ЗАПИРАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ РОТОРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ УЗЕЛ И ПАРОВАЯ ТУРБИНА
LOCKING ELEMENT FOR SEALING OF STEAM TURBINE ROTOR, CORRESPONDING UNIT AND STEAM TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение, описанное в данном документе, относится к паровым турбинам. В частности, изобретение, описанное в данном документе, относится к уплотнительным устройствам в паровых турбинах.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Паровые турбины содержат неподвижные сопловые аппараты, которые направляют поток рабочей текучей среды в турбинные лопатки, присоединенные к вращающемуся ротору. Сопловую конструкцию (содержащую сопловые лопатки, или «аэродинамические профили») иногда называют «диафрагмой» или «ступенью соплового аппарата». Диафрагмы паровых турбин выполнены из двух половин, которые смонтированы вокруг ротора с образованием горизонтальных разъемов между указанными двумя половинами. Каждая ступень диафрагмы турбины поддерживается в вертикальном направлении опорными стойками, кронштейнами или упорными болтами, расположенными на каждой стороне диафрагмы у соответствующих горизонтальных разъемов. Горизонтальные разъемы диафрагмы также соответствуют горизонтальным разъемам кожуха турбины, который окружает диафрагму паровой турбины.
[0003] В паровых турбинах между компонентами ротора и компонентами статора используются уплотнения, обычно расположенные в радиально наружном направлении относительно конца роторных лопаток и в радиально внутреннем направлении относительно кожуха диафрагменного сопла (статора). Несмотря на то что некоторые уплотнения выполнены в виде зубцов на роторе и/или статоре, в других конфигурациях используется окружное (или вращающееся) уплотнение, расположенное в окружном пазовом замке в роторе. Эти вращающиеся (окружные) уплотнения обуславливают специфические конструктивные ограничения, в том числе с точки зрения удерживания уплотнения в радиальном направлении, регулирования вращения, закрепления в окружном направлении и стабильность уплотнения по всей окружности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Различные варианты выполнения содержат запирающий элемент ротора, а также соответствующий узел и паровую турбину. Конкретные варианты выполнения содержат запирающий элемент ротора, предназначенный для удерживания окружного уплотнения в паровой турбине и имеющий основную часть с главной осью, проходящей в направлении, по существу перпендикулярном осевому направлению в паровой турбине, причем указанная основная часть имеет первую пару противоположных сторон, вторую пару противоположных сторон, проходящих между указанной первой парой сторон, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, проходящие между указанной второй парой сторон, и выемку, фаску или скошенную кромку, проходящую между первой стороной из первой пары сторон и нижней поверхностью по всей длине основной части вдоль главной оси, и паз, выполненный в основной части, проходящий по участку ее длины вдоль главной оси между второй парой противоположных сторон и образующий отверстие во второй стороне из первой пары сторон.
[0005] Согласно первому аспекту изобретения предложен запирающий элемент ротора, предназначенный для удерживания окружного уплотнения в паровой турбине и имеющий основную часть с главной осью, проходящей в направлении, по существу перпендикулярном осевому направлению в паровой турбине, причем указанная основная часть имеет первую пару противоположных сторон, вторую пару противоположных сторон, проходящих между указанной первой парой сторон, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, проходящие между указанной второй парой сторон, и выемку, фаску или скошенную кромку, проходящую между первой стороной из первой пары сторон и нижней поверхностью по всей длине основной части вдоль главной оси, и паз, выполненный в основной части, проходящий по участку ее длины вдоль главной оси между второй парой противоположных сторон и образующий отверстие во второй стороне из первой пары сторон.
[0006] Согласно второму аспекту изобретения предложен роторный узел паровой турбины, содержащий корпус ротора с пазом, проходящим по существу по всей окружности вокруг главной оси корпуса ротора и имеющим первичный паз, проходящий по существу по всей окружности вокруг корпуса ротора, и вторичный паз, проходящий в осевом направлении от первичного паза только по части окружности вокруг корпуса ротора, причем роторный узел также содержит окружное уплотнение, расположенное в первичном пазу и проходящее по существу по всей окружности вокруг корпуса ротора, набор элементов для удерживания уплотнения, расположенных в первичном пазу и находящихся в контакте с осевой поверхностью окружного уплотнения, и запирающий элемент ротора, расположенный во вторичном пазу, находящийся в контакте с осевой поверхностью окружного уплотнения и предназначенный для удерживания окружного уплотнения в первичном пазу.
[0007] Согласно третьему аспекту изобретения предложена паровая турбина, содержащая кожух и роторный узел, по меньшей мере частично расположенный в указанном кожухе и содержащий корпус ротора, имеющий паз, который проходит по существу по всей окружности вокруг главной оси корпуса ротора и имеет первичный паз, проходящий по существу по всей окружности вокруг корпуса ротора, и вторичный паз, проходящий в осевом направлении от первичного паза только по части окружности вокруг корпуса ротора, причем роторный узел также содержит окружное уплотнение, расположенное в первичном пазу и проходящее по существу по всей окружности вокруг корпуса ротора, набор элементов для удерживания уплотнения, расположенных в первичном пазу и находящихся в контакте с осевой поверхностью окружного уплотнения, и запирающий элемент ротора, расположенный во вторичном пазу, находящийся в контакте с осевой поверхностью окружного уплотнения и предназначенный для удерживания окружного уплотнения в первичном пазу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Эти и другие особенности данного изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания различных аспектов изобретения при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, которые изображают различные варианты выполнения и на которых:
[0009] фиг. 1 изображает схематический частичный разрез паровой турбины в соответствии с различными вариантами выполнения,
[0010] фиг. 2 изображает схематический трехмерный вид в аксонометрии части роторного узла паровой турбины, содержащего запирающий элемент в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0011] фиг. 3 изображает схематический вид в аксонометрии с частичным разрезом части роторного узла паровой турбины в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0012] фиг. 4 изображает схематический вид с частичным разрезом роторного узла паровой турбины в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0013] фиг. 5 изображает схематический трехмерный вид в аксонометрии роторного узла, показанного на фиг. 4 и не содержащего запирающего элемента ротора, в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0014] фиг. 6 изображает схематический трехмерный вид в аксонометрии роторного узла, показанного на фиг. 4 и не содержащего окружного уплотнения и запирающего элемента ротора, в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0015] фиг. 7 изображает трехмерный вид в аксонометрии части роторного узла, показанного на фиг. 4 и не содержащего запирающего элемента ротора, но дополнительно содержащего элемент для удерживания уплотнения, в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения,
[0016] фиг. 8 изображает трехмерный вид в аксонометрии части роторного узла в соответствии с различными вариантами выполнения изобретения.
[0017] Следует отметить, что приведенные чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Данные чертежи предназначены исключительно для иллюстрации типичных аспектов изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие его объем. На всех чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Изобретение, описанное в данном документе, относится к паровым турбинам. В частности, изобретение, описанное в данном документе, относится к вращающимся уплотнениям в паровых турбинах.
[0019] В соответствии с различными вариантами выполнения изобретения устройство (например запирающий элемент) предназначено для закрепления/открепления окружного (вращающегося) уплотнения в паровой турбине и обеспечивает как удерживание уплотнения в радиальном направлении, так и предотвращение поворота. Обычные подходы, обеспечивающие удерживание окружных уплотнений, допускают нежелательный поворот, а также вероятность соскальзывания и сползания, что может снизить эффективность уплотнения и привести к износу уплотнения и смежных компонентов. В противоположности этим обычным подходам, различные варианты выполнения содержат запирающий элемент, размеры которого обеспечивают его взаимодействие с направляющим пазом, выполненным в корпусе ротора между расположенными по окружности элементами для удерживания уплотнения, и обеспечивают удерживание смежного вращающегося уплотнения. Запирающий элемент может иметь паз, а также иметь сварной шов, который по существу заполняет указанный паз и удерживает запирающий элемент на месте внутри роторного узла. Сварной шов может использоваться для присоединения запирающего элемента к по меньшей мере одному из следующих компонентов: корпусу ротора, окружному уплотнению и соседнему элементу для удерживания уплотнения - или его отсоединения от них. Запирающий элемент имеет достаточную ширину в осевом направлении для контакта как с вращающимся уплотнением, так и с обращенной в осевом направлении стенкой направляющего паза (например, внутри углубления в окружном уплотнении). В некоторых случаях запирающий элемент имеет выемку, фаску или скошенную кромку, обеспечивающую возможность более простого введения указанного элемента в пространство между корпусом ротора и окружным уплотнением.
[0020] Обозначенная на приведенных чертежах ось «А» задает осевое направление (вдоль оси ротора турбины, иногда называемой центральной линией турбины). Выражения «осевой» и/или «в осевом направлении», используемые в данном документе, относятся к относительному положению/направлению объектов вдоль оси А, которая по существу параллельна оси вращения турбомашины (в частности роторной секции). Выражения «радиальный» и/или «в радиальном направлении», также используемые в данном документе, относятся к относительному положению/направлению объектов вдоль оси (r), которая по существу перпендикулярна оси А и пересекает ее только в одном местоположении. Кроме того, выражения «окружной» и/или «по окружности/в окружном направлении» относятся к относительному положению/направлению объектов вдоль окружности (с), которая окружает ось А, но не пересекает ее ни в одном местоположении. Элементы, показанные на чертежах под одинаковыми номерами позиций, являются по существу аналогичными (например одинаковыми) элементами.
[0021] На фиг. 1 изображен схематический частичный разрез паровой турбины 2 (например паровой турбины высокого давления/среднего давления). Паровая турбина 2 может содержать, например, секцию 4 низкого давления (НД) и секцию 6 высокого давления (ВД) (следует понимать, что либо секция 4 НД, либо секция 6 ВД может содержать секцию среднего давления (СД), как известно в данной области техники). Секция 4 НД и секция 6 ВД по меньшей мере частично заключены в кожух 7. Пар может поступать в секцию бив секцию 4 через одно или более впускных отверстий 8, выполненных в кожухе 7, и проходить в осевом направлении вниз по потоку от отверстия (отверстий) 8. В некоторых вариантах выполнения секция 6 и секция 4 соединены общим валом 10, который может находиться в контакте с подшипниками 12, обеспечивающими возможность вращения вала 10 при вращении лопаток в каждой секции 6 и секции 4 под действием рабочей текучей среды (пара). После выполнения механической работы на лопатках в секции 6 ВД и секции 4 НД рабочая текучая среда (например пар) может выходить через выпускное отверстие 14, выполненное в кожухе 7. Центральная линия (ЦЛ) 16 секции 6 ВД и секции 4 НД показана в качестве отсчетного ориентира. Как секция 4 НД, так и секция 6 ВД могут содержать диафрагменные узлы, заключенные в сегменты кожуха 7.
[0022] На фиг. 2 изображен схематический трехмерный вид запирающего элемента 20 ротора, извлеченного из роторного узла 22 паровой турбины (или просто роторного узла 22), в соответствии с различными вариантами выполнения. На фиг. 3 изображен вид в аксонометрии с частичным разрезом роторного узла 22, показанного на фиг. 2, на котором запирающий элемент 20 показан вставленным в узел 22. На фиг. 4 изображен вид сбоку с частичным разрезом роторного узла 22, содержащего сварной шов 40, который закрепляет элемент 20, как описано в данном документе.
Pb
Pb
[0023] Как показано на фиг. 3 и 4, запирающий элемент 20 выполнен с обеспечением удерживания окружного уплотнения 24 в паровой турбине (например, в роторном узле 22, расположенном внутри паровой турбины, такой как турбина 2). В соответствии с фиг. 2-4 запирающий элемент 20 имеет основную часть 26 с главной осью (a), проходящей в направлении, по существу перпендикулярном осевому направлению (А) в узле 22 (причем осевое направление А совпадает с осью вращения в турбине 2). Основная часть 26 может иметь первую пару противоположных сторон 28, вторую пару противоположных сторон 30, верхнюю поверхность 32 и нижнюю поверхность 34, проходящие между второй парой противоположных сторон 30. Часть 26 также может иметь выемку, фаску или скошенную кромку 36, проходящую между первой стороной (28А) из первой пары сторон 28 и нижней поверхностью 34 по всей длине части 26 вдоль главной оси (a).
Pb
[0024] В соответствии с различными вариантами выполнения запирающий элемент 20 может иметь паз 38, выполненный в основной части 26. Паз 38 может проходить по участку длины (L) части 26 вдоль главной оси (a) между второй парой противоположных сторон 30 и образует отверстие во второй стороне (28В) из первой пары сторон 28. В различных вариантах выполнения, как показано на фиг. 4, запирающий элемент 20 может также содержать сварной шов 40, по существу заполняющий паз 38. В различных вариантах выполнения шов 40 может содержать шов, полученный сваркой вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG), и/или шов, полученный сваркой плавящимся электродом в инертном газе (MIG), и может быть выполнен после установки основной части 26 смежно с уплотнением 24 (в пазах, подробно описанных ниже). Как видно из фиг. 2-4, в некоторых случаях паз 38 не проходит по всей длине (L) основной части 26, так что он ограничен отдельными участками 42А, 42В второй стороны (28В) из первой пары сторон 28 с образованием полости, в которой может быть выполнен шов 40. В различных вариантах выполнения паз 38 проходит через верхнюю поверхность 32 части 26 с образованием канала для текучей среды, который расположен между второй стороной (28В) из первой пары сторон 28 и верхней поверхностью 32 и по которому может проходить сварной шов 40 (сварочный материал). В некоторых случаях, как описано в данном документе, шов 40 находится в контакте с уплотнением 24, обеспечивая соединение основной части 26 с уплотнением 24. Однако в других вариантах выполнения шов 40 может находиться в контакте с корпусом 46 ротора и/или соседним элементом 54 для удерживания уплотнения, как описано более подробно ниже.
[0025] На фиг. 5 изображен схематический трехмерный вид в аксонометрии роторного узла 22, показанного на фиг. 4, без запирающего элемента 20. На фиг. 6 изображен трехмерный вид в аксонометрии части роторного узла 22 без окружного уплотнения 24 и запирающего элемента 20. На фиг. 7 изображен трехмерный вид в аксонометрии части роторного узла 22, который не содержит запирающего элемента 20, но дополнительно содержит элемент 54 для удерживания уплотнения, как описано в данном документе. На фиг. 8 изображен роторный узел 22, содержащий окружное уплотнение 24, элементы 44 для удерживания уплотнения и запирающий элемент 20, без сварного шва 40.
[0026] В соответствии с фиг. 3, но со ссылкой на фиг. 5-8, роторный узел 22 содержит корпус 46 ротора, имеющий паз 48, который проходит по существу по всей окружности вокруг главной оси (А) корпуса 46 (главной оси А, соответствующей оси вращения паровой турбины). Паз 48 может иметь первичный паз 50, проходящий по существу по всей окружности вокруг корпуса 46, и вторичный паз 52 (фиг. 5, 6 и 7), проходящий в осевом направлении от первичного паза 50 только по части окружности вокруг корпуса 46 ротора. Как показано на фиг. 3, роторный узел 22 может содержать окружное уплотнение 24, расположенное в первичном пазу 50 и проходящее по существу по всей окружности вокруг корпуса 46 (например, в виде частей или одного сплошного куска материала). На фиг. 7 и 8 изображены дополнительные компоненты в роторном узле 22, к которым относится набор элементов 54 для удерживания уплотнения (например, элементы, расположенные по окружности), расположенных в первичном пазу 50 и находящихся в контакте с осевой поверхностью 56 уплотнения 24. Как показано на фиг. 8, запирающий элемент 20 расположен во вторичном пазу 52 (и по существу заполняет его) и находится в контакте с осевой поверхностью 56 уплотнения 24. Размеры элемента 20 могут обеспечивать его скольжение с прохождением во вторичный паз 52 или из него для закрепления уплотнения 24, например, с использованием, среди прочего, сварного шва 40 для взаимодействия (соединения) с уплотнением 24. Как описано в данном документе, U-образная форма закрепляющего элемента 20, наряду с его гибкой структурой, может обеспечивать возможность введения элемента 20 в паз 52/выведения из него для закрепления/открепления элементов 54 (и, в свою очередь, окружного уплотнения 24). Как показано на фиг. 5 и 7, в некоторых вариантах выполнения уплотнение 24 может иметь углубление 43, проходящее только по части окружности и образующее разрыв между смежными частями осевой поверхности 56. В некоторых случаях размеры этого углубления 43 могут обеспечивать размещение в нем запирающего элемента 20, и оно может совпадать с вторичным пазом 52. То есть в различных вариантах выполнения запирающий элемент 20 по существу заполняет углубление 43 с обеспечением ограничения перемещения уплотнения 24 в окружном направлении.
[0027] Во время работы паровой турбины 2 роторный узел 22 может удерживать уплотнение 24 путем приложения осевого давления к осевой поверхности 56. В частности, элементы 54 для удерживания уплотнения могут оказывать осевое давление на окружное уплотнение (у осевой поверхности 56), тогда как запирающий элемент 20 закрепляет элементы 54 на месте по окружности. Кроме того, элемент 20 взаимодействует с осевой поверхностью уплотнения 24 внутри углубления 43 с обеспечением ограничения поворота уплотнения 24 относительно корпуса 46 ротора. Кроме того, сварной шов 40 может взаимодействовать с радиально внутренней поверхностью уплотнения 24 для препятствия осевому повороту этого уплотнения 24 относительно корпуса 46. Следует понимать, что в соответствии с различными вариантами выполнения запирающий элемент 20 (и роторный узел 22) могут использоваться в ряде ступеней в паровой турбине (например турбине 2) и могут способствовать как монтажу/демонтажу компонентов окружного уплотнения, так и уменьшению износа и проблем, обусловленных выходом компонентов из строя.
[0028] Используемая в данном документе терминология применяется исключительно для описания конкретных вариантов выполнения и не должна считаться ограничивающей изобретение. Подразумевается, что используемые формы единственного числа также охватывают формы множественного числа, если из контекста с очевидностью не следует иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» указывают на наличие перечисленных признаков, чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0029] В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или эквивалентные конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.