Патент на изобретение №2319016

(54) ЦИЛИНДР СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при проектировании и модернизации цилиндров среднего давления паровых турбин ТЭС, работающих с промежуточным перегревом пара. Цилиндр среднего давления паровой турбины включает корпус с камерой паровпуска, соединенной через сепаратор с полостью меньшего давления, направляющий аппарат с расположенными за ним с увеличенным межвенцовым зазором рабочими лопатками, размещенную над бандажом рабочих лопаток обечайку с радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом, образующим с передней кромкой бандажа открытый осевой зазор и с торцом направляющего аппарата осевой зазор, соединенный через сепаратор с полостью меньшего давления. В обечайке между радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом выполнены щелевые каналы постоянного или переменного сечения, входные участки которых расположены напротив входной кромки бандажа рабочих лопаток, при этом в нижней части сепараторов установлены датчики контроля абразивного продукта. Заявляемое техническое решение позволяет уменьшить в первой ступени износ надбандажного уплотнения и протечки через него за счет выполнения щелевых каналов постоянного или переменного сечения в обечайке между радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом напротив входной кромки бандажа рабочих лопаток. Наличие датчиков абразивного продукта позволяет использовать в нижней части сепараторов накопительную камеру малого объема, своевременно удалять абразивный продукт из накопителя сепаратора, тем самым оптимизировать режим работы турбины за счет уменьшения поступления абразивного продукта в турбину из котла. 4 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при проектировании и модернизации цилиндров среднего давления паровых турбин ТЭС, работающих с промежуточным перегревом пара.

Известен цилиндр среднего давления паровой турбины, содержащий корпус с камерой паровпуска, направляющий аппарат первой ступени, расположенные за ним рабочие лопатки с периферийным бандажом и установленную радиально над ним обечайку статора со стороны диафрагмы второй ступени таким образом, что между обечайкой и корпусом цилиндра среднего давления образована кольцевая полость, а между обечайкой и торцом направляющего аппарата первой ступени выполнен осевой зазор. Наличие кольцевой полости, расположенной за пределами проточной части и сообщающейся открытым осевым зазором с периферийной областью межвенцового зазора первой ступени способствует частичному выводу окалины (абразивного продукта), образующейся в результате разрушения оксидной пленки на внутренней стенке промперегревателя котла (Щегляев А.В. Паровые турбины. Книга 2. 6-е издание. – М.: Энергоатомиздат, 1993. С.306, Рис.10, 7б).

Недостатками известного технического решения является то, что скопление абразива в нижней части камеры паровпуска обуславливает повышенный износ направляющих лопаток в нижней половине первой ступени, кроме того, малая величина межвенцового зазора первой ступени и отсутствие отсоса из него абразивного продукта приводят к интенсивному износу выходных кромок направляющих лопаток, надбандажного уплотнения и шипов рабочих лопаток первой ступени, а перемещение в результате воздействия рабочих лопаток первой ступени абразивного продукта в периферийную область на входе во вторую ступень обуславливает повреждения направляющих и рабочих лопаток второй ступени, а также ее надбандажного уплотнения.

Известен цилиндр среднего давления паровой турбины, содержащий корпус с камерой паровпуска, соединенной через сепаратор с полостью меньшего давления, направляющий аппарат с расположенными за ним с увеличенным межвенцовым зазором рабочими лопатками, размещенную над бандажом рабочих лопаток обечайку с радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом, образующим с передней кромкой бандажа открытый осевой зазор и с торцом направляющего аппарата осевой зазор, соединенный через сепаратор с полостью меньшего давления (RU 2208682, МПК: F01D 1/02, опубликован 20.07.2003).

По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, является то, что паровая продувка сепараторов осуществляется периодически, что снижает эффективность удаления абразивного продукта из проточной части, кроме того, невозможно установить оптимальный расход пара в продувке; как показала эксплуатация, при недостаточном расходе пара температура продувочных контуров снижается и сепараторы заполняются конденсатом, а при чрезмерном расходе пара абразивный продукт выдувается из сепараторов и сбрасывается в одну из последующих ступеней проточной части, что, к тому же, сопровождается снижением экономичности части среднего давления. При этом отбрасываемая после контакта с рабочими лопатками центробежной силой доля частиц окалины с передней кромки бандажа попадает непосредственно в открытый осевой зазор между бандажом и уплотнительным кольцом и вызывает повышенный износ периферийного уплотнения и ухудшение экономичности ступени.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым. При этом предлагаемое изобретение не вытекает явным для специалитета образом из известного уровня техники и определенного заявителем.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.

Заявляемое техническое решение позволяет уменьшить в первой ступени износ надбандажного уплотнения и протечки через него за счет выполнения щелевых каналов постоянного или переменного сечения в обечайке между радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом напротив входной кромки бандажа рабочих лопаток. Наличие датчиков абразивного продукта позволяет использовать в нижней части сепараторов накопительную камеру малого объема, своевременно удалять абразивный продукт из накопителя сепаратора, тем самым оптимизировать режим работы турбины за счет уменьшения поступления абразивного продукта в турбину из котла.

Предложен цилиндр среднего давления паровой турбины, включающий корпус с камерой паровпуска, соединенной через сепаратор с полостью меньшего давления, направляющий аппарат с расположенными за ним с увеличенным межвенцовым зазором рабочими лопатками, размещенную над бандажом рабочих лопаток обечайку с радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом, образующим с передней кромкой бандажа открытый осевой зазор и с торцом направляющего аппарата осевой зазор, соединенный через сепаратор с полостью меньшего давления, отличающийся тем, что в обечайке между радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом выполнены щелевые каналы постоянного или переменного сечения, входные участки которых расположены напротив входной кромки бандажа рабочих лопаток, при этом в нижней части сепараторов установлены датчики контроля абразивного продукта.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 – общий вид устройства;

на фиг.2 – нижняя часть первой ступени со щелевым каналом постоянного сечения;

на фиг.3 – вид А-А по фиг.2;

на фиг.4 – нижняя часть первой ступени со щелевым каналом переменного сечения.

Цилиндр среднего давления паровой турбины включает корпус 1 с камерой паровпуска 2, направляющий аппарат 3 первой ступени, расположенные за ним с увеличенным межвенцовым зазором 4 рабочие лопатки 5 с периферийным бандажом 6, обечайку 7 с радиальным уплотнением, расположенную радиально над бандажом 6 рабочих лопаток 5 первой ступени со стороны диафрагмы 8 второй ступени с образованием между обечайкой 7 и корпусом 1 цилиндра кольцевой полости 9, а между обечайкой 7 и торцом направляющего аппарата 3 кольцевого зазора 10. Межвенцовый зазор 4 выполнен в пределах

z*=z/(t₁sin₁)=1,5-2,5,

где z – расстояние от выходных кромок направляющих лопаток 11 до входных кромок рабочих лопаток 5 вдоль оси турбины; t₁ – шаг направляющих лопаток 11; ₁ – угол выхода парового потока из направляющего аппарата 3.

На торце обечайки 7 в зазоре 10 установлено уплотнительное кольцо 12, образующее с передней кромкой бандажа 6 открытый осевой зазор 13, величина которого в 3-5 раз меньше зазора 10 (S₀/S₁=3-5, фиг.2), но не меньше величины осевого разбега ротора турбины. Между радиальным уплотнением 14 обечайки 7 и уплотнительным кольцом 12 выполнены щели 15, вход в которые расположен напротив передней кромки бандажа 6. На наружной поверхности обечайки 7 выполнена канавка 16, ширина которой не менее 10, а глубина – не менее 5 мм, что предотвращает возврат с верхней поверхности обечайки 7 абразивного продукта, поступающего из межвенцового зазора 4 через осевой зазор 10 в полость 9. Щели 15 могут быть постоянного (S₁=S₂, фиг.2) или переменного сечения (фиг.4). Кольцевая полость 9 через сепаратор 17, в нижней (накопительной) части которого установлены запорный клапан 18 сброса абразивного продукта в дренаж, датчик 19 контроля температуры пара и датчик 20 количества накопившегося абразивного продукта, а в верхней части сепаратора – датчик 21 давления пара, соединена через регулирующие клапаны 22, 23 постоянной продувки и клапан 24 форсированной продувки с полостью меньшего давления (камера ближайшего отбора пара из турбины). Нижняя область камеры паровпуска 2 через сепаратор 25, в нижней части которого установлены запорный клапан 26 сброса абразивного продукта в дренаж, датчик 27 контроля температуры пара и датчик 28 количества накопившегося абразивного продукта, а в верхней части – датчик 29 давления пара, соединена через регулирующие клапаны 30, 31 постоянной продувки и клапан 32 форсированной продувки с полостью меньшего давления.

Учитывая высокую температуру пара (520-540°С) и абразивную агрессивность двухфазной среды, сепараторы 17, 25 должны быть центробежного типа без внутренних мелкомасштабных элементов. Наличие датчиков 20, 28 абразивного продукта позволяет использовать в нижней части сепараторов накопительную камеру малого объема, что дает возможность определять наиболее опасные для проточной части турбины режимы работы котла и оптимизировать их продолжительность.

Поскольку отвод абразивного продукта из проточной части осуществляется в режиме постоянной продувки, расход пара – во избежание ухудшения экономичности турбины – должен быть минимальным. Эта величина определяется единственным условием – исключением конденсации продувочного пара в сепараторах 17, 25, что предотвратит снижение эффективности сепарации и возможность запирания конденсатом продувочного контура. С точки зрения процессов теплообмена минимальный расход пара определяется тепловыми потерями участка продувочных контуров от корпуса 1 цилиндра среднего давления до сепараторов 17, 25, включая, естественно, и сепараторы, которые должны иметь минимальные габариты, размещаться в непосредственной близости от турбины и защищены эффективной теплоизоляцией. В то же время расход пара в продувке должен быть достаточным для транспортирования частиц из проточной части турбины в сепараторы, для чего трассировка указанного участка контура должна выполняться с вертикальной или близкой к ней ориентацией.

Работа цилиндра среднего давления осуществляется следующим образом. При пуске турбины из промперегревателя котла пар вместе с абразивным продуктом поступает в камеру паровпуска 2, создавая в ее нижней области повышенную концентрацию частиц, часть которых отводится в сепаратор 25, где паровая фаза очищается от абразивного продукта и направляется в полость меньшего давления. Оставшаяся в камере паровпуска 2 доля абразивного продукта перемещается паром в направляющий аппарат 3 первой ступени, а оттуда – в межвенцовый зазор 4, в периферийной части которого формируется зона повышенного содержания частиц, из которой их значительная доля поступает в кольцевую полость 9, далее – в сепаратор 17 и собирается в его накопителе.

Повышение эффективности уплотнительного кольца 12 за счет выполнения в обечайке 7 щелевых каналов 15 (фиг.2) осуществляется следующим образом. При работе турбины в осевой зазор 13 абразивный продукт поступает из двух зон: из парового пространства межвенцового зазора 4 под действием протечки пара периферийного уплотнения и с входной кромки бандажа 6 под действием центробежных сил. После преодоления осевого зазора 13 паровая фаза устремляется в радиальное уплотнение 14 и туда же она транспортирует частицы оксидной пленки, которые вызывают износ периферийного уплотнения и ухудшение экономичности ступени. Для ослабления отрицательных последствий служат щелевые каналы 15, ориентированные входным сечением на входную кромку бандажа 6. Абразивные потоки, сходящие с бандажа 6, как показывает картина износа на эксплуатируемых турбинах, имеют столь высокую кинетическую энергию, что могут беспрепятственно преодолевать щелевые каналы 15 и встречное течение в них паровых струй и поступать в кольцевую полость 9, а оттуда – в сепаратор 17. Этому способствует также наклон торцевых стенок щелевых каналов 15 под углом , который, согласно расчету, близок 45 град. Одновременно такой профиль торцевых стенок щелевых каналов 15 препятствует встречной паровой протечке через выходные сечения щелей, поскольку пар между внутренней поверхностью корпуса 1 цилиндра и наружной поверхностью обечайки 7 в определенной степени сохраняет закрутку направляющего аппарата 3. Значительное уменьшение потерь экономичности за счет сокращения протечек через систему щелевых каналов 15 к радиальному уплотнению 14 может быть достигнуто профилированием щелевых каналов 15 таким образом, при котором “проходимость” щелей 15 для паровой фазы ухудшается, а для твердых частиц сохраняется или даже улучшается. С этой целью щелевые каналы 15 по траектории движения частиц разделены на два участка (фиг.4): входной L₁ – от осевого зазора 13 до внутренней поверхности обечайки 7, на которой установлено радиальное уплотнение 14, и выходной L₂ – от внутренней до наружной поверхности обечайки 7. На входном участке L₁ уплотнительное кольцо 12 напротив кромки бандажа 6 имеет плоский участок, что обеспечивает неизменную величину осевого зазора 13 при радиальном перемещении ротора; за плоским участком располагается диффузорная часть (S₁3), которая способствует продвижению частиц из входного участка L₁ в выходной участок L₂. Тем самым уменьшается доля абразивного продукта, увлекаемая паром в радиальное уплотнение 14. Одновременно этот диффузор подтормаживает паровую фазу за счет восстановления ее кинетической энергии. На выходном участке L₂ уплотнительное кольцо 12 также имеет наклонную стенку, которая формирует канал двойного назначения: для твердых частиц, движущихся по щелям 15 к их выходу, он является конфузорным (S₂3) и способствует их движению, а для паровой протечки из кольцевой полости 9 внутрь щелей 15 к радиальному уплотнению 14 – диффузорным и, следовательно, подтормаживает эту протечку. Согласно расчетному анализу первые ступени цилиндров среднего давления эксплуатирующихся турбин сверхкритических параметров, где проявляется интенсивный абразивный износ частицами оксидной пленки, применение контуров с постоянной продувкой и щелевых каналов 15 уменьшает, в зависимости от количества щелевых каналов, внутреннюю мощность ступени на 0,02-0,08%, тогда как износ периферийного уплотнения приводит к общему снижению экономичности и потере мощности на 4,5-4,8%, а с учетом износа лопаточного аппарата – на 6,5-9,5%.

Оптимальный расход пара через каждый сепаратор должен быть таким, чтобы температура в сепараторе поддерживалась несколько выше (на 20-30°С) температуры насыщения. Установление и поддержание такого состояния в сепараторах 17, 25 с использованием датчиков давления 21, 29 и температуры 19, 27 пара выполняется следующим образом.

При работе турбины на номинальном режиме при закрытых клапанах 18, 26 и 24, 32 и открытых клапанах 22, 30 постепенно открывают клапаны 23, 31 и одновременно контролируют в сепараторах давление и температуру пара. Прикрывая, если необходимо, дополнительно клапаны 22, 30, устанавливают в сепараторах минимальную величину перегрева и тем самым предотвращают в них процесс конденсации. Аналогичным образом проводится настройка температурного режима сепараторов 17, 25 при пониженных параметрах пара перед цилиндром среднего давления. За основной рабочий режим сепараторов при любом режиме работы цилиндра среднего давления принимается такой, при котором перегрев в сепараторах 17, 25 устанавливается на минимальном уровне. В этом случае расход пара на других режимах цилиндра среднего давления может оказаться несколько завышенным, однако не потребуется перенастройка регулирующих клапанов 22, 23 и 30, 31. При пуске турбины для быстрой температурной стабилизации необходим интенсивный прогрев продувочных контуров, что осуществляется кратковременной форсированной продувкой сепараторов 17, 25 открытием запорных клапанов 24, 32, а при наличии абразивного продукта в накопителях сепараторов – и запорных клапанов 18, 26. Оптимизация режимов удаления из сепараторов абразивного продукта выполняется открытием клапанов 18, 26 по сигналам датчиков 20, 28 абразивного продукта.

Формула изобретения

Цилиндр среднего давления паровой турбины, включающий корпус с камерой паровпуска, соединенной через сепаратор с полостью меньшего давления, направляющий аппарат с расположенными за ним с увеличенным межвенцовым зазором рабочими лопатками, размещенную над бандажом рабочих лопаток обечайку с радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом, образующим с передней кромкой бандажа открытый осевой зазор и с торцом направляющего аппарата осевой зазор, соединенный через сепаратор с полостью меньшего давления, отличающийся тем, что в обечайке между радиальным уплотнением и уплотнительным кольцом выполнены щелевые каналы постоянного или переменного сечения, входные участки которых расположены напротив входной кромки бандажа рабочих лопаток, при этом в нижней части сепараторов установлены датчики контроля абразивного продукта.

РИСУНКИ