CZ280451B6 - Vstupní těleso jednoproudé, axiálně protékané vysokotlaké parní turbíny - Google Patents

Abstract

Vstupní těleso je sestaveno ze dvou spirálových těles (1, 2). Tato spirálová tělesa (1, 2) jsou opatřena prstencovými otvory (1', 2') uspořádanými koncentricky a směřujícími ke vstupu do přetlakového lopatkování (13, 14, 15), přičemž jsou uspořádána po celém 360 .sup.o .n.obvodu. Spirálová tělesa (1, 2) je možno odpojit a/nebo škrtit, takže se může provádět plynulé dílčí napájení přetlakového lopatkování 13, 14, 15). Spirálové těleso (2) je dimenzováno na menší průtok a jeho prstencový otvor (2') je uspořádán v radiálním směru na straně rotoru (10). První řada lopatek napájená z prstencových otvorů (1', 2') je řadou oběžných lopatek akčního regulačního kola (13). Radiálně vnitřní obrysová stěna spirálového tělesa (2), dimenzovaného na menší průtok, je uspořádána v rovině vyrovnávacího pístu (17).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vstupního tělesa jednoproudé, axiálně protékané vysokotlaké parní turbíny, jejíž první stupeň je nabíhán ze dvou navzájem oddělených koncentrických prstencových otvorů, přičemž každý prstencový otvor je spojen s vlastním přívodním potrubím a přívodními potrubími jsou dvě spirálová tělesa, odděleně odpojitelná nebo škrtitelná, uspořádaná koncentricky, která jsou na výstupní straně opatřena prstencovými otvory rozkládajícími se po 360° obvodu, přičemž dále je průřez spirál obou spirálových těles po celém obvodu proveden pro vytváření točivého momentu tak, že pracovní prostředek vystupující z prstencových otvorů má nezávisle na provozním zatížení tangenciální složku, rovnající se řádově obvodové rychlosti sektoru lopatek prvního stupně obtékaného pracovním prostředkem, a přičemž konečně průřezy spirálových těles jsou dimenzovány pro různé průtoky a koncentrické prstencové otvory mají podle toho rozdílné výšky.

Dosavadní stav techniky

V současné době se regulace výkonu parních turbín provádí buď přizpůsobením, nebo škrcením tlaku čerstvé páry, známým jako regulace klouzavým tlakem vstupní páry nebo škrticí regulace, nebo částečným napájením rovnotlakého stupně, speciálně za tím účelem zkonstruovaného, přes jednotlivé odpojitelné a regulovatelné sektory dýzového věnce. Tento způsob regulace známý jako skupinová regulace skupinových dýz se většinou ukázal jako lepší než čistá regulace škrcením, vede však při snížení zatížení, a tím i napájení k nárůstu ztrát známých pod označením ztráty dílčím napájením. Při neúplném promíchávání proudění v připojené komoře kola může také docházet k dílčímu napájení dále zařazeného přetlakového lopatkování, a tím k přídavným velkým ztrátám při proudění.

Vstupní tělesa s koncentrickými prstencovými kanály jsou známa z FR-A-2 351 249. Ze dvou axiálně nasměrovaných koncentrických kanálů, tvořících dýzovou skříň, proudí pára do akčního kola. Dýzy jsou uspořádány uvnitř prstencového kanálu. Přitom se jedná o klasický rovnotlaký regulační stupeň. Prstencové kanály jsou napájeny odděleně. První z obou prstencových kanálů má dvě přívodní potrubí, vedoucí vždy k jedné polovině prstencového obvodu. Druhý prstencový kanál je opatřen čtyřmi přívodními potrubími pro své čtyři segmenty. Výkon turbíny se zvýší z běhu naprázdno na jmenovitý výkon tím, že nejprve je prstencový kanál napájen po celém obvodu a potom se za sebou otvírají různé sektory druhého prstencového kanálu. Pomocí tohoto uspořádání nemohou vznikat při částečném napájení v první řadě lopatek žádné problémy spojené s chvěním.

Vstupní těleso s takovou regulací, která vede v celém rozsahu zatížení k vyšší účinnosti než čistá skupinová regulace dýz, je známo z CH-A-654 625. U tohoto řešení je možno vzhledem k napájení upravenému po celém 360° obvodu, s rozdílnými průtoky podle zatížení, upustit od regulačního stupně, ztrátového při

-1CZ 280451 B6 částečném zatížení, sestávajícího z dýzové skříně a rovnotlakého kola. Zvláštní výhody tohoto konstrukčního řešení spočívají v tom, že taková spirálová tělesa mají krátkou axiální konstrukční délku a je zapotřebí pouze dvou přívodních potrubí páry s uzavíracími a regulačními orgány.

Jsou-li průřezy spirálových těles dimenzovány na různé průtoky, mohou být vedle plného zatížení provozována neškrceně alespoň dvě místa částečného zatížení a proto beze ztrát. Jestliže jsou spirálovité průřezy navíc dimenzovány tak, že vytvářejí točivý moment, je možno upustit od vratné mříže před první řadou turbínových lopatek. V přívodních potrubích jsou přípustné vyšší rychlosti páry než obvykle, protože pro vytváření točivého momentu se plně využije kinetické energie. Vzhledem k tomu mohou být přívodní potrubí provedena s malými průřezy, a proto jako levnější .

Úkolem vynálezu je u vstupního tělesa uvedeného druhu zachovat stávající klasickou konstrukci s regulačním kolem pracujícím na rovnotlakém principu.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje vstupní těleso jednoproudé, axiálně protékané vysokotlaké parní turbíny, jejíž první stupeň je nabíhán ze dvou navzájem oddělených koncentrických otvorů, přičemž každý prstencový otvor je spojen s vlastním přívodním potrubím a přívodními potrubími jsou dvě spirálová tělesa, odděleně odpojitelná nebo škrtitelná, uspořádaná koncentricky která jsou na výstupní straně opatřena prstencovými otvory rozkládajícími se po 360° obvodu, přičemž dále průřez obou spirálových těles je proveden po celém obvodu pro vytváření točivého momentu tak, že pracovní médium vystupující z prstencových otvorů má nezávisle na provozním zatížení tangenciální složku, rovnající se řádově obvodové rychlosti sektoru lopatek prvního stupně napájeného pracovním médiem, a přičemž průřezy spirálových těles jsou dimenzovány pro různé průtoky a koncentrické prstencové otvory mají podle toho rozdílné výšky, podle vynálezu, jehož podstatou je, že prstencový otvor spirály dimenzované na menší průtok je uspořádán v radiálním směru blíže u rotoru, než prstencový otvor spirály dimenzované na větší průtok, že první řada lopatkování napájená z prstencových otvorů je řadou oběžných lopatek s malým přetlakovým stupněm, pracující na rovnotlakém principu a radiálně vnitřní obrysová stěna spirály dimenzované na malý průtok je uspořádána alespoň částečně v rovině vyrovnávacího pístu a na své vnější straně je opatřena labyrintovým hřídelovým těsněním.

Výhoda vynálezu spočívá zejména v tom, že vyrovnávací písty potřebné u jednoproudých turbínových dílů mohou být vzhledem k velkému průměru regulačního kola uspořádány uvnitř spirál.

Podle výhodného provedení vynálezu se spirálová tělesa rozkládají po 360° obvodu a jsou opatřena vstupními průřezy přesazenými o 180°. Přitom mohou být vstupní průřezy spirálových těles uspořádány v horizontální ose turbíny. Výhodné také je, když jsou spirálová tělesa na vstupní straně spojena s přívodními stranami tvarovek přes redukční kusy.

-2CZ 280451 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladu provedení podle připojeného výkresu, na němž je znázorněn dílčí podélný řez turbínou se vstupním tělesem s dvěma spirálami.

Směr prouděni pracovního média, zde vysokotlaké páry, je označen šipkami. Obrázek si neklade žádné nároky na přesnost a slouží toliko pro lepší srozumitelnost, přičemž je znázorněn pouze nejnutnějšími obrysy.

Příklady provedení vynálezu

Vstupní těleso turbíny sestává ze dvou spirálových těles neboli spirál 1, 2, do nichž je přiváděna tvarovkami 8 a 9 pára. Uzavírací a regulační orgány tvarovek 8. a 9 nejsou znázorněny. Na výstupní straně ústí spirály 1, 2. do vždy jednoho prstencového otvoru 1' nebo 2 ¹ . Tyto prstencové otvory 1¹ , 2¹ jsou uspořádány navzájem koncentricky a rozkládají se po 360° obvodu. Ohraničení proudění obou prstencových otvorů 1 * , 2 * vůči sobě je provedeno krátkou společnou dělicí stěnou 4, vybíhající axiálně do průtokového kanálu turbíny. V projekci je tedy z obou spirál proveden axiální vtok páry do turbíny. Z pouze částečně a velmi schematicky znázorněné turbíny, u níž se jedná o jednoproudou vysokotlakou část, jsou znázorněny pouze rotor 10 s ucpávkou 11 na vyrovnávacím pístu 17, nosič 12 lopatek, regulační kolo 13 a rozváděči lopatky 14 prvních tří přetlakových stupňů a oběžné lopatky 15, upevněné na rotoru, prvních dvou přetlakových stupňů. Mezi výstupem ze spirál 1,2- který je určen zadní hranou dělicí stěny 4. - a regulačním kolem 13 je uspořádán prstencovitý směšovací prostor 5. Mezi regulačním kolem 13 a řadou lopatek prvního stupně se nachází obvyklá komora 16 kola. Radiální vnitřní obrysová stěna spirály 2 dimenzované na malý průtok probíhá v rovině vyrovnávacího pístu 17 a je na své vnější straně opatřena labyrintovým hřídelovým těsněním, které je součásti uvedené ucpávky 11.

Mezi neznázorněnými vstupními průřezy spirál 1, 2, které se nacházejí v horizontální dělicí rovině, a tvarovkami 8, 9 jsou uspořádány redukční kusy 6, 7. V nich se pracovní prostředek neboli pracovní médium urychluje z rychlosti například 60 m/s na vstupní požadovanou rychlost do turbíny, v tomto případě před regulačním kolem 13., například 280 m/s. Šroubovitý nebo točivý moment vzniká ve spirálách 1, 2, které jsou za tím účelem vhodně tvarovány. Rozumí se, že v tvarovkách j3 a 2 jsou přípustné také vyšší rychlosti než uvedených 60 m/s. To platí zejména proto, že je plně využitelná kritická energie pro vytváření točivého momentu. A konečně se jedná o problém optimalizace, u něhož je nutno zvážit, že při úspoře materiálu dané zmenšením průřezů zase dochází k vyšším ztrátám třením způsobeným zvýšenou rychlostí prouděni.

Obě spirály 1, 2 jsou jako jejich prstencové otvory 1¹ , 21 uspořádány koncentricky a probíhají po celém 360° obvodu. Jejich vstupní průřezy jsou vůči sobě přesazeny o 180°, a sice tak, že obě spirály 1, 2 jsou protékány ve stejném smyslu otáčení. Vstupní průřezy se nacházejí v horizontální podélné ose 3 turbíny, tedy v rovině, v níž obvykle leží dělicí plochy stroje. Průřezy

-3CZ 280451 B6 obou koncentricky uspořádaných spirál 1, 2 jsou dimenzovány na nestejný průtok, což je dáno různými vstupními průřezy 1 , 2¹¹ a rozdílnými výškami kanálu, respektive prstencových otvorů 1¹, 2' .

Při volbě tvaru průřezů je nutno vedle hlediska proudění brát zřetel i na konstrukční a výrobně technické aspekty. Snahou je vytvořit kompaktní tvary spirál i, 2, které umožňují co možná nejvíce homogenní výstup proudu z prstencových otvorů 1 * , 2¹ .

Pokud se týká tohoto homogenního výstupního proudění, bylo již uvedeno, že točivý moment vzniká ve spirále 1, 2 samotné. Zmenšením poloměru ve směru proudění dojde vzhledem k zákonu o zachování hybnosti ve spirále 1, 2 k nucenému zrychlení pracovního média. Vzhledem k tomuto zrychlení je nutno průřezy spirál 1, 2 v každém místě dimenzovat na střední rychlost, například 120 m/s. Potom je dosaženo ve vhodně dimenzovaných prstencových otvorech 1¹ , 2¹ absolutních výstupních rychlostí asi 280 m/s při výstupním úhlu asi 18°. Při odpovídající obvodové rychlosti rotoru na rozhodujícím průměru to způsobí ideální natékání nebo nabíhání regulačního kola 13.

Dále bylo již shora uvedeno, že zrychlení, které jinak nastává v dýze regulačního stupně, vzniká hlavně v redukčním kusu 6, 7 proti proudu vůči spirále 1, 2 a z malé části nastává v této spirále i, 2 samotné. Snížení stupňovitého spádu, spojené s tímto zrychlením, odpovídá podílu spádu, který by nyní měl být zpracován v dýzové skříni.

Na druhou stranu je nutno vzít v úvahu, že - na rozdíl od řešení uvedeného v CH-A-654 625 - první řada lopatek napájená párou je řadou normálního regulačního stupně. U známého řešení je odpadnutím regulačního stupně a při předem určeném celkovém spádu vysokotlakou částí turbíny úroveň tlaku na vstupu do přetlakového lopatkování tak vysoká, že pro její snížení je nutno upravit přídavný přetlakový stupeň s obvyklým spádem. To je podmíněno tím, že v přetlakovém stupni se obvykle převede pouze přibližně o polovinu spádu víc než v akčním stupni, uspořádaném pro účely regulace. Z toho je již vidět jednu z hlavních výhod nového použití spirál 1, 2, to znamená, že dosavadní rotor může být ponechán beze změny. To je zvlášť důležité zejména s ohledem na přestavbu existujících turbín.

Řešení spirál 1, 2, označované jako regulace točivého momentu, se hodí zejména pro částečná zatížení turbíny, kde vzniknou oproti klasické skupinové regulaci dýz značné výhody. A to proto, že vtékání do první řady lopatek se provádí při každém provozním zatížení vždy po celém 360° obvodu.

Jako zvlášť výhodné se zde ukazuje provedení dvou různých průtoků daných různým dimenzováním spirál 1, 2. Ve znázorněném příkladu provedení - u něhož malá spirála 2 napájí části lopatek blízko rotoru a velká spirála i napájí části lopatek nejbližší regulačnímu kolu 13 - proudí při plném provozu 70 % pracovního média z prstencového otvoru 1¹ a 30 % z prstencového otvoru 2 ¹ . Tím je možno provozovat stroj s následujícími zatíženími :

-4CZ 280451 B6 plné zatížení s otevřenými spirálami 1, 2 a otevřenými regulačními ventily (neznázorněno) ve tvarovkách;

% částečné zatížení s otevřenou spirálou 1 a uzavřenou spirálou 2;

% částečné zatížení s otevřenou spirálou 2 a uzavřenou spirálou i;

libovolné částečné zatížení otevřením jedné z obou spirál 1,2 a škrcením jednoho z obou neznázorněných regulačních ventilů.

Správné dimenzování průřezu spirál 1, 2 pro vytváření točivého momentu a homogenního výstupního proudění v obvodovém směru zaručuje i při částečném zatížení turbíny stejný výstupní úhel proudění do regulačního kola 13 jako při plném zatížení. Různé výstupní rychlosti, podle dílčího zatížení, ze spirál i, 2 umožňují regulaci zatížení jako při skupinové regulaci dýz.

Na rozdíl od této klasické skupinové regulace dýz, u níž se provádí částečné napájení v obvodovém směru, se v uvedeném případě provádí částečné napájení v radiálním směru. Tím je způsobeno neustále plné napájení v obvodovém směru, které má za následek i rovnoměrné rozděleni teplot po celém obvodu. Střídavé plnění a vyprazdňování lopatkových kanálů, které je jinak při dílčím napájení známé a způsobuje ztráty, přitom odpadne, takže přibývání ztrát při snižujícím se zatížení je menší než při skupinové regulaci dýz. Kromě toho je příznivější i dynamické namáhání první řady oběžných lopatek.

Přídavná, avšak značně malá ztráta vznikne při částečném zatížení pouze na dělicím čele proudů vystupujících z prstencových otvorů 1¹ , 2¹ s různými rychlostmi. Přitom se jedná o ztráty třením a míšením na hranicích proudů. Jinak zajišťuje přesazení dělicí stěny 4 dozadu oproti známému řešení podle CH-A-654 625 při plném zatížení dobré promísení dílčích proudů v směšovacím prostoru 5. I když jedna ze spirál i, 2 je zcela odpojena, je přesto ventilační ztráta v eventuálně nenapájené části lopatkování zanedbatelná. Přesazení dělicí stěny 4 dozadu, a tím vytvoření zmíněného prostoru 5 je provedeno proto, aby část lopatek, která bud’ není napájena, nebo je napájena jinak, byla co možná nejmenší. Axiální rozměr směšovací komory 5 je zvolen tak, že je podpořeno vyrovnání proudění v radiálním směru.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Vstupní těleso jednoproudé, axiálně protékané vysokotlaké parní turbíny, jejíž první stupeň je nabíhán ze dvou navzájem oddělených koncentrických otvorů, přičemž každý prstencový otvor je spojen s vlastním přívodním potrubím a přívodními potrubími jsou dvě spirálová tělesa (1, 2), odděleně odpojitelná nebo škrtitelná, uspořádaná koncentricky která jsou na výstupní straně opatřena prstencovými otvory (1', 2') rozkládajícími se po 360° obvodu, přičemž dále průřez obou spirálových těles (1, 2) je proveden po celém obvodu pro vytváření točivého momentu tak, že pracovní médium vystupující z prstencových otvorů (1', 2’) má nezávisle na provozním zatížení tangenciální složku, rovnající se řádově obvodové rychlosti sektoru lopatek prvního stupně napájeného pracovním médiem, a přičemž průřezy spirálových těles (1, 2) jsou dimenzovány pro různé průtoky a koncentrické prstencové otvory (1', 2' ) mají podle toho rozdílné výšky, vyznačující se tím, že prstencový otvor (2') spirály (2) dimenzované na menší průtok je uspořádán v radiálním směru blíže u rotoru, než prstencový otvor (1') spirály (1) dimenzované na větší průtok, že první řada lopatkování napájená z prstencových otvorů (1', 2') je řadou (13) oběžných lopatek s malým přetlakovým stupněm na rovnotlakém principu a radiálně vnitřní obrysová stěna spirály (2), dimenzované na malý průtok, je uspořádána alespoň částečně v rovině vyrovnávacího pístu (17) a na své vnější straně je opatřena labyrintovým hřídelovým těsněním.
2. 2. Vstupní těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že spirálová tělesa (1, 2) se rozkládají po 360° obvodu a jsou opatřena vstupními průřezy přesazenými o 180°.
3. 3. Vstupní těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní průřezy spirálových těles (1, 2) jsou uspořádány v horizontální ose (3) turbíny.
4. 4. Vstupní těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že spirálová tělesa (1, 2) jsou na vstupní straně spojena s přívodními tvarovkami (8, 9) přes redukční kusy (6,

   7) .