде прорези (открытой канавки) или в виде удлиненного прохода с одной или несколькими входными прорезями 66 или отверстием (отверстиями) 68 и выходом (выходами). Помимо этого, более крупная, например, непрерывная, входная полость 70 может сообщаться с входной прорезью (прорезями) 66 или отверстием (отверстиями) 68, или несколько небольших входных полостей можно соединить через соответствующие отверстия с каналом отбора. Различные неограничивающие и приводимые в качестве примера варианты осуществления изобретения показаны на Фиг.8-11.
Как показано на Фиг.8 и 10, канал (каналы) 58, 60 отбора влаги может проходить вдоль аэродинамического профиля, с удлиненным участком или полостью на поверхности сопла - для сбора и направления влаги в канал. В варианте осуществления с Фиг.10 канал 58, 60 отбора влаги имеет удлиненную прорезь 66, образованную вдоль, по меньшей мере, части его длины и направляющую влагу, собравшуюся во входном участке 70, в канал отбора влаги.
Согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на Фиг.11, несколько отверстий 68 удаления влаги сообщаются с каналом 58, 60 отбора влаги, и каждое из отверстий 68 удаления влаги имеет соответствующий участок или полость 72 входа влаги, представляющий собой углубление в поверхности аэродинамического профиля, для сбора влаги и направления ее в отверстие 68 удаления влаги для ее отвода через канал 58, 60 отбора.
Канал (каналы) 62 впуска пара может иметь аналогичную конфигурацию. Причем сопло может иметь прорезь (прорези) впуска в виде обычной прорези (прорезей) или отверстия (отверстий), направленных в путь пара под заданным углом к стенке сопла (см. Фиг.9). Как вариант, можно предусмотреть, чтобы полость впуска (см. Фиг.8) использовала эффект разрежения, имеющий место над прорезью или полостью, для снижения давления на выходе, тем самым повышая общий перепад давления для (повторного) впуска пара. Это достигается за счет того, что давление, обтекающее сопло, снижается при перемещении к сбегающему краю. Этот градиент давления обеспечивает отбор пара/влаги в одном осевом местоположении и последующий (повторный) впуск в другом осевом или радиальном местоположении при более низком давлении.
В частности, в варианте осуществления с Фиг.8 удлиненная прорезь 76 или несколько отверстий 78 впуска образованы по длине канала 62 впуска пара. В этом приводимом в качестве примера варианте осуществления прорезь/отверстия впуска расположены по существу перпендикулярно поверхности аэродинамического профиля, хотя прорезь/отверстия могут иметь наклон в направлении ниже по потоку, при этом выходная полость (полости) 80 сообщается (сообщаются) с прорезью/отверстиями 76, 78 для использования эффекта разрежения, а также для того, чтобы направлять и осуществлять течение впускаемого пара по поверхности аэродинамического профиля для удаления и разбиения влаги. В варианте осуществления согласно Фиг.9 выходная полость отсутствует, и прорезь/отверстия 82 для впуска наклонена (наклонены) в направлении вниз по потоку для удаления влаги с поверхности аэродинамического профиля.
Как упомянуто выше, канал (каналы) 58, 60 отвода влаги выходит к периферийной полости 64 внешнего кольца 54 диафрагмы. Периферийная полость отбора выполнена с возможностью повторного входа пара через впускной канал (каналы) 62 сопла, при этом влага будет стекать в нижнюю часть полости 64 корпуса и удаляться через дренажные отверстия 84, обычно, в конденсатор. В этом приводимом в качестве примера варианте осуществления выполнены, по меньшей мере, две периферийные направляющие 86 внутри полости 64 для содержания влаги в полости и предотвращения ее повторного поступления в путь пара через впускные каналы. При этом при поступлении влажного пара в полость он будет конденсироваться на стенках, и влага будет течь в основном в периферийную камеру, а затем - в нижние дренажные отверстия в выхлопном патрубке. Направляющие удерживают влагу от ее прохождения в полость 88 впуска и даже в сам канал (каналы) 62, который выходит в прорези/отверстия 76, 78, 82 сопла. Следует отметить, что поясняемая конфигурация периферийной полости отбора предлагается только в качестве примера и не ограничивает раскрываемое изобретение.
Согласно еще одному признаку предлагаемого узла между диафрагмой и внешним кольцом полости пара/влаги и выхлопным патрубком (стоком) можно выполнить подвижное или гибкое соединение (не показано). Оно может быть более явно выраженной (герметичной) полостью между диафрагмой и корпусом или может быть «подвижным соединением», обычно используемым в конструкциях газовых турбин и авиадвигателей. Соединение может также быть выполнено в виде гибкого соединения между деталями, например, в виде сильфона, поршневого кольца и трубы или в виде других соединений.
Несмотря на то, что изобретение описано на примере различных конкретных вариантов его осуществления, которые являются предпочтительными в настоящее время, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изобретение можно реализовать с различными модификациями и изменениями в рамках идеи и объема прилагаемой формулы изобретения.