активная паровая турбина

Формула изобретения

1. АКТИВНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА, содержащая несколько ступеней, каждая из которых имеет диафрагму с решеткой неподвижных лопаток, снабженных бандажом с уплотнительным элементом и размещенную за ней решетку подвижных лопаток, установленных на роторе, отличающаяся тем, что ротор имеет барабан, а подвижные лопатки закреплены непосредственно на барабане и каждая из них имеет пяту, при этом на торце пяты каждой лопатки со стороны диафрагмы и на ответном торце диафрагмы выполнены скосы, образующие между собой зазор для подачи утечек в основной поток пара в осевом направлении.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что в пяте каждой подвижной лопатки вблизи основания диафрагмы выполнен сквозной канал, параллельный оси потока.

3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что подвижные лопатки на периферии снабжены уплотнительным элементом, уплотнительный элемент диафрагмы имеет последовательно расположенные каналы, а в диафрагме и неподвижных лопатах выполнены сообщенные между собой каналы, причем входное отверстие канала диафрагмы расположено в первой камере уплотнительного элемента, а выходные отверстия каналов лопаток расположены напротив уплотнительного элемента подвижных лопаток.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент диафрагмы имеет последовательно расположенные камеры, в бандаже в области одной из последних камер выполнены наклонные каналы для подвода утечки от основания диафрагмы по касательной в каналы между двумя неподвижными лопатками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к паровой турбине активного типа, состоящей из ротора, статора и множества ступеней, каждая из которых представляет собой неподвижные лопатки, за которыми следуют подвижные лопатки, вращающиеся вместе с ротором, причем неподвижные лопатки реализуют более 85% падения давления в ступени.

Известна активная паровая турбина, содержащая несколько ступеней, каждая из которых имеет диафрагму с решеткой неподвижных лопаток, снабженных бандажом с уплотнительным элементом, и размещенную за ней решетку подвижных лопаток, установленных на роторе.

Для обеспечения нормального динамического поведения ротора необходимо придать ему достаточную жесткость, что обеспечивается увеличением диаметра ротора. С другой стороны, для обеспечения КПД следует выдерживать этот диаметр по возможности малым: снижение диаметра позволяет снизить сечение между неподвижными и подвижными элементами, т.е. утечки. Эти два правила позволяют определить диаметр ротора путем компромисса.

В целях обеспечения возможности крепления подвижных лопаток на диске ротора без потерь его механической прочности необходимо обеспечить достаточное пространство между основанием лопатки и корпусом ротора. В этих условиях, когда диаметр ротора определен, существует нижняя граница диаметра DB основания лопатки.

Кроме того, для улучшения КПД следует увеличить вылет (отношение между диаметром вершины лопатки и диаметром основания лопатки). Действительно чем больше вылет (при заданной ширине лопаток), тем меньше потери, обусловленные вторичными течениями. Однако при фиксированных условиях работы машины проходное сечение для пара определено. Ясно, что для повышения КПД требуется максимальное снижение диаметра основания лопатки до его нижнего предела.

Кроме того, требуется максимальное снижение утечек между неподвижными и подвижными элементами турбины для увеличения КПД.

В частности, утечка пара, протекающего под неподвижными лопатками, очень сильно снижает КПД: этот пар не только не создает полезной работы, но вследствие присутствия дисков ниже неподвижных лопаток проникает радиально в основной поток и разрушает его.

Наконец, усилие давления на ротор и подвижные лопатки, которые, кроме того, сравнительно слабы, может привести в некоторых случаях к установке в голове машины уравновешивающего поршня с диаметром, превышающим немного диаметр ротора, что приводит к небольшому снижению КПД.

В основу изобретения положена задача создать активную паровую турбину, конструкция которой позволяла бы снизить вредное влияние утечек на основной поток пара с одновременным повышением КПД и уменьшением габаритов турбины.

Эта задача решается тем, что в активной паровой турбине, содержащей несколько ступеней, каждая из которых имеет диафрагму с решеткой неподвижных лопаток, снабженных бандажом с уплотнительным элементом, и размещенную за ней решетку подвижных лопаток, установленных на роторе, согласно изобретению ротор имеет барабан, а подвижные лопатки закреплены непосредственно на барабане и каждая из них имеет пяту, при этом на торце пяты каждой лопатки со стороны диафрагмы и на ответном торце диафрагмы выполнены скосы, образующие между собой зазор для подачи утечек в основной поток пара в осевом направлении.

Целесообразно в пяте каждой подвижной лопатки вблизи основания диафрагмы выполнить сквозной канал, параллельный оси потока.

Желательно подвижные лопатки на периферии снабдить уплотнительным элементом, уплотнительный элемент диафрагмы выполнить имеющим последовательно расположенные каналы, а в диафрагме и неподвижных лопатках выполнить сообщенные между собой каналы, причем входное отверстие канала диафрагмы расположено в первой камере уплотнительного элемента, а выходные отверстия каналов лопаток расположить напротив уплотнительного элемента подвижных лопаток. При этом возможно уплотнительный элемент диафрагмы выполнить имеющим последовательно расположенные камеры, в бандаже в области одной из последних камер выполнить наклонные каналы для подвода утечки от основания диафрагмы по касательной в канал между двумя неподвижными лопатками.

Изобретение позволяет снизить диаметр DB основания лопаток в активной турбине за счет отказа от использования дисков для крепления подвижных лопаток и крепления их непосредственно на самом роторе.

В активной турбине согласно изобретению подвижные лопатки установлены непосредственно на барабане ротора, что позволяет обеспечить очень малую разницу между диаметром DB основания лопаток и диаметром DR ротора.

В турбине по изобретению обеспечивается очень малое удлинение паровых каналов в зонах расширения, что позволяет улучшить их аэродинамический КПД.

Это представляет интерес для всех каналов активной турбины с малым отношением расход/объем в головной части машины и, в частности, каналов высокого давления подкритических турбин с малым массовым расходом и каналов высокого давления сверхкритических турбин при любом массовом расходе.

В турбине по изобретению, когда уменьшают диаметр основания лопаток, необходимо увеличивать число ступеней. Однако рост числа ступеней не сопровождается ростом длины проточной части.

Это обусловлено сохранением той же ширины для подвижных лопаток (на уровне эквивалентных напряжений), снижением толщин диафрагм, обусловленным снижением р и поверхности приложения усилий, устранением дисков ротора и избыточных осевых длин, обусловленных обработкой этих дисков для крепления подвижных лопаток, устранением необходимых зазоров между дисками и диафрагмой.

Возникает, кроме того, снижение поперечных размеров комплекса модуля, обусловленное снижением диаметра основания проточной части. Полезность такого снижения усиливается, поскольку речь идет о высоком давлении, что упрощает проблемы механической прочности элементов статора.

На фиг. 1 изображена активная турбина по изобретению с барабанным ротором, продольное сечение; на фиг.2 ступень турбины по фиг.1; на фиг.3 то же, что и на фиг.2, с первым усовершенствованием; на фиг.4 то же, что и на фиг. 2, с вторым усовершенствованием; на фиг.5 то же, что и на фиг.2, с третьим усовершенствованием; на фиг.6 в перспективе ступень активной турбины по фиг. 5 на барабанном роторе, где видны утечки в вершине подвижной лопатки, возникающие от базовых утечек у основания диафрагмы через осевые каналы; на фиг.7 ступень активной турбины по изобретению, снабженная четвертым усовершенствованием; на фиг.8 поперечное сечение на фиг.7 по неподвижным лопаткам; на фиг.9 показан выигрыш КПД, получаемый в турбине согласно изобретению.

Активная паровая турбина, показанная на фиг.1 и 2, имеет ротор 1 и статор 2, имеющий внутреннюю часть 3 и внешнюю часть 4, и несколько ступеней 5. Каждая ступень 5 образована диафрагмой 6, жестко связанной с внутренней частью 3 статора 2, за которой следует решетка 7 подвижных лопаток 8. Подвижные лопатки 8 жестко связаны с ротором 1, имеющим барабан. Диафрагма 6 оснащена решеткой 9 неподвижных лопаток 10, снабженных с нижнего конца бандажом 11 с уплотнительным элементом 12. Кроме того, в вершине подвижных лопаток 8 имеются уплотнительные элементы 13, обеспечивающие уплотнение ротор/статор. Это уплотнение, кроме того, обеспечивает тепловую защиту статора 2.

Диаметр DR корпуса ротора 1 определяется как компромисс между жесткостью ротора, которая требует иметь достаточный диаметр, и уменьшением утечек, которое достигается максимально возможным уменьшением диаметра.

Неподвижные лопатки 10 обеспечивают 85-95% падения давления ступени у основания, а оставшаяся часть обеспечивается подвижными лопатками 8.

Подвижные лопатки 8 закреплены непосредственно на барабане ротора посредством ножек 14, каждая из которых имеет пяту 15. Такое крепление лопаток 8 позволяет выполнить диаметр DB основания лопаток 8 очень близким к диаметру DR корпуса ротора, благодаря чему высота прохода для пара растет, а КПД этой активной турбины улучшается.

Несмотря на рост высоты неподвижных лопаток 10, поверхность приложения усилия давления на диафрагму 6 существенно меньше аналогичной поверхности в классической турбине.

Кроме того, в турбине согласно изобретению имеет место снижение падения давления р на комплексе диафрагмы, поскольку эта турбина имеет большее число ступеней, чем турбина в классическом варианте выполнения.

Возможно, кроме того, уменьшить толщину этой диафрагмы по сравнению с толщиной диафрагмы в классическом решении.

Нет необходимости предусматривать дополнительную длину в осевом направлении, которая была необходима в классической турбине для обеспечения сверления в дисках. Нет необходимости предусматривать зазор диафрагма диск, который был необходимо вследствие прогиба диафрагмы. Зазор между подвижными и неподвижными лопатками, следовательно, уменьшен в турбине согласно изобретению.

Рост числа ступеней не сопровождается ростом длины турбины, а полная длина каждого модуля является той же.

Поскольку диаметр DB основания лопаток в турбине согласно изобретению достаточно мал, возможно уменьшение диаметра DI внутренней части статора 2 и диаметра DE внешней части 4 статора 2 по сравнению с соответствующими диаметрами классической турбины. Благодаря этому турбина по изобретению имеет уменьшенные габаритные размеры.

Увеличение КПД в турбине по изобретению может достигать 5% для модулей высокого давления сверхкритической турбины и 3,5% для докритических модулей высокого давления.

В соответствии с усовершенствованием по изобретению, показанному на фиг. 3, торцы пят 15 ножек 14 лопаток 8 и торец нижнего бандажа 11 диафрагмы 6, расположенный напротив, скошены и между ними образован канал 16, направленный таким образом, что утечки, проходящие через уплотнение 12, подаются к основному потоку практически в осевом направлении. В этих условиях утечки меньше возмущают основной поток, что приводит к дополнительному росту КПД. Существование скосов 17 не приводит к росту зазора между подвижными 8 и неподвижными 10 лопатками, который в этом случае равен зазору J₁ турбины по фиг.2.

В соответствии с другим усовершенствованием изобретения, показанным на фиг.4, в пяте 15 каждой подвижной лопатки 8 параллельно оси ротора 1 выполнен сквозной канал 18. Проходное сечение канала 18 выбрано достаточным для обеспечения полноты расхода утечек, проходящих под диафрагмой 6, а также очень малой части основного расхода, что устраняет возмущение вторичных потоков и потери, которые связаны с ними. Сверление каналов 18 в пятах 15 лопаток 8 не вызывает каких-либо трудностей, при этом возможно выполнить оптимальный диаметр канала 18 для каждой подвижной лопатки 8.

Выполнение каналов 18 в подвижных лопатках 8 обеспечивает следующие преимущества. Скругление на входе канала 18 легко может быть выполнено оптимальным. Поступление пара на вход известно и оказывает лишь малое влияние на расход пара, проходящего через отверстие. Разность давлений между входом и выходом канала (зафиксированное степенью реакции у основания лопатки) вполне определена. Отношение длины канала к его диаметру оптимально. В этих условиях размеры каналов не создают каких-либо трудностей при их выполнении и эффективность каналов 18 близка к максимально рассматриваемой теоретически. Все проводимые исследования показывают, что необходимый размер каналов 18 таков, что они не ухудшают механических свойств пяты 15 лопатки 8.

Согласно еще одному усовершенствованию изобретения, показанному на фиг.5 и 6, выполняют канал 19 в каждой неподвижной лопатке 10 и сообщенный с ним канал 20 в периферийном венце, направленный по оси. При этом входное отверстие канала 19 открыто в первую камеру 21 уплотнительного элемента 12, а выходное отверстие канала 20 расположено напротив уплотнительного элемента 13 лопаток 8. Благодаря этому можно отобрать пар утечек в первой камере 21 уплотнения 12 диафрагмы 6 и ввести его по оси на вход уплотнений 13 подвижных лопаток 8, используя распределение давления по ступеням: Р₁>Р₂>Р₃>Р₄>Р₅. В этих условиях часть утечек у основания диафрагмы 6 подводится к вершине подвижной лопатки 8, что позволяет существенно снизить расход, вычитаемый из основного расхода жидкости, что сопровождается ростом КПД.

Кроме того, этот вариант выполнения турбины обеспечивает преимущество, которое может быть определяющим в случае некоторых машин. Действительно современные машины вследствие роста мощности, получаемой с одним ротором, могут иметь неустойчивость перед достижением полной нагрузки. Эта неустойчивость обусловлена поперечными усилиями, возникающими на периферии лопаток и вызванными утечками жидкости между неподвижными и подвижными лопатками.

На экспериментальных и действующих машинах (центробежные компрессоры и турбины) было показано, что эти усилия являются дестабилизирующими, когда жидкость, которая проникает в уплотнения, имеет существенную вращательную составляющую, и что эти усилия являются стабилизирующими, когда жидкость проникает в уплотнения в осевом направлении. Благодаря этому усовершенствованию поток пара на входе уплотнения 13 подвижных лопаток 8 направлен практически по оси ротора 1 (стрелка F на фиг.6).

Наибольшая часть расхода жидкости, которая проникает в уплотнения 13 подвижных лопаток 8, не имеет вращательной составляющей движения, и эти дестабилизирующие утечки становятся благодаря этому усовершенствованию стабилизирующими.

Несмотря на то, что инерция изгиба здесь более значительна, чем у дисковых роторов, эти усовершенствования барабанных роторов позволяют, кроме того, значительно увеличить запас устойчивости модулей высокого давления, в частности для случая сверхкритических машин.

В соответствии с другим усовершенствованием по изобретению, показанным на фиг. 7 и 8, сверлят наклонный канал 22 между одной из последних камер 23 уплотнения 12 диафрагмы 6 и горловиной 24 каждой группы последующих неподвижных лопаток 10. Благодаря разнице давлений вновь полностью отводят утечки неподвижных лопаток 10 по касательной в паровой канал 25 между двумя неподвижными лопатками 10. Это позволяет также создать небольшое всасывание потока на входе в подвижные лопатки 8 в зазор между неподвижными лопатками 10 и подвижными лопатками 8. В этих условиях утечка у основания диафрагмы 6 не возмущает больше основной поток и позволяет улучшить качество потока в канале неподвижных лопаток 10 (поддув пограничного слоя).

Эта система использует ступенчатое распределение давлений в канале 25, как это показано на фиг.8: Р₁>Р₂>Р₃>Р₄.

Усовершенствования, представленные на фиг.3, 4, 5, 6 и 7, могут быть использованы раздельно. Можно также использовать их совместно, в частности в следующих сочетаниях: усовершенствования по фиг.3 и 5, усовершенствования по фиг.4 и 5, усовершенствования по фиг.5 и 7.

В модулях высокого давления подкритических (180 бар) и надкритических (>200 бар) активных турбин изобретение позволяет улучшить количественно (А) аэродинамический КПД рассматриваемых каналов высокого давления от 1 до 4% (в зависимости от мощности машины и выбранного термодинамического цикла) лишь путем использования барабанного ротора (см. фиг.9). Барабанный ротор облегчает установку устройств, обеспечивающих снижение аэродинамических потерь, обусловленных утечками пара на диаметре DR диафрагмы 6 и вновь подводом на вход подвижной лопатки, как это описано выше (сверление распределяющих лопаток, сверление нижнего бандажа, уравновешивающие каналы, скос нижнего бандажа). Аэродинамические потери, обусловленные повторным вводом утечек, весьма значительны в активных турбинах вследствие значительного падения давления на неподвижных лопатках. Они могут лежать в диапазоне 1-2% от КПД модуля. Представленные устройства обеспечивают снижение этих потерь в количестве (В) вплоть до 70% (см. фиг.9). Барабанный ротор упрощает установку устройства (сверление каналов в лопатках, диафрагме), обеспечивая снижение нестабильностей ротора, обусловленных усилиями потока пара. Кроме того, изобретение позволяет уменьшить поперечные размеры и массу модулей, упрощает стойкость к давлению элементов статора. Это выполняется с сохранением продольных размеров модуля.

Сохранение принципа активной турбины с использованием барабанного ротора имеет следующее преимущество. При равной длине ротора диаметр основания меньше для активной машины, чем для реактивной (обе машины с барабанным ротором). Кроме выигрышей КПД, полученных в паровом канале, что рассматривалось ранее, очень малое усилие на ротор активной турбины приводит к тому, что ее уравновешивающий поршень имеет много меньший диаметр, чем аналогичный диаметр для реактивной турбины. Последнее обеспечивает дополнительное возрастание КПД, которое может достигать 2% в случае некоторых машин с очень высоким давлением.