Результат интеллектуальной деятельности: ЦИЛИНДР ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С РЕГУЛИРУЮЩИМ ОТСЕКОМ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при разработке или модернизации паровых турбин.

Известны паровые турбины однокорпусной и двухкорпусной конструкции цилиндра высокого давления активного типа с сопловым парораспределением и проточной частью, включающей в себя одно- или двухступенчатую регулирующую ступень и нерегулируемые ступени. Назначение регулирующей ступени - понижение температуры пара и давления перед входом в нерегулируемые ступени до уровня, обеспечивающего длительную надежную эксплуатацию металла корпуса цилиндра и металла ротора, а также сокращение количества ступеней и сокращение длины турбины. Это достигается увеличением срабатываемого теплоперепада на регулирующей ступени, для чего либо ее средний диаметр увеличивается по сравнению с последующими нерегулируемыми ступенями, если регулирующая ступень - одновенечная ступень давления, либо она выполняется в виде двухвенечной ступени скорости.

Примеры такого конструктивного решения см., например, Е.А. Крафт «Современные паровые турбины», Москва-Ленинград, Энергоиздат, 1933 г., рис. 122-133, 138-140, 147, 148, 150, 151, 155, 159; Л.И. Тубянский и Л.Д. Френкель «Паровые турбины высокого давления ЛМЗ», Москва-Ленинград, Госэнергоиздат, 1956 г., фиг. 1-6; Е.И. Бененсон Л.С. Иоффе «Теплофикационные паровые турбины», Москва, Энергия, 1976 г., рис. 1.1-1.4, 1.7-1.9; А.Г. Курзон, «Судовые паровые и газовые турбины», т. 1, Ленинград, Судпромгиз, 1958 г., рис. 2.37, 2.57, 2.61, 2.62; Г.Д. Баринберг, Ю.М. Бродов и др. «Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода», Екатеринбург, 2010 г., рис. 4.1, 4.2, 4.4, 4.5, 4.13, 4.19, 4.64. Многочисленные публикации показывают распространенность описанного технического решения.

Регулирующая ступень включает в себя сопловой аппарат и облопаченное рабочее колесо. Пар к сопловому аппарату подводится через сопловые коробки, закрепленные на корпусе цилиндра. К сопловым коробкам присоединены паровые коробки, в которых размещены регулирующие клапаны.

На фиг. 1 в качестве примера показана типовая конструкция однокорпусного цилиндра высокого давления с сопловым парораспределением. К корпусу 1 приварена сопловая коробка 2, в которой размещен сопловой аппарат 3. К верхней части сопловой коробки приварена паровая коробка, в которой размещен регулирующий клапан. Со стороны, противоположной выходному сечению соплового аппарата 3, размещено концевое уплотнение. Пар, выходящий из соплового аппарата 3, поступает в рабочие лопатки 4 регулирующей ступени, затем проходит через камеру 5 регулирующей ступени и поступает в следующие по ходу пара нерегулируемые ступени 6. На фиг. 2 показана развертка парового канала по среднему диаметру и изображены внутренняя полость сопловой коробки 2, сопловой аппарат 3, состоящий из нескольких сопловых сегментов, в каждом из которых выполнены паровые каналы 7. Тепловым расчетом проточной части определяются геометрические размеры парового канала, в том числе его разворот относительно сечения, перпендикулярного оси вращения ротора (угол установки), высота канала, количество паровых каналов в каждом сопловом сегменте. Между крайними паровыми каналами соседних сопловых сегментов имеются конструктивные интервалы, сумма которых определяет парциальность регулирующей ступени, т.е. долю окружности по среднему диаметру, занятую паровыми каналами. Как правило, в реальных конструкциях паровых турбин с сопловым парораспределением парциальность составляет величину 0,4-0,7.

Увеличенный теплоперепад, а также парциальность ступени - это факторы, снижающие КПД ступени до 0,5-0,65, что подтверждается практическими расчетами заводов-изготовителей турбин, тепловыми испытаниями заказчиков и теоретическими исследованиями, изложенными в научных публикациях, например, А.В. Щегляев «Паровые турбины», Москва, Энергоиздат, 1933 г., являются неизбежными недостатками известных конструкций регулирующих ступеней турбин с сопловым парораспределением.

Кроме того, известная конструкция недостаточно полно обеспечивает снижение температуры стенки корпусов цилиндра в камере регулирующей ступени: часть пара, поступающая к концевому уплотнению, теряет скорость почти до нулевого значения. При этом происходит давно и хорошо известное явление - возрастание температуры пара практически до уровня температуры свежего пара, местный разогрев стенки корпусов цилиндра, повышение местных температурных напряжений, создание благоприятных условий для термоусталостного растрескивания стенки корпусов цилиндра, что многократно происходило при эксплуатации турбин Т-110/120-130, Т-60/65-130 и других, работающих при температуре свежего пара 555°C-565°C, но не наблюдается в турбинах, работающих при температуре свежего пара 500°C-535°C, например Т-50/60-8,8.

При работе на переменных режимах, со сниженными нагрузками, возникает температурная несимметрия корпусов цилиндра относительно его оси, приводящая к защемлению вертикальных и поперечных шпонок, нарушению свободы тепловых перемещений и возникновению повышенной вибрации турбины.

Таким образом, основные недостатки известной конструкции как однокорпусного, так и двухкорпусного цилиндра таковы:

- низкий КПД работы пара до входа в нерегулируемые ступени, а в случае сохранения следа от парциального подвода и в первых нерегулируемых ступенях до наступления равномерного распределения пара по всей окружности;

- реальная возможность возникновения термоусталостного растрескивания стенок корпусов цилиндра;

- температурная несимметрия корпусов цилиндра относительно его продольной оси при малых расходах пара.

Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеописанных недостатков, то есть повышение КПД работы пара за счет снижения потерь от парциального подвода пара, снижение риска возникновения термоусталостного растрескивания стенок корпусов цилиндра, устранение температурной несимметрии температурного поля корпусов цилиндра.

Поставленная задача достигается цилиндром паровой турбины с регулирующим отсеком, состоящим из наружного и внутреннего корпусов, патрубков паровпуска, кольцевой пароподводящей камеры подачи пара в проточную часть с однонаправленным движением парового потока, состоящую из нерегулируемых ступеней давления, обойм, устанавливаемых в наружном корпусе цилиндра, отличающимся тем, что во внутреннем корпусе цилиндра размещены несколько нерегулируемых ступеней давления, образующих регулирующий отсек, остальные нерегулируемые ступени расположены в обоймах наружного корпуса цилиндра, а кольцевая камера подачи пара разделена радиальными перегородками, выполненными из двух частей с гарантированным зазором между ними, на пароподводящие секции, количество которых совпадает с количеством регулирующих клапанов турбины, и совпадающие с секциями направляющего аппарата первой ступени, образованными направляющими лопатками с удлиненной в сторону паровпуска хордой и геометрией профильной части, совпадающей с аналогичными очертаниями прочих лопаток направляющего аппарата.

Изобретение иллюстрируется фиг. 3, на которой представлен продольный разрез части цилиндра с установленным в нем регулирующим отсеком. В наружном корпусе 1 цилиндра установлен внутренний корпус 2, в котором размещены нерегулируемые ступени давления 3 регулирующего отсека. Пар подводится к кольцевой камере 4 через патрубки наружного 1 и внутреннего 2 корпусов. Кольцевая камера 4 разделена на пароподводящие секции 8, 9, 10, 11 (фиг. 4 и 5) радиальными перегородками 5, что позволило отказаться от установки сопловых коробок, уменьшить разогрев корпусов цилиндра при высоких напряжениях от внутреннего давления пара и увеличить парциальность до 0,9.

Сама кольцевая камера 4 образована наружной оболочкой внутреннего корпуса 2 и внутренней оболочкой, являющейся одновременно местом для установки уплотнения 6 между внутренним 2 и наружным 1 корпусами. В наружном корпусе 1 установлено концевое уплотнение 7. На фиг. 4 изображен поперечный разрез внутреннего корпуса цилиндра по оси паровпуска и показаны радиальные перегородки 5, разделяющие кольцевую камеру 4 на пароподводящие секции 8, 9, 10 и 11. На фиг. 5 показан внутренний корпус цилиндра в 3D. Количество нерегулируемых ступеней давления в регулирующем отсеке выбирается рассчетно так, чтобы давление корпуса в межкорпусном пространстве 12 обеспечивало уровень напряжений в стенке наружного корпуса 1 цилиндра много меньше предела длительной прочности металла корпуса при достигаемом уровне температуры. Для турбины с начальными параметрами пара 12,8 МПа и t=565°C количество ступеней регулирующего отсека оптимально составляет не более 4-х. На фиг. 3 через межкорпусное пространство 12 протекает пар, выравнивающий температуру стенки внутреннего корпуса 2, из уплотнения 6, конструкция которого выбирается так, чтобы этот расход был бы несколько большим, чем утечка пара через концевое уплотнение 7. Из межкорпусного пространства 12 пар поступает в нерегулируемую ступень, расположенную непосредственно за регулирующим отсеком.

Выполнение внутреннего корпуса 2 составным из наружной и внутренней оболочек позволяет упростить установку радиальных перегородок 5 в кольцевую камеру 4. Перегородка выполняется из двух частей, одна из которых вварена в верхнюю оболочку, а другая - в нижнюю оболочку с технологическим зазором между ними, что создает условия для перетекания пара из одной секции в другую по всей окружности кольцевой камеры. Этим перетоком восстанавливается осевая температурная симметрия внутреннего корпуса 2 при переходных режимах работы турбины, а особенно - при пуске, когда пар поступает в проточную часть через некоторые из пароподводящих секций 8, 9, 10 и 11. На фиг. 6 изображена развертка направляющего аппарата первой ступени по среднему диаметру, который разделен на секции, соответствующие пароподводящим секциям 8, 9, 10 и 11 (обозначены на фиг. 4), направляющей лопаткой 13, имеющей удлиненную хорду в сторону паровпуска и геометрию профильной части, совпадающую с аналогичными очертаниями прочих лопаток направляющего аппарата. Увеличенная хорда препятствует свободному перетеканию пара между секциями 8, 9, 10 и 11 при частичных режимах работы.

Заявляемым изобретением достигаются следующие результаты.

1. В связи с увеличенной парциальностью до 0,9, КПД проточной части, расположенной в регулирующем отсеке, возрастает до 0,85, внутренний КПД проточной части цилиндра возрастает до 0,875-088. Это показали проведенные тепловые расчеты.

2. Исключен разогрев корпусов цилиндра при высоких напряжениях от внутреннего давления пара.

3. Обеспечена температурная симметрия корпусов цилиндра относительно продольной оси.

4. Сопловые коробки отсутствуют.