CZ20033009A3

CZ20033009A3 - Zařízení pro vzájemné spojování tras toků axiálně sousedících turbín

Info

Publication number: CZ20033009A3
Application number: CZ20033009A
Authority: CZ
Inventors: Norman Douglas Lathrop; Daniel Mark Brown; Edward John Sharrow; Kristin Segreto; Douglas Carl Hofer
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2004-06-16
Also published as: JP2004156617A; JP4458816B2; DE10350230B4; US6783321B2; KR100847941B1; CN1508397A; RU2003132422A; DE10350230A1; US20040086375A1; CN100354503C; RU2331772C2; KR20040040371A; CZ302462B6

Description

Oblast techniky

Tento vynález se vztahuje k turbínám, které jsou navzájem axiálně spojeny ve směru trasy toku. Zejména pak se týká difuzoru vytvořeného mezi axiálně spojenými turbínami ve směru trasy toku za účelem omezení ztrát energie při rozsáhlém turbulentním míchání, při současné regeneraci energii pomocí difúze toku páry.

Někdy jsou turbíny, stejně jako jejich trasy toku páry, vzájemně propojeny spojením jejich rotorových hřídelí. Například dvě axiální parní turbíny mohou být vzájemně axiálně spojeny, přičemž tok páry vystupuje z koncové části první turbíny, neboli turbíny výše ve směru toku, a vstupuje do první části druhé turbíny, neboli turbíny níže ve směru toku. Obvykle je mezi turbínami umístěna dutina, která také vytváří část trasy toku. Když jsou rotující hřídel a spojka vystaveny do trasy toku, otáčení hřídele strhuje plyn a vyvrhuje jej zpět do trasy toku. Toto je jev, o kterém se často mluví jako o ventilační ztrátě, a který může vytvářet podstatné ztráty energie při turbulentním míchání v dutině. Spojka mezi hřídeli také vytváří povrch vyčnívající do toku ve směru trasy toku z jedné turbíny do druhé přes dutinu a tím způsobuje ztráty vzhledem k rozdělování toku. V axiálně spojených turbínách se také objevují jiné ztráty energie. Například výstupní prstenec turbíny výše ve směru toku má obvykle jiný průměr a/nebo výšku než má vstupní prstenec turbíny níže ve směru toku. Vzhledem k tomu, že tok nemůže rychle změnit směr z jednoho prstence do druhého, naráží obecně na ostatní povrchy dutiny, což logicky znamená ztráty. Dále může do trasy toku, například do dutiny, předtím než pára vstoupí do turbíny níže ve směru toku, vstupovat dodatečná pára. Tento pomocný vstup páry vytváří poruchy v průtoku páry přecházející mezi turbínami výše a níže ve směru toku.

• · · ·

Dosud známé snahy o omezení ztrát z otáčející se hřídele byly založeny na vytvoření obecného válcovitého krytu spojky, který překrýval spojku a měl osu rovnoběžnou s osou otáčení turbín. I když se tímto způsobem řešily jisté ztráty od otáčející se hřídele a spojky, nebraly se do úvahy všechny výše popsané ztrátové mechanismy. Válcovitý kryt zmírňuje ztráty v dutině, ale sám vytváří ztrátu energie a neregeneruje energii z průtoku.

Podstata vynálezu

V souladu s výhodným provedením stávajícího vynálezu je realizováno zařízení pro přechod toku z turbíny umístěné výše ve směru toku do turbíny umístěné níže ve směru toku a zajištění vstupu pomocného toku plynu do dutiny mezi turbínou, výše ve směru toku a turbínou níže ve směru toku se sníženými směšovacími ztrátami. Pro realizací výše uvedeného cíle je vytvořen na trase toku mezi turbínou » výše ve směru toku a turbínou níže ve směru toku difuzor. Vnitřní stěna difuzoru neboli kryt spojky vymezuje vnitřní poloměr trasy toku přecházející mezi turbínou níže ve směru toku a turbínou výše ve směru toku a rozprostírá se mezi koncovou částí turbíny výše ve směru toku a počáteční částí turbíny níže ve směru toku. Kryt spojky má s výhodou tvar části komolého kužele s osou rovnoběžnou s osou otáčení turbíny. Za účelem podstatného snížení nebo vyloučení ventilační ztráty a rozdělení toku díky vyčnívajícím povrchům, na které by jinak dopadal protékající tok plynu, kryt spojky tedy překrývá spojku spojující hřídele rotoru.

Difuzor také obsahuje vnější stěnu difuzoru, která částečně vymezuje vnější okraj trasy toku mezi turbínou výše ve směru toku* a turbínou níže ve směru toku. Stejně jako vnitřní kryt spojky, je vnější stěna difuzoru s výhodou tvořena částí komolého kužele kolem osy a je s výhodou odlita jako část vnější skříně turbíny, která je společná pro • · · · obě turbíny. Difuzor vložený mezi výstupní prstenec a vstupní prstenec turbín výše a níže ve směru toku vede tok plynu (páry) tak, že je rozptylován. Difuzor tudíž zajišťuje plynulý přechod mezi dvěma turbínami, což e liminuje ztrátu energie spojenou s otáčející se hřídelí a spojkou a nesouosostí mezi výstupním a vstupním prstencem dvou turbín, přičemž současně vzrůstá díky použití difuzoru regenerace energie.

Přívodem, umístěným mezi turbíny výše ve směru toku a turbíny níže ve směru toku, může do dutiny v trase toku vstupovat dodatečný tok plynu. Přívod je nastaven tak, aby změnil směr toku z víceméně radiálního na směr, který má jak axiální tak obvodovou část. Když se dodatečný tok střetne s tokem z turbíny výše ve směru toku, rychlosti a směry toků jsou takové, že dovolí snížit směšovací ztráty.

Ve výhodném provedení stávajícího vynálezu je realizováno zařízení pro vzájemné spojení tras toku sousedících axiálních turbín, sestávající z první a druhé turbíny, které jsou vzájemně axiálně spojeny ve směru trasy toku. Plyn zde teče první částí trasy toku podél první turbíny a je vyfukován z první turbíny do druhé části trasy toku podél druhé turbíny. Turbíny mají vlastní rotory a spojku mezi prvním a druhým rotorem pro vzájemné spojení turbín a vnitřního krytu vedoucího mezi koncovou částí první turbíny a první částí druhé turbíny a rozkládajícího se kolem a překrývajícího spojku mezi rotory, aby izoloval spojku rotorů od trasy toku a vytvářel v podstatě plynulý přechod toku plynu z první části trasy toku první turbíny do druhé části trasy toku druhé turbíny.

V dalším výhodném provedení podle stávajícího vynálezu je realizováno zařízení pro vzájemné spojení turbín, sestávající z první a druhé turbíny, které jsou vzájemně axiálně spojeny ve směru trasy toku, kde plyn teče první Částí trasy toku podél první turbíny a je vyfukován z první turbíny do druhé části trasy toku podél druhé turbíny. Turbíny mají vlastní rotory a spojku mezi prvním a druhým rotorem pro vzájemné ·· ···· • ·· · • · ·· spojení turbín a vnější stěny vedoucí mezi koncovou částí první turbíny a první částí druhé turbíny a rozkládající se kolem a překrývající trasu toku mezi první a druhou turbínou, aby vytvářela v podstatě plynulý přechod toku plynu z první Části trasy toku první turbíny do druhé části trasy toku druhé turbíny.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 je dílčí pohled v řezu na horní část dvou vzájemně spojených turbín, znázorňující spojku a trasu toku mezi nimi v souladu s původním stavem techniky.

Obrázek 2 je pohled podobný obr. 1 a znázorňuje kryt spojky podle původního stavu techniky.

Obrázek 3 je pohled podobný obr. 1 a znázorňuje kryt spojky podle výhodného provedení stávajícího vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na přiložených výkresech, zejména na obrázku 1, jsou znázorněny první a druhá turbína, jmenovitě první turbína neboli turbína výše ve směru toku, obecně značená 10, a turbína níže ve směru toku, obecně značená 12, axiálně navzájem spojené ve směru jejich tras toků pomocí vzájemného spojení jejich rotorových hřídelí. První turbína 10 obsahuje množinu axiálně v určité vzdálenosti umístěných montážních lopatek 16 oběžných kol 14, které spolu s montážními přepážkami 20 membránových příček 18 tvoří množinu stupňů první turbíny 10. Podobně druhá turbína 12 obsahuje množinu axiálně umístěných montážních lopatek 24 oběžných kol 22, které ve spojení s přepážkami 28 nesoucími membránové příčky 26 tvoří množinu stupňů druhé turbíny ·· ·*··

. 5 ' .

12. Je třeba si uvědomit, že energetický plyn, například pára, prochází obecně axiálně podél různých stupňů první turbíny 10 výše ve směru toku první částí trasy toku označené šipkou 27, střední dutinou 30 a druhou částí trasy toku, která je označená šipkou 29 a je tvořená různými stupni druhé turbíny 12 níže ve směru toku. Části trasy toku 27 a 29 a dutina 30 utváří trasu toku spojenými turbínami. Navíc, jednotlivé rotorové hřídele 34 a 36 první a druhé turbíny 10 a 12 jsou navzájem spojené pomocí spojky, obecně označené 38. Spojka zahrnuje příruby 40 na koncích jednotlivých hřídelí rotorů a šrouby 41, které spojují navzájem příruby a tudíž také hřídele. Navíc je ve společné vnější skříni 42 vytvořena dvojice radiálních otvorů 45 (zobrazen je pouze jeden) pro vstup plynu (páry), za účelem vstupu přídavného plynu (páry) do střední dutiny 30 a jeho spojení s plynem na trase toku.

Jak je zmíněno výše, otáčející se hřídele 34 a 36 a spojka 38. jsou vystaveny do trasy toku v dutině 30, což má za následek ventilační ztráty díky turbulentnímu míchání a ztrátám daným rozdělením toku v důsledku nárazů na vystouplé povrchy na spojce 38 a jiných částech.

Snaha o zmenšení výše zmíněných ztrát podle původního stavu techniky je zobrazena na obrázku 2. Válcovitý kryt 46 má osu shodnou s osou otáčení rotorových hřídelí 34 a 36 a přímo překrývá spojku 38. Kryt 46 má na svém vnějším povrchu paprskovitě vystupující výztuhová žebra 48. Ačkoli ztráty dané spojkou a otáčející se hřídelí jsou do určitého stupně pomocí této úpravy zmírněny, zůstávají značné ztráty a válcovitý kryt neodstraňuje jiné ztráty v trase toku.

Na obrázku 3 je znázorněno výhodné provedení stávajícího vynálezu s tím, že části stejné jako části na obr. 1 a 2 jsou označeny stejnými číslicemi, kterým ale předchází číslice 1. Je zde znázorněna turbína 110 výše ve směru toku, která má axiálně v určité vzdálenosti umístěné montážní lopatky 116 oběžných kol 114, které ve spojení s přepážkami 120 nesoucími membránové příčky 118 tvoří jednotlivé axiální stupně turbíny. Oběžná kola 114 tvoří část rotorové hřídele 134.

··· ·

Podobně druhá, neboli níže ve směru toku umístěná, turbína 112 obsahuje montážní lopatky 124 oběžných kol 122, které ve spojení s montážními přepážkami 128 membránových příček 126 tvoří jednotlivé axiální stupně turbíny. Oběžná kola 122 jsou namontována na druhé rotorové hřídeli 136. První a druhá turbína 110 a 112 mají části trasy toku 127 a 129, které spolu s dutinou 130 utvářejí trasu toku turbínou.

Rotorové hřídele 134 a 136 jsou navzájem spojeny spojkou 138, podobně jako v původním stavu techniky, pomocí přírub 140 a sady obvodově umístěných šroubů 141, které upevňují příruby k sobě. Stejně jako v původním stavu techniky, je ve společné vnější skříni 142 jeden, nejlépe však pár, radiálních přívodů 145 plynu (páry), za účelem vstupu plynu (páru) do střední dutiny 130 a spojení s plynem (párou), který vychází z výstupního prstence 147 turbíny 110 výše ve směru toku a teče k vstupnímu prstenci 149 turbíny 112 níže ve směru toku.

Ve shodě s výhodným provedením stávajícího vynálezu je realizován difuzor, obecně označený 150, který tvoří část dutiny 130 mezi'první a druhou turbínou 110a 112. Je třeba si uvědomit, že difuzor 150 regeneruje kinetickou energii z plynu (páry) opouštějícího turbínu 110 výše ve směru toku, dříve než vstoupí do turbíny 112 níže ve směru toku. Pro vytvoření difuzoru 150. stejně jako pro minimalizaci jak ventilační ztráty tak ztráty při otáčení, je realizován vnitřní kryt 152 ve tvaru části komolého kužele, která má osu shodnou s osou otáčení kombinovaných hřídelí 134 a 136. Vnitřní krvt 152 vymezuje vnitřní okraj trasy toku vycházející z výstupního prstence 147 turbíny 110 výše ve směru toku a vstupující do vstupního prstence 149 turbíny 112 níže ve směru toku. To znamená, že vnitřní kryt 152 se rozprostírá ze sousedství kořenového poloměru montážních lopatek tvořících koncový stupeň turbíny 110 výše ve směru toku, až po vnitřní věnec prvního stupně turbíny níže ve směru toku. Kryt 152 je nesen vnitřní skříní turbíny 112 níže ve směru toku. Trasa toku střední dutinou 130 je tudíž dostatečně utěsněna od spojky 138 mezi hřídeli.

»· ·«

Ďifuzor 1 50 dále vymezuje vnější stěna 154, která utváří obecně axiální prodloužení směrem níže turbíny 110 výše ve směru toku. Povrch vnitřní stěny 156 vnější stěny 154 částečně vymezuje vnější okraj toku, který opouští turbínu 110 výše ve směru toku. Vnitřní kryt 152 a stěna 156 tudíž definují prstenec okolo trasy toku, jehož plocha průřezu se zvětšuje ve směru trasy toku, směrem k turbíně 112 níže ve směru toku.

Vstupní otvory 145, které jsou s výhodou dva, zajišťují radiální vstup plynu (páry) do střední dutiny 130. Vstupní otvory 145 tvoří část vnější skříně 142 společné pro obě turbíny - jak pro turbínu výše ve směru toku, tak pro turbínu níže ve směru toku. Vstupní otvory 145 jsou nastaveny tak, aby otáčely obecně radiálně dovnitř směrovaný tok při styku s povrchem 158 vnější stěny 154 tak, že teče axiálně a obvodově předtím než vstoupí do spojovací dutiny 130. Tudíž tam, kde se trasa toku ze vstupního otvoru střetává s axiální trasou toku z turbíny výše ve směru toku, je rychlost toku dostatečně zmenšena, takže jsou redukovány směšovací ztráty.

Jako důsledek výše popsaného výhodného provedení jsou podstatně sníženy nebo úplně odstraněny ztráty otáčením a ventilační ztráty. Navíc, trasa toku mezi výstupním prstencem turbíny výše ve směru toku a vstupním prstencem turbíny níže ve směru toku má vliv plynulý přechod toku mezi nimi, přes rozdíly ve výškách a/nebo průměrech výstupního a vstupního prstence 147 a 149.

I když byl výnález popsán v souvislosti s tím, co je v současné době považováno za nejvíce praktické a nejvýhodnější provedení, je zřejmé, že vynález není tímto provedením limitován, ale naopak, jeho úmyslem je pokrýt různé modifikace a podobná provedení obsažená v duchu přiložených nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro vzájemné spojování tras toků axiálně sousedících turbín vyznačující se tím, že sestává z:

první turbíny (10) a druhé turbíny (12) axiálně navzájem spojených ve směru trasy toku, kde plyn teče první částí trasy toku (127) kolem první turbíny, je z této první turbíny vyfukován do druhé části trasy toku (129) kolem druhé turbíny, přičemž turbíny mají příslušné rotory (134, 136) a spojku (138) mezi prvním a druhým rotorem pro vzájemné spojení turbín;

vnitřního krytu (152) rozprostírajícího se mezi koncovým stupněm první turbíny a prvním stupněm druhé turbíny a kolem spojky mezi rotory a překrývajícího tuto spojku, aby izoloval spojku rotoru od trasy toku a představoval skutečně plynulý přechod toku plynu z první části trasy toku první turbíny do druhé části trasy toku druhé turbíny.
2. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že první a druhá turbína mají výstupní prstenec (145) a vstupní prstence (149) trasy toku, přičemž tyto prstence jsou odlišné buď ve výšce nebo v průměru a kryt vytváří část ve tvaru komolého kužele kolem společné osy rotorů první a druhé turbíny, za účelem přechodu toku plynu mezi výstupním prstencem a vstupním prstencem.
3. Zařízení podle nároku 2 vyznačující se tím, že vstupní prstenec (149) má větší průměr než je průměr výstupního prstence (145).
4. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že obsahuje vnější stěnu (154) vymezující vnější okraj trasy toku mezi první a druhou turbínou, přičemž vnitřní kryt a vnější stěna vymezují difuzor (150) mezi první a druhou turbínou a kolem spojky.
5. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že obsahuje dutinu (130) mezi první a druhou turbínou tvořící část trasy toku a alespoň jeden vstupní otvor (145) toku plynu pro vstup plynu do dutiny v místě mezi první a druhou turbínou.
6. Zařízení pro vzájemné spojení turbín vyznačující se tím, že sestává z:

první a druhé turbíny (110, 112) axiálně navzájem spojených kde plyn teče první částí trasy toku (127), je z první turbíny vyfukován do druhé části trasy toku (129) druhé turbíny, přičemž turbíny mají příslušné rotory (134, 136) a spojku (138) mezi prvním a druhým rotorem pro vzájemné spojení turbín;

vnější stěny (154) rozprostírající se mezi koncovým stupněm první turbíny a prvním stupněm druhé turbíny a kolem spojky mezi rotory a překrývající tuto spojku, aby vytvářela skutečně plynulý přechod toku plynu z první části trasy toku první turbíny do druhé části trasy toku druhé turbíny.
7. Zařízení podle nároku 6 vyznačující se tím, že první a druhá turbína mají výstupní a vstupní prstence trasy toku (145, 149), přičemž tyto prstence jsou odlišné buď ve výšce nebo v průměru a vnější stěna vytváří část ve tvaru komolého kužele kolem společné osy rotorů první a druhé turbíny, za účelem přechodu toku plynu mezi výstupním prstencem a vstupním prstencem.
8. Zařízení podle nároku 7 vyznačující se tím, že vnější stěna (154) tvoří část odlitku vnější skříně (142) turbíny.
9. Zařízení podle nároku 7 vyznačující se tím, že obsahuje dutinu (130) mezi první a druhou turbínou tvořící část trasy toku a alespoň jeden vstupní otvor (145) toku plynu pro vstup plynu do dutiny v místě mezi první a druhou turbínou.

····
10. Zařízení pro spojování tras toků vzájemně axiálně sousedících turbín vyznačující se tím, že sestává z:

první a druhé turbíny axiálně navzájem spojených ve směru trasy toku, kde plyn teče první částí trasy toku kolem první turbíny, je z této první turbíny výstupním prstencem vyfukován do vstupního prstence druhé části trasy toku kolem druhé turbíny, přičemž turbíny mají příslušné rotory a spojku mezi prvním a druhým rotorem pro vzájemné spojení turbín;

prstencovitých částí stěny rozprostírajících se ze sousedství výstupního prstence první turbíny a radiálně vně spojky mezi rotory a vytvářejících difuzor pro vedení toku plynu mezi výstupním a vstupním prstencem a zajišťujících skutečně plynulý přechod toku plynu z první části trasy toku první turbíny do druhé části trasy toku druhé turbíny.
11. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že části stěny zahrnují vnitřní kryt, který se rozprostírá ze sousedství kořenového poloměru lopatek turbíny tvořících koncový stupeň první turbíny, až po vnitřní věnec vytvářející část prvního stupně druhé turbíny, přičemž kryt vytváří povrch otáčení kolem společné osy rotorů první a druhé turbíny, za účelem přechodu toku plynu mezi výstupním prstencem a vstupním prstencem.
12. Zařízení podle nároku 11 vyznačující se tím, že kryt překrývá spojku a je nesen druhou turbínou.