УСТРОЙСТВО ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШЕГО ПАРА, ВНУТРЕННЯЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ МОДУЛЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И МОДУЛЬ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Настоящее изобретение относится к области паровых турбин. Турбины подобного типа обычно содержат множество модулей, в том числе модуль высокого давления, один или несколько модулей низкого давления, а также, возможно, промежуточный модуль среднего давления. В частности, изобретение относится к модулю низкого давления, однако может быть также применима и для модулей высокого и среднего давления.

Подобные турбины, например, используются в электроэнергетических установках, в которых турбина приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Подобные установки могут работать на ископаемом сырье или использовать альтернативные источники энергии.

Объектом изобретения является выпускное устройство для паровой турбины, а также внутренняя конструкция и модуль паровой турбины. Другим объектом является диффузор для подобной турбины.

На фиг. 1 показано выпускное устройство из предшествующего уровня техники. На фигуре направление потока пара показано стрелкой F. Поток направляется поверхностью 8 диффузора, а также нижней стенкой 7 устройства выпуска отработавшего пара. Направляющая поверхность 8 диффузора 5 пара имеет форму кольцевой поверхности, расширяющейся вокруг оси АА вращения, соответствующей оси вращения ротора турбины. Традиционно подобные диффузоры изготавливаются путем литья. Следует отметить особо громоздкую форму диффузора 5. Подобная громоздкая форма необходима для обеспечения общей механической прочности узла, образуемого внутренним корпусом 15 и устройством выпуска отработавшего пара. Диффузор 5 непосредственно соединен с нижней стенкой 7 устройства выпуска отработавшего пара с торца 14, расположенного с одной стороны устройства 4 выпуска отработавшего пара, при помощи крепежного устройства 6. На торец диффузора, расположенный оппозитно устройству 4 выпуска отработавшего пара, опирается внутренний корпус (не показан) модуля турбины. В итоге диффузор должен иметь достаточные размеры для того, чтобы он мог выдерживать собственный вес, а также распределять нагрузку между устройством выпуска отработавшего пара и внутренним корпусом. Подобные выпускные устройства известны (ЕР 2264286, ЕР 2096259) и наиболее близким является описанное в ЕР 2341220.

Изобретением предлагается решение по созданию устройства выпуска отработавшего пара, внутренней конструкции и более простого модуля паровой турбины за счет улучшения механических свойств.

В соответствии с первой характеристикой изобретения выпускное устройство является выпускным каналом, оснащенным диффузором. Канал для выпуска отработавшего пара образован:

- поверхностью диффузора, выполненной с возможностью направления потока пара,

и

- нижней стенкой устройства выпуска отработавшего пара.

Устройство выпуска отработавшего пара включает в себя круглую или полукруглую жесткую обечайку, на которой неподвижно закреплен диффузор.

На обечайке неподвижно закреплено жесткое крепежное устройство, предназначенное для поддержки выпускного устройства на жесткой раме. Преимущества, обеспечиваемые подобным решением, заключаются в простоте осуществления и повышении механического сопротивления.

Ниже приведено подробное описание.

В соответствии с одним аспектом изобретения жесткое крепежное устройство содержит комплект жестких штанг, проходящих через канал для выпуска пара. Один из торцов штанг вмонтирован в обечайку. Подобный элемент обеспечивает простоту осуществления и стабильную работу крепежного устройства в обечайке.

Другой торец штанг неподвижно закреплен в нижней стенке выпускного устройства для поддержки упомянутой жесткой рамой. Таким образом, обеспечивается непосредственное механическое соединение между жесткой рамой и обечайкой.

Внутренняя конструкция модуля паровой турбины содержит устройство выпуска отработавшего пара, описанное выше, и имеет внутренний корпус, выполненный с возможностью установки в нем ротора турбины. Внутренний корпус опирается одной из сторон на обечайку выпускного устройства. Подобный признак обеспечивает одновременно простую и устойчивую конструкцию внутреннего корпуса без диффузора.

По другому аспекту изобретения предлагается модуль паровой турбины, содержащий внутренний корпус, выполненный с возможностью установки в нем ротора модуля низкого давления турбины. Внутренний корпус опирается одной из сторон на обечайку выпускного устройства, а в выпускном устройстве имеются опорные средства для поддержки внутреннего корпуса на жесткой раме.

Опорные средства неподвижно закреплены на нижней стенке устройства выпуска отработавшего пара. Таким образом, обеспечивается непрерывное механическое соединение между крепежным устройством, обечайкой и внутренним корпусом.

Опорные средства также оснащены подшипником, обеспечивающим вращение упомянутого ротора.

Вышеупомянутые признаки позволяют выбирать относительное положение между ротором и внутренним корпусом, поскольку они опираются на одну и ту же деталь.

Выпускное устройство, внутренняя конструкция или модуль турбины содержат диффузор с имеющейся у него направляющей поверхностью. Направляющая поверхность для пара имеет расширяющуюся поверхность тела вращения и включает в себя несколько плоских участков, приваренных друг к другу. Диффузор собран на обечайке. За счет этого, поскольку диффузор не воспринимает механическую нагрузку внутреннего корпуса/узла выпускного устройства, его вес может быть существенно уменьшен. Кроме этого, процесс изготовления позволяет легко адаптировать конструкцию упомянутого диффузора для изменения собственной частоты узла, включая внутренний корпус и устройство выпуска отработавшего пара. Так возможного резонанса между подобным узлом и частотой других элементов паровой турбины можно избежать, например, за счет подбора размеров и толщины плоских участков, расположенных на диффузоре, а также длины штанг, соединенных с упомянутым диффузором.

Другие признаки и преимущества станут более понятны после ознакомления со следующим подробным описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, где в качестве примера:

- на фиг. 1 показано выпускное устройство из предшествующего уровня техники, разработанное заявителем,

- на фиг. 2 в осевом сечении показан модуль паровой турбины по изобретению,

- на фиг. 3 в сечении вдоль линии III-III по фиг. 4 изображен первый вариант осуществления диффузора,

- на фиг. 4 показан вид в перспективе диффузора и крепежного устройства по первому варианту осуществления,

- на фиг. 5 в сечении вдоль линии V-V по фиг. 6 показан второй вариант осуществления диффузора,

- на фиг. 6 показан вид в перспективе диффузора и крепежного устройства по второму варианту осуществления.

На фиг. 2 показан модуль низкого давления паровой турбины симметричной конструкции относительно плоскости S симметрии, проходящей перпендикулярно оси АА вращения турбины. Идентичные детали, расположенные по обеим сторонам от подобной плоскости S симметрии, обозначены ссылочными номерами с индексом а или b. В модуле имеется вал 1 с ротором 2. На роторе установлено несколько лопаточных колес, в данном случае два комплекта по пять колес определяют такое же количество ступеней для расширения пара. Количество колес может отличаться в зависимости от размера машины.

Вал 1 вращается вокруг оси АА вращения. Впускное отверстие 3 для пара расположено в центре ротора 2 между двумя комплектами колес. Канал 4а, 4b для выпуска пара расположен с любой стороны от впускного отверстия 3. Узел колеса вращается внутри неподвижного внутреннего корпуса 15. Во внутреннем корпусе 15 установлены два комплекта неподвижных лопаток.

Каждый из комплектов неподвижных лопаток расположен вблизи одного из лопаточных колес.

Диффузоры 5а, 5b установлены во внутреннем корпусе 15, у каждого из его торцов, со стороны выпускных отверстий 4а, 4b. Каждый диффузор 5а, 5b расположен непосредственно после выпускного отверстия последнего лопаточного колеса, а именно лопаточного колеса с наибольшим диаметром. Поверхности 8а, 8b диффузора, соприкасающиеся с паром, имеют расширяющуюся форму для замедления расхода пара, тем самым позволяя ротору 2 извлекать кинетическую энергию из пара. За счет этого эффективность последней ступени турбины максимально увеличивается. Форма (каждой) поверхности 8а, 8b является расширяющейся, т.е. проходное сечение диффузора постепенно увеличивается в направлении выпускных отверстий 4а, 4b. Каждый диффузор 5а, 5b неподвижно закреплен во внутреннем корпусе 15 при помощи круглых или полукруглых фланцев 9а, 9b, 11а, 11b, относящихся соответственно к внутреннему корпусу 15 и диффузору 5а, 5b. Каждый диффузор 5а, 5b опирается на неподвижное крепежное устройство 6а, 6b для крепления к нижней стенке 7а, 7b устройства выпуска отработавшего пара, направляющей пар в канал 4а, 4b для выпуска пара. Каждая стенка 7а, 7b опирается на жесткую раму 20а, 20b, например на основание. Жесткая рама 20а, 20b расположена снаружи выпускного устройства, а также предпочтительно снаружи модуля турбины.

Каждый диффузор 5а, 5b собран и неподвижно установлен на соответствующем фартуке 10а, 10b, являющемся составной частью соответствующего фланца 11а, 11b диффузора. Соответствующие фартуки 10а, 10b и фланцы 11а, 11b приварены друг к другу таким образом, что они образуют жесткую обечайку 13а, 13b. Обечайка 13а, 13b имеет круглую, предпочтительно полукруглую кольцеобразную форму (см. фиг. 4 и 6), упрощающую ее изготовление и сборку. Жесткое крепежное устройство 6а, 6b непосредственно выполнено в обечайке 13а, 13b. Жесткое крепежное устройство 6а, 6b содержит несколько жестких штанг. Жесткие штанги 6а, 6b неподвижно закреплены, предпочтительно сваркой, с одного их торца с обечайкой 13а, 13b, а с другого противоположного торца с нижней стенкой 7а, 7b выпускного устройства. Стенка 7а, 7b имеет конусную часть 70, включая несколько конусообразных секций, по краям которой расположены кольцеобразные плоские части, к которым неподвижно прикреплены жесткие штанги 6а, 6b. Опорные средства, включая опорную плиту 18а, 18b, неподвижно прикреплены к конусной части 70 и опираются на жесткую раму 20а, 20b. Крепление штанг 6а, 6b к обечайке 13а, 13b может быть усилено за счет установки штанг в высверленные отверстия или углубления 21, выполненные в толщине фартука обечайки (как это показано в верхней части фиг. 4). В каждой опорной плите 18а, 18b установлен подшипник 19а, 19b, обеспечивающий вращение ротора 2.

Подузел, состоящий из опорной плиты 18а, 18b, нижней стенки 7а, 7b выпускного устройства, жесткого крепежного устройства 6а, 6b, обечайки 13а, 13b и диффузора 5а, 5b образует устройство выпуска отработавшего пара. Предпочтительно настоящее устройство выпуска пара может поставляться в предварительно собранном виде перед его установкой в модуле турбины. Для упрощения его изготовления и сборки выпускное устройство состоит из двух подузлов, как это показано на фиг. 4. Оба подузла соединены между собой в соединительной плоскости модуля турбины.

Узел, образованный из внутреннего корпуса 15, неподвижно закрепленного с любой из его сторон при помощи фланцев 9а, 9b, 11a, 11b к двум выпускным устройствам, образует внутреннюю конструкцию модуля турбины. Таким образом, внутренний корпус 15 интерполирован между и опирается на два устройства выпуска отработавшего пара. Подобная внутренняя конструкция установлена на жесткой раме 20а, 20b, с любой из ее сторон, при помощи опорных плит 18а, 18b. Ротор 2 также установлен на жесткой раме 20а, 20b при помощи подшипников 19а, 19b, неподвижно закрепленных на опорных плитах 18а, 18b.

Все жесткие штанги 6а, 6b жестко и непосредственно закреплены на обечайке 13 и нижней стенке 7а, 7b выпускного устройства, которая опирается на жесткую раму 20а, 20b. Внутренний корпус 15 жестко закреплен в обечайке 13. Таким образом, обечайка 13а, 13b жестко соединена с жесткой рамой 20а, 20b при помощи жесткого крепежного устройства 6а, 6b. Обечайка прочно поддерживает, с одной стороны, внутренний корпус 15, а с другой стороны, части, образующие диффузор 5а, 5b, который становится частью внутренней конструкции и больше не участвует в общем механическом сопротивлении. Обечайка 13а, 13b, через которую не проходит диффузор 5а, 5b, непосредственно соединяет внутренний корпус 15 с жестким крепежным устройством 6а, 6b. Таким образом, диффузору 5, показанному на фиг. 1, больше не приходится нести (при помощи торца 14) ни вес диффузора 5, ни вес внутреннего корпуса. За счет этого вес диффузора может быть существенно уменьшен, а конструкция значительно упрощена по сравнению с предшествующим уровнем техники, например состоять из литых частей, собираемых на обечайке, предпочтительно из сварных частей, как это рассматривается ниже. Механическая сварка особенно подходит для описанной выше конструкции, поскольку, с одной стороны, вес значительно уменьшается, что позволяет уменьшить общий вес машины при сохранении ее механического сопротивления, а с другой стороны, упрощается корректировка собственной частоты внутренней конструкции, снижая вероятность вибрации.

Предпочтительно диффузор состоит из нескольких участков плит описанной выше формы, изготовленных методом холодной обработки металла, которые затем свариваются между собой таким образом, чтобы получить расширяющуюся вращающуюся поверхность 8а диффузора 5а, 5b. Диффузор 5а, 5b собирается на обечайке 13а, 13b.

На фигурах 3 и 4 показан первый вариант осуществления. Диффузор содержит нижнюю половинную часть 16, изображенную на фиг. 4, на которую устанавливается верхняя половинная часть 17, аналогичная нижней половинной части 16. У диффузора 5а имеется полукруглый фланец 11а, к которому неподвижно прикреплен фартук 10а также полукруглой формы. Узел в сборе образует полукруглую кольцеобразную жесткую обечайку 13а. На фиг. 3 показаны четыре плоских участка T1, Т2, Т3, Т4. Каждый плоский участок состоит из полоски, предварительно вырезанной в металлической плите. Затем каждая полоска прокатывается для придания ей формы кольцеобразных секций T1, Т2, Т3, Т4. Под «секцией» понимается арочный участок круглого кольца, в данном случае конусообразного. У каждого кольцеобразного участка T1, Т2, Т3, Т4 имеется кромка В1, В2, В3, В4, расположенная с постоянным радиусом R1, R2, R3, R4 относительно оси АА вращения. Секция Т1 приварена к фартуку 10а вдоль кромки В1. Секция Т2 приварена к фартуку 10а вдоль кромки В2, а секция Т3 вдоль кромки В3. Секция Т3 приварена к участку Т4 вдоль кромки В4. На фиг. 4 показано, что для образования нижней половинной части 16 диффузора 5 используется шесть групп из четырех секций T1, Т2, Т3, Т4. Швы также проходят между торцами каждой группы секций. Верхняя половинная часть 17 образована аналогичным образом, каждая кольцеобразная секция T1, Т2, Т3, Т4 изготовлена в данном случае как единый элемент, проходящий по всей окружности верхней половинной части 17. Таким образом, у диффузора 5а в направлении оси А проходит множество кольцеобразных, в данном случае конусообразных, секций Т2, Т3, Т4, приваренных друг к другу соответствующими продолговатыми кромками В3, В4. Количество используемых секций может отличаться по мере необходимости. На практике, верхняя и нижняя половинные части 17 и 16 предпочтительно изготавливаются одинаковым образом.

Каждая из кольцеобразных секций T1, Т2, Т3, Т4 является образующей линией G1, G2, G3, G4, вращение которой вокруг оси АА вращения создает часть формы расширяющейся вращающейся поверхности 8а: по данному первому варианту осуществления каждая образующая линия является сегментом прямой линии, наклоненной относительно оси АА. Узел из различных секций позволяет получить поверхность 8а, приближенную по форме к поверхности диффузора, обеспечивающего расширение пара. При прокате используются ролики с прямыми образующими линиями для создания конусообразных секций.

На фигурах 5 и 6 изображен второй вариант осуществления. Описание элементов, уже описанных ранее со ссылкой на фигуру 3 и 4, далее будет опущено.

В данном случае кольцеобразные секции Т2, Т3, Т4 по первому варианту осуществления заменены на единую кольцеобразную секцию Т5, которая приварена вдоль ее продолговатой кромки В5, имеющей радиус R2, к фартуку 10а. Кольцеобразная секция Т5 имеет изогнутую образующую линию G5. Изогнутость позволяет получить поверхность 8а диффузора. Форма изгиба имеет радиус изогнутости R5, показанный на фиг. 5. Изогнутость получается за счет проката выгнутыми и/или вогнутыми роликами, имеющими изогнутость, соответствующую по форме изготавливаемой поверхности 8а.

Следует отметить, что между секциями Т1 и Т5 вращающаяся поверхность 8а получается за счет формования торца 10а фартука, например, механической обработкой. Такой же признак имеется и в первом варианте осуществления, между секциями Т1 и Т2.

На фиг. 6 для образования нижней половинной части 16 диффузора 5а используется лишь одна секция Т5. При необходимости можно использовать несколько секций.

Описанное выше решение обладает следующими преимуществами:

- уменьшение веса выпускного устройства примерно на 30%,

- внутренняя конструкция выпускного устройства становится более прочной за счет того, что диффузор больше не участвует в общем механическом сопротивлении,

- процесс изготовления позволяет легко адаптировать конструкцию для корректирования собственной частоты внутреннего корпуса/узла выпускного устройства, избегая, таким образом, вероятности резонанса с частотой других элементов паровой турбины, поэтому остается лишь выбрать размеры и толщину плоских участков, используемых в диффузоре,

- стоимость получаемого узла ниже, чем у литого диффузора.