Патент на изобретение №2293188

(54) СТОПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН

(57) Реферат:

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в паротурбинных установках тепловых электростанций. Стопорно-регулирующий клапан содержит паровую коробку, преобразователь энергии потока и установленные соосно по разные стороны преобразователя энергии потока с возможностью полного или частичного перекрытия потока разгруженные регулирующий и стопорный клапаны. Эти клапаны снабжены профилированными запорными чашами, разгрузочными камерами и приводными штоками. Эти камеры сообщаются с наружной поверхностью запорных чаш посредством сквозных каналов. Преобразователь энергии потока выполнен в виде конфузора. Регулирующий и стопорный клапаны установлены соответственно со стороны входного и выходного по ходу потока отверстий конфузора. Выходные отверстия сквозных каналов равномерно распределены по профилированной поверхности запорных чаш обоих клапанов и расположены ниже их посадочных диаметров. Изобретение направлено на снижение величины максимальных скоростей, возникающих в проточной части клапана, уменьшение возмущений и снижение пульсации давления в потоке, уменьшение гидравлического сопротивления клапана, снижение динамических нагрузок на элементы конструкции клапана и повышение его надежности. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в паротурбинных установках тепловых электростанций.

Указанные установки содержат парогенератор, подающий пар на турбины, с выхода которых отработанный пар поступает в конденсатор и далее конденсат через систему регенеративных подогревателей питательным насосом подается на вход парогенератора. Одной из основных задач, решаемой при проектировании указанных установок, является обеспечение их экономичности и надежности в работе. Данная задача в известных установках решается различными путями, как посредством совершенствования всей схемы установки, так и путем совершенствования ее отдельных систем, узлов и элементов. Одним из важных элементов установки, влияющим на ее экономичность и надежность, является стопорно-регулирующий клапан, устанавливаемый на входе турбины высокого давления для регулирования поступления пара из парогенератора в цилиндр высокого давления. Указанный клапан в процессе работы подвергается воздействию пара высокого давления и повышенной температуры. При этом поток пара, после его выхода из генератора пара и прохождения через подводящие трубопроводы, которые в силу своей конфигурации, как правило, неоднократно меняют пространственное направление потока, приобретает сложный вихревой характер и уже на входе создает пульсирующую нагрузку на клапан, что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению надежности клапана и, соответственно, установки.

Известен стопорно-регулирующий клапан, содержащий паровую коробку, преобразователь энергии потока, выполненный в виде диффузора, и установленные по разные стороны от него с возможностью полного или частичного перекрытия потока стопорный клапан и регулирующий клапан колокольного типа, размещенные соответственно со стороны входного и выходного патрубка, снабженные запорными элементами и приводными штоками (патент DE 2150317, F 16 К 1/32, 1971). Такая конструкция отличается излишней сложностью, имеет высокое гидравлическое сопротивление из-за загромождения внутреннего объема диффузора, создает дополнительные возмущения потока и динамические нагрузки на штоки и имеет невысокую надежность.

Известен стопорно-регулирующий клапан ЛМЗ ЦСД турбины К-300-240 (“Атлас конструкций деталей турбин”, Трухний А.Д. и др., М. МЭИ, 1999; Фиг.1), получивший широкое практическое распространение. Клапан содержит паровую коробку 1, входной 2 и выходной 3 патрубки, внутри которых расположены стопорный 4 и регулирующий 5 клапаны, между которыми установлен преобразователь энергии потока, выполненный в виде короткого диффузора 6. Клапаны снабжены запорными чашами 7, 8, выполненными в виде шарового сегмента, и установленными соосно приводными штоками 9, 10. Разгрузка стопорного клапана осуществляется через осевое отверстие 11, а разгрузка регулирующего клапана – через четыре отверстия 12, выполненные в запорной чаше 8 клапана. Указанная конструкция существенно проще конструкции предыдущего аналога и не увеличивает гидравлического сопротивления за счет загромождения внутреннего объема диффузора. Однако в ней также не удается избежать возмущений потока, вызываемых срывом потока с рабочих поверхностей запорных чаш, а также добиться минимизации динамических возмущений в процессе регулирования потока. Кроме того, использование короткого диффузора в качестве преобразователя энергии потока не позволяет обеспечить достаточную стабилизацию потока по его сечению. Указанные возмущения приводят к увеличению гидравлического сопротивления клапана и появлению пульсаций давления, что увеличивает динамические нагрузки на подвижные элементы клапана и снижает его надежность. При этом излишне высокая степень разгрузки регулирующего клапана в сочетании с высоким уровнем пульсации давления в потоке приводит в конечном итоге к повышенной вибрации всей конструкции стопорно-регулирующего клапана.

Указанные недостатки частично устранены в стопорно-регулирующем клапане, известном из патента DE 2523297, F 01 D 17/14, 1975, являющемся наиболее близким аналогом к заявленному устройству и выбранном в качестве прототипа. Клапан содержит (Фиг.2) паровую коробку 1, диффузорное седло 2, установленные соосно по разные стороны диффузора с возможностью полного или частичного перекрытия потока разгруженные регулирующий 3 и стопорный клапаны 4, снабженные профилированными запорными чашами 5, 6, разгрузочными камерами 7, 8, сообщающимися с наружной поверхностью чаш посредством сквозных каналов 9, 10, и соосными приводными штоками 11, 12. Регулирующий и стопорный клапаны установлены соответственно со стороны выходного и входного отверстий диффузора. Запорная чаша стопорного клапана имеет форму усеченного с торцевой стороны шарового сегмента, а рабочая поверхность запорной чаши регулирующего клапана имеет форму эллиптического параболоида, при этом ее рабочая поверхность при полном открытии клапана эквидистантна по отношению к внутренней поверхности выходной части диффузора, куда запорная чаша регулирующего клапана, в отличие от клапана ЛМЗ, заходит на большую глубину, образуя кольцевой диффузор, степень расширения которого при полном открытии клапана превышает 1,6. Разгрузочная камера регулирующего клапана сообщается с наружной поверхностью его чаши посредством нескольких каналов, выполненных параллельно его оси, а разгрузочная камера стопорного клапана сообщается с наружной поверхностью его чаши посредством одного осевого канала и нескольких радиальных каналов, выходные отверстия которых расположены выше посадочного диаметра стопорного клапана. Указанная конструкция, по сравнению с клапаном ЛМЗ, позволяет обеспечить более эффективное участие преобразователя энергии потока в стабилизации потока при полном открытии регулирующего клапана, однако большинство проблем остаются не решенными. Во-первых, при данной конструкции клапана улучшение условий для стабилизации потока в диффузоре сопровождается ростом гидравлического сопротивления и увеличением скорости потока на выходе диффузора, что приводит к увеличению энергетических потерь и усилению эрозионного износа рабочих поверхностей клапана. Во-вторых, несмотря на то, что рабочие поверхности запорной чаши регулирующего клапана и диффузора близки к эквидистантности при полном открытии регулирующего клапана, их эквидистантность сразу же нарушается при частичном закрытии клапана, что приводит к отрыву потока с поверхности запорной чаши 5 и, как следствие, к появлению возмущения потока и наличию пульсирующего давления, что, в свою очередь, резко увеличивает действие динамических нагрузок на подвижные элементы клапана. Причем, поскольку регулирующий клапан установлен на выходе диффузора, происходит усиление возмущения потока при его прохождении через диффузор, вызванное изменением положения запорной чаши регулирующего клапана. Кроме того, наличие возмущений потока и пульсация давления являются причиной появления низкочастотных колебаний, в том числе и в акустическом диапазоне, что ухудшает, в частности, эксплуатационные характеристики клапана и эксплуатационные и экологические характеристики паротурбинных установок в целом. В-третьих, в данном клапане, как и в клапане ЛМЗ, имеется излишне высокая степень разгрузки регулирующего клапана, что при высоком уровне пульсации давления в потоке приводит к повышенной вибрации всей конструкции стопорно-регулирующего клапана, что в совокупности с другими вышеприведенными недостатками уменьшает надежность клапана.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является снижение величины максимальных скоростей, возникающих в проточной части клапана, уменьшение возмущений и снижение пульсации давления в потоке, в том числе и в процессе регулирования расхода пара, уменьшение гидравлического сопротивления клапана, снижение динамических нагрузок на элементы конструкции клапана и повышение его надежности.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном стопорно-регулирующем клапане, содержащем паровую коробку, преобразователь энергии потока и установленные соосно по разные стороны преобразователя энергии потока с возможностью полного или частичного перекрытия потока разгруженные регулирующий и стопорный клапаны, снабженные профилированными запорными чашами, разгрузочными камерами, сообщающимися с наружной поверхностью запорных чаш посредством сквозных каналов, и приводными штоками, новым является то, что преобразователь энергии потока выполнен в виде конфузора, а регулирующий и стопорный клапаны установлены соответственно со стороны входного и выходного по ходу потока отверстий конфузора, при этом выходные отверстия сквозных каналов равномерно распределены по профилированной поверхности запорных чаш обоих клапанов и расположены ниже их посадочных диаметров.

Кроме того, преобразователь энергии потока выполнен со степенью конфузорности, равной 0,85-0,9.

Кроме того, в торцевых частях запорных чаш обоих клапанов выполнены осевые конические проточки.

Кроме того, профилированные поверхности запорных чаш обоих клапанов имеют аналогичную геометрическую форму.

Преимущества заявляемого стопорно-регулирующего клапана обеспечиваются за счет предложенных изменений в его конструкции.

Выполнение преобразователя энергии потока в виде конфузора позволяет обеспечить высокую стабильность течения не только при полном, но и при частичном открытии регулирующего клапана. На всех режимах скорости потока в выходном сечении конфузора, определяемые минимальной площадью его проходного сечения, оказываются соизмеримыми со скоростями пара в подводящих паропроводах. Соответственно обеспечивается не только низкое гидравлическое сопротивление в системе отвода пара, но и резко уменьшаются низкочастотные колебания, в том числе и акустическое излучение, что улучшает эксплуатационные характеристики всей системы паровпуска и, соответственно, характеристики паротурбинных установок в целом.

Размещение регулирующего и стопорного клапана соответственно со стороны входного и выходного по ходу потока отверстий конфузора способствует увеличению стабилизирующего воздействия конфузора в процессе регулирования расхода пара и снижению динамических возмущений.

Равномерное распределение выходных отверстий сквозных каналов по профилированной поверхности запорных чаш обоих клапанов и расположение их ниже посадочных диаметров чаш позволяет минимизировать отрицательные последствия отрыва потока с рабочей поверхности запорных чаш и, соответственно, снизить уровень действующих возмущающих сил, что приводит к уменьшению динамических нагрузок, действующих на конструкцию клапана, и увеличению его надежности.

Выбранная степень конфузорности преобразователя энергии потока, равная 0,85-0,9, является наиболее оптимальной для данной конструкции клапана и позволяет добиться высокой стабильности течения потока.

Наличие в торцевых частях запорных чаш обоих клапанов осевых конических проточек способствует максимальному демпфированию тех возмущений, которые имеют место в области отрыва потока с торцевой части клапанов.

Выполнение профилированных поверхностей запорных чаш обоих клапанов с аналогичной геометрической формой облегчает стабилизацию потока и улучшает технологичность клапана. Сущность предлагаемых технических решений иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1 – продольное сечение стопорно-регулирующего клапана ЛМЗ;

Фиг.2 – продольное сечение стопорно-регулирующего клапана по патенту DE 2523297;

Фиг.3 – продольное сечение заявляемого клапана в открытом положении;

Фиг.4 – продольное сечение заявляемого клапана в закрытом положении.

Заявляемый стопорно-регулирующий клапан содержит паровую коробку 1, преобразователь энергии потока, выполненный в виде конфузора 2, и установленные соосно с ним разгруженные регулирующий 3 и стопорный 4 клапаны, расположенные соответственно со стороны входного и выходного по ходу потока отверстий конфузора и обеспечивающие возможность полного или частичного перекрытия потока. Клапаны снабжены профилированными запорными чашами 5, 6 и системами разгрузки, выполненными, например, аналогично принципиальной конструкции разгруженного регулирующего клапана, приведенной в патенте RU 2210696, включающей разгрузочные камеры 7, 8, сообщающиеся с наружной поверхностью запорных чаш посредством сквозных каналов 9, 10, при этом выходные отверстия сквозных каналов равномерно распределены по рабочей поверхности запорных чаш обоих клапанов и расположены ниже их посадочных диаметров. Рабочие поверхности запорных чаш спрофилированы таким образом, чтобы при их открытии гарантировано обеспечивалось безотрывное течение потока в осесимметричном клапанном канале, и могут быть выполнены, например, в виде поверхности тела вращения, сформированного посредством параболической образующей и усеченного в торцевой части, где имеется осевая коническая проточка 13, 14, демпфирующая пульсации давления в области торцевого среза. Запорные чаши приводятся в действие посредством приводных штоков 11, 12. Запорная чаша 6 стопорного клапана жестко соединена со штоком 12, перемещающимся внутри втулки 15. Паровая плотность клапана обеспечивается двумя поршневыми кольцами 16. Их наружный диаметр несколько больше посадочного диаметра клапана, что при постоянной разгрузке клапана через отверстия перфорации 10 позволяет при всех открытиях обеспечить необходимую паровую нагрузку для автоматического закрытия клапана в аварийных ситуациях. В регулирующем клапане 3 разгрузка осуществляется с помощью разгрузочного клапана 17, выполненного совместно со штоком 11 и перекрывающего разгрузочное отверстие 18 в седле 19 разгрузочного клапана. Седло 19 разгрузочного клапана сдвинуто внутрь основного клапана, и между выходом из разгрузочного отверстия и запорной чашей клапана образуется промежуточная демпферная (интегральная) камера 20, которая сообщается с пространством 21 за клапаном 3 через сквозные каналы 9, выполненные в чаше 5, при этом запорная чаша является по существу перфорированным экраном между основным потоком и потоком, выходящим из системы разгрузки клапана. Такая система разгрузки позволяет получить достаточно высокую степень разгрузки регулирующего клапана при создании необходимого подгружающего усилия в процессе подъема штока и, соответственно, обеспечить возможность увеличения посадочного диаметра клапана без увеличения мощности сервомотора. Это позволяет использовать в качестве преобразователя энергии потока конфузор с выходным диаметром, равным или близким к диаметру подводящего трубопровода. Небольшая степень конфузорности 0,85-0,9 обеспечивает необходимую стабильность течения пара и не ведет к значительному увеличению скоростей потока, в результате чего при полном открытии клапана максимальная скорость в его проточной части находится на уровне скоростей пара в трубопроводах (50-60 м/с).

Клапан работает следующим образом.

В исходном положении закрыты как стопорный 4, так и регулирующий 3 клапаны. При подаче пара на турбины первоначально открывается стопорный клапан 4. Для его открытия при закрытом регулирующем клапане 3 вполне достаточно усилия, развиваемого собственным сервомотором небольшой мощности, т.к. при любых ситуациях через отверстия перфорации 10 обеспечивается достаточно высокая степень разгрузки клапана от осевых усилий. Пуск турбины и последующий набор нагрузки происходит при открытии регулирующего клапана 3. Вначале открывается разгрузочный клапан 17, соединенный со штоком 11, и внутреннее пространство 22 основного клапана через седло 19 разгрузочного клапана 17 и отверстия перфорации 9 сообщается с пространством за клапаном. При дальнейшем движении штока 11 разгрузочный клапан 17 упирается в упорную втулку 23 и отрывает основной клапан 3 от седла 24, обеспечивая доступ пара в турбину. При этом между поверхностью запорной чаши 5 клапана 3 и седлом 24 образуется кольцевой профилированный канал с минимальным давлением в области расположения отверстий перфорации 9, что обеспечивает низкий уровень статических усилий, необходимых для перестановки клапана. По мере подъема клапана 3 эти усилия после прохождения максимума, который находится примерно на 1/3 от общего хода клапана, начинают интенсивно снижаться, и усилие на штоке 11 может изменить свой знак (стать отрицательным). Для предотвращения этого при подъеме клапана, превышающем 35-40% от общего хода, конусная часть втулки 25 начинает перекрывать кольцевую щель между штоком 11 и отверстием во втулке 26. В результате прекращается протечка пара через систему разгрузки и существенно растет давление над втулкой 26, обеспечивая надежное прижатие клапана 3 к головке штока 11. При полном подъеме клапана 3 происходит непрерывное ускорение потока от входного сечения седла до выхода из него.

Предлагаемый стопорно-регулирующий клапан может найти широкое применение в энергетическом машиностроении, преимущественно в паротурбинных установках тепловых электростанций. При этом предлагаемый клапан может быть использован для модификации уже существующих паротурбинных установок, позволяя при относительно небольших затратах добиться повышения их надежности и экономичности. Как показали проведенные исследования, переход от диффузорного преобразователя энергии потока к конфузорному и установка регулирующего клапана со стороны входа в конфузор по сути исключили нестабильный характер течения в проточной части клапана и обеспечили его высокую вибрационную надежность. Соответственно по сравнению со всеми существующими клапанами удалось в 2-3 раза снизить гидравлическое сопротивление, уменьшить шум на 10-15 дБ и до минимального уровня снизить вибрацию всего блока и тем самым существенно увеличить его надежность и время безремонтной работы.

Формула изобретения

1. Стопорно-регулирующий клапан, содержащий паровую коробку, преобразователь энергии потока и установленные соосно по разные стороны преобразователя энергии потока с возможностью полного или частичного перекрытия потока разгруженные регулирующий и стопорный клапаны, снабженные профилированными запорными чашами, разгрузочными камерами, сообщающимися с наружной поверхностью запорных чаш посредством сквозных каналов, и приводными штоками, отличающийся тем, что преобразователь энергии потока выполнен в виде конфузора, а регулирующий и стопорный клапан установлены соответственно со стороны входного и выходного по ходу потока отверстий конфузора, при этом выходные отверстия сквозных каналов равномерно распределены по профилированной поверхности запорных чаш обоих клапанов и расположены ниже их посадочных диаметров.

2. Стопорно-регулирующий клапан по п.1, отличающийся тем, что преобразователь энергии потока выполнен со степенью конфузорности, равной 0,85-0,9.

3. Стопорно-регулирующий клапан по п.1, отличающийся тем, что в торцевых частях запорных чаш обоих клапанов выполнены осевые конические проточки.

4. Стопорно-регулирующий клапан по п.1, отличающийся тем, что профилированные поверхности запорных чаш обоих клапанов имеют аналогичную геометрическую форму.

РИСУНКИ