CZ283621B6 - Parní turbina - Google Patents

Abstract

Má hřídel (3), který je uspořádán ve skříni (4) a který je veden skrz tuto skříň (4), přičemž skříň (4) má vysokotlakou stranu (10) a vzhledem k ní uspořádanou protilehlou stranu (12) výfukové páry, jakož i nastavovací ventil (30) pro nastavování proudu páry, který zasahuje do skříně (4). Pro zvláště bezporuchový provoz parní turbiny (1) s vysokým stupněm účinnosti je upraveno bezolejové uložení hřídele (3) prostřednictvím uvnitř skříně (4) na vysokotlaké straně (10) a na protilehlé straně (12) výfukové páry uspořádaných magnetických ložisek (6, 8, 14). Funkce nastavovacího ventilu (30) je zajištěna prostřednictvím elektromagnetického servopohonu (28).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká parní turbíny s jedním hřídelem, který je uspořádán nejméně v části své délky ve skříni a který je veden skrz tuto skříň, přičemž tato skříň má vysokotlakou stranu a vzhledem k ní protilehlou stranu výfuku páry, a s nejméně jedním nastavovacím ventilem pro nastavování proudu páry, vstupujícího do skříně.

Dosavadní stav techniky

Při provozu parní turbíny se obvykle používají elektrohydraulická ústrojí, jako například olejem mazaná radiální a axiální ložiska, jakož i olejově hydraulicky provozované nastavovací ventily s příslušným regulačním ústrojím. Olejově hydraulicky provozovány bývají také tak zvané rychlé uzavírací ventily, působící jako rychlé hlavní uzavírací orgány, a rotační ústrojí, upravené pro otáčení rotoru turbíny. Využití oleje v parní turbíně však v sobě vždy skrývá nebezpečí požáru. Až dosud prováděné pokusy s nehořlavými nebo jen obtížně hořlavými kapalinami nevedly k uspokojivým výsledkům.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol zdokonalit parní turbínu v úvodu uvedeného typu tak, aby se při zabránění požáru umožnil bezporuchový provoz.

Vytčený úkol se podle vynálezu řeší u parní turbíny tím, že je opatřena bezolejovým uložením hřídele prostřednictvím uvnitř skříně na vysokotlaké straně a na straně výfuku páry uspořádaných magnetických ložisek a bezolejovým provozem nastavovacího ventilu prostřednictvím elektromagnetického servopohonu.

Uvnitř skříně na vysokotlaké straně uspořádané magnetické ložisko má s výhodou radiální magnetické ložisko a axiální magnetické ložisko. Mimoto je na vysokotlaké straně upraveno záchytné ložisko, které je s výhodou uspořádáno mezi radiálním magnetickým ložiskem a axiálním magnetickým ložiskem. Magnetické ložisko a záchytné ložisko je účelně připevněno na skříni turbíny prostřednictvím příruby a je párotěsně uzavřeno víkem, takže na vysokotlaké straně není k dispozici žádné spojení parního prostoru, upraveného uvnitř skříně, s okolním prostorem. V takovém případě, kdy je hřídel využit pro pohon pracovního stroje, například kompresoru nebo generátoru, prochází na vysokotlaké straně skrz skříň a na straně výfuku páry je upraveno víko. Účelně je však hřídel veden na straně výfuku páry skrz skříň.

Na vysokotlaké straně je u parní turbíny, která má přetlakovou konstrukci, často upraven vyrovnávací píst pro vyrovnávání posuvu s utěsněním, které je vytvořeno jako labyrintové těsnění. V takovém případě je elektromagnetické ložisko a záchytné ložisko účelně uspořádáno mezi parním prostorem a mezi tímto utěsněním, to znamená při pohledu ze strany výfuku páry před tímto utěsněním. Prostřednictvím tohoto uspořádání se dosáhne zvláště malé vzdálenosti mezi magnetickým ložiskem na vysokotlaké straně a mezi magnetickým ložiskem na straně výfuku páry, což přináší tu výhodu, že z hlediska kmitově technického chování se hřídel dále přiblíží ideálními případu tak zvaného tuhého hřídele. Jinak se při zachování obvyklé vzdálenosti mezi ložisky uvnitř skříně, to znamená v parním prostoru turbíny, zachová prostor pro přídavné řady lopatek. Tím se dosáhne zvláště vysokého stupně účinnosti turbíny.

-1 CZ 283621 B6

V tom případě, kdy hřídel na straně výfuku páry prochází skrz skříň turbíny, je třeba mezi zde upraveným rotorem a mezi skříní turbíny upravit utěsnění. Pro uložení hřídele na straně výfuku páry je potom účelné upravit radiální magnetické ložisko a další záchytné ložisko, která jsou také upravena uvnitř skříně. Utěsnění může být ve směru proudění páry uspořádáno před, mezi nebo, pro zkrácení vzdálenosti mezi ložisky, za těmito oběma ložisky. Je také možné upravit axiální magnetické ložisko na straně výfuku páry skříně a na parní straně před ním záchytné ložisko a radiální magnetické ložisko.

Elektromagnetický servopohon, prostřednictvím kterého lze společně ovládat nastavovací ventily pro nastavování do skříně vstupující čerstvé páry prostřednictvím pohyblivého můstku, nahrazuje dříve obvykle používaný hydraulický pístový ovládač. Tím se umožní výhodně uspořádat servopohon uvnitř skříně. Mimoto lze hydraulický měnič nahradit elektronickou výkonnou částí, přičemž je třeba vést jen elektrická vedení skrz skříň. Je také možné upravit takový počet elektromagnetických servopohonů, který odpovídá počtu nastavovacích ventilů.

Jako servopohony se účelně nasadí elektromagnetické lineární pohony. Přitom lze ke každému nastavovacímu ventilu přiřadit elektromagnet se železným jádrem a cívkou, jakož i s kotvou magnetu, která je spojena s táhlem a která vykonává lineární pohyb. Potom není vůbec potřebný pohyblivý nosník, prostřednictvím kterého by bylo možné současně ovládat všechny nastavované členy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 je schematicky znázorněn příčný řez bezolejovou parní turbínou s magnetickými ložisky a s elektromagnetickým servopohonem.

Na obr. 2 a 3 jsou znázorněny další příklady provedení elektromagnetického servopohonů.

Příklady provedení vynálezu

Odpovídající součásti jsou na všech obrázcích opatřeny shodnými vztahovými znaky.

Na obr. 1 znázorněná parní turbína 1 má na hřídeli 3 upravený rotor 2 turbíny a pevně uspořádanou skříň 4 turbíny. Hřídel 3 je uložen ve dvou radiálních magnetických ložiskách 6 a 8, přičemž magnetické ložisko 6 je uspořádáno na vysokotlaké straně 10 a magnetické ložisko 8 na straně 12 výfuku páry parní turbíny 1. U parní turbíny 1 podle obr. 1 prochází hřídel 3 na straně 12 výfuku páry skrz skříň 4 turbíny. Obecně však může hřídel 3 procházet skrz skříň 4 turbíny také na vysokotlaké straně 10.

U příkladu provedení na vysokotlaké straně 10 uspořádané axiální magnetické ložisko 14 drží prostřednictvím hřídele 3 rotor 2 turbíny v axiálním směru a zachycuje parou vytvářené posuvové síly. Axiální magnetické ložisko 14 však může být také uspořádáno na straně 12 výfukové páry.

Na vysokotlaké straně 10 je mimoto upraveno záchytné ložisko 16, které je u daného příkladu provedení uspořádáno mezi magnetickým ložiskem 6 a magnetickým ložiskem 14. Další záchytné ložisko 18 je uspořádáno na straně 12 výfuku páry ve směru proudění páry za radiálním magnetickým ložiskem 8. Při výpadku magnetických ložisek 6 a 8 může hřídel 3 doběhnout v těchto záchytných ložiskách 16 a j_8.

-2CZ 283621 B6

Cívková hmota pro magnetická ložiska, která je v současné době k dispozici, je vhodná pro teploty až zhruba 400 °C. V parní komoře parní turbíny 1 však mohou vzniknout teploty až o hodnotě 540 °C. Může být proto potřebné magnetická ložiska 6, 8 a 14, jakož i záchytná ložiska 16 a 18 chladit. K. tomu lze odebírat vodu z vodního a parního oběhu parní turbíny 1. Proto nejsou potřebné přídavné agregáty, jako například čerpadla nebo chladiče. Chlazení může odpadnout tehdy, když se použijí cívkové materiály vhodné pro takové vysoké teploty. Vysoké odolnosti proti teplotám lze dosáhnout například keramickou izolací cívkových drátů.

Vysokotlaká strana, to znamená přední ložisková skříň je párotěsně uzavřena na skříni 4 uspořádaným víkem 23, takže se zde nevytváří žádné spojení s okolním prostředím. Vyrovnávací píst 20 s labyrintovým utěsněním 22, který je u příkladu provedení uspořádán na vysokotlaké straně U), je potřebný jen u přetlakové turbíny.

Bezdotykové těsnění hřídele 3 nebo další utěsnění 24, které je upraveno na straně 12 výfuku páry a které může být uspořádáno ve směru proudění páry jak před, za, tak také mezi magnetickým ložiskem 8 a dalším záchytným ložiskem 18, je však potřebné v každém případě, protože v tomto výstupním místě je hřídel 3 veden skrz skříň 4.

Skříň 4 tak obklopuje rotor 2 turbíny úplně a hřídel 3 na části jeho délky. Dále obklopuje magnetická ložiska 6, 8, 14, záchytná ložiska 16, 18 a utěsnění 22, 24. Přívodní skříň 26 čerstvé páry tvoří součást skříně 4. Nejméně jeden elektromagnetický servopohon 28 pro více nastavovacích ventilů 30, z nichž je znázorněn jen jeden, je také uspořádán uvnitř skříně 4.

Elektromagnetický servopohon 28 má železné jho 32 a cívku 34, jakož i s táhlem 36 spojenou kotvu 38 magnetu a pevně upravené železné jádro 40. Táhlo 36 působí na pohyblivý- ventilový můstek 42. Prostřednictvím tohoto ventilového můstku 42 lze současně ovládat více kolmo k rovině výkresu za sebou uspořádaných nastavovacích ventilů 30. Pod pevně upraveným železným jhem 32 uspořádaná šroubovitá pružina 44 uzavírá nastavovací ventily 30, přičemž v průběhu provozu parní turbíny 1 na tyto nastavovací ventily 30 působící parní tlačná síla je také přivádí do uzavřené polohy. Proto síla, která je přiváděna z elektromagnetického servopohonu 28 a která způsobuje otevírání stavěčích ventilů 30, odpovídá nejméně součtu pružné síly mechanické šroubovité pružiny 44 a té parní tlačné síly, která působí na nastavovací ventily 30.

Nastavovací ventily 30 mohou být ovládány prostřednictvím jednoho jediného elektromagnetického servopohonu 28, který působí na ventilový můstek 42. Alternativně však mohou být také ovládány více servopohony 28, přičemž potom je ke každému jednotlivému nastavovacímu ventilu 30 přiřazen jeden elektromagnetický servopohon 28. Další možná provedení jsou znázorněna na obr. 2 a 3.

Podle obr. 2 je servopohon 28 uspořádán vedle přívodní skříně 26. U tohoto provedení není kotva 38 magnetu spojena s táhlem 36 přímo, nýbrž prostřednictvím páky 50. přičemž táhlo 36 opět unáší nastavovací ventil 30. Páka 50 je mimoto pohyblivě upevněna na nosné části 52, která je pevně spojena se skříní 4.

Nastavovací ventily 30 jsou u uspořádání, které je znázorněno na obr. 1 a 2, otevírány elektromagnetickou silou servopohonu 28. Servopohon 28 může být také uspořádán tak, že působí na nastavovací ventily 30 v opačném silovém směru, takže elektromagnetická síla servopohonu 28 nastavovací ventily uzavírá. To je účelné zejména v případě rychlého uzavření. V takovém případě musí šroubovitá pružina působit na nastavovací ventily 30 ve směru uzavírání menší silou.

Bezprostřední přenášení pohybu kotvy 38 magnetu na táhlo 36 pro uzavírání nastavovacích ventilů 30 lze uskutečnit takovým uspořádáním, u kterého je táhlo 36 vedeno otvorem

-3CZ 283621 Β6 v železném jádru 40 a je posouváno kotvou 38 magnetu ve směru uzavírání nastavovacích ventilů 30. U tohoto uspořádání jsou polohy kotvy 38 magnetu a otvorem opatřeného železného jádra 40 navzájem zaměněny.

Na obr. 3 znázorněný servopohon 28, který je také uspořádán vedle přívodní skříně 26, má cívku 60, která je lineárně pohyblivá v podstatě časově konstantním magnetickém poli. Pohyb cívky 60 se přenáší prostřednictvím páky 50 na nastavovací ventil 30. Uvedené magnetické pole je vytvářeno permanentním magnetem 62, elektromagnetem 64 s cívkou 68 nebo kombinací permanentního magnetu 62 a elektromagnetu 64 s cívkou 68 prostřednictvím superponování magnetického pole, které oba vytvářejí. Permanentní magnet 62, který je spojen se železným jádrem 66 a který má magnetické póly N a S, je uvnitř železného jha 67 obklopen cívkou 68. Na cívku 60 působící elektromagnetická Lorentzova sílaje v podstatě úměrná proudu, který protéká cívkou 60, a je závislá na její poloze v magnetickém poli.

Permanentní magnet 62 může být také nahražen magneticky měkkým železným jádrem. Pokud se provozují cívky 60 a 68 v sériovém zapojení se stejným proudem, potom je síla na pohyblivou cívku 60 úměrná druhé mocnině tohoto proudu.

Při provozu parní turbíny 1 podle obr. 1 přichází čerstvá pára přes přívodní skříň 26 a nastavovací ventily 30 do parního prostoru, obklopeného skříní 4, a dostává se prostřednictvím trysek 69 na oběžné kolo 70. Odtud prochází pára skrz jednotlivé stupně, které jsou vytvořeny ze vždy více pevně upravených rozváděčích lopatek 72 a z více na rotoru 2 turbíny upevněných a s ní obíhajících oběžných lopatek 74. Rozváděči lopatky 72 a oběžné lopatky 74 jsou od stupně ke stupni větší a delší, protože výkon vytvářející pára se rozpíná a přitom zvětšuje svůj objem. Expandovaná pára protéká hrdlem 76 na výfukovou nebo odpadní páru a je buď nejprve využita jako technologická pára, anebo se přivádí do neznázoměného kondenzátoru, který je připojen k turbíně.

Nastavovací ventily 30 slouží pro nastavení síly proudu čerstvé páry, který vstupuje do skříně 4, přičemž jejich zdvih nastavovacího ventilu 30 je řízen cívkovým proudem v servopohonu 28, který je přiřazen k odpovídajícímu nastavovacímu ventilu 30. Změna tohoto proudu se s výhodou provádí elektronickým řízením. K. tomu účelu potřebná vedení jsou blíže neznázoměným způsobem přivedena skrz skříň 4 na servopohon 28. Pro provoz nastavovacích ventilů 30 je s výhodou upravena proporcionálně integračně derivační regulace, která zajišťuje regulaci zdvihu nastavovacích ventilů 30 a změny jeho rychlosti.

Při použití rychlého uzavíracího ventilu, který je zpravidla nasazen jako rychle působící hlavní uzavírací orgán, je tento místo olejovou hydraulikou pro předpětí rychlé uzavírací pružiny ovládán elektromagnetem nebo elektromotorem. Vybavení se uskutečňuje elektromechanicky, přičemž pro pružné zachycení ventilu před sedlem ventilu slouží pružina. Jinak přejímá elektromotor funkci v úvodu zmíněného olejově hydraulického otočného ústrojí.

Taková bezolejová parní turbína 1 nebo jí poháněný, také magnetickými ložisky opatřený kompresor, mohou být bezolejově provozovány jako kompletní pracovní soustrojí. Stupeň účinnosti takového soustrojí je vzhledem k nepatrným ztrátám třením a vzhledem k nepatrné spotřebě energie magnetických ložisek značně vysoký. Využitím magnetických ložisek 6, 8, 14 lze také velmi příznivě kompenzovat kmity hřídele 3. Tyto výhody se vytvářejí zejména také tehdy, pokud je přídavný generátor turbosoupravy vybaven magnetickými ložisky a pokud je bezolejovou parní turbínou 1 přímo poháněn. Prakticky se také vyloučí nebezpečí požáru.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Parní turbína s jedním hřídelem, který je uspořádán nejméně v části své délky ve skříni a který je veden skrz tuto skříň, přičemž tato skříň má vysokotlakou stranu a vzhledem k ní protilehlou stranu výfuku páry, a s nejméně jedním nastavovacím ventilem pro nastavování proudu páry, vstupujícího do skříně, vyznačující se tím, že je opatřena bezolejovým uložením hřídele (3) prostřednictvím uvnitř skříně (4) na vysokotlaké straně (10) a na straně (12) výfuku páry uspořádaných magnetických ložisek (6,8,14) a bezolejově provozovaným nastavovacím ventilem (30) prostřednictvím elektromagnetického servopohonu (28).
2. 2. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetické uložení obsahuje na vysokotlaké straně (10) radiální magnetické ložisko (6) a axiální magnetické ložisko (14).
3. 3. Parní turbína podle nároku 2, vyznačující se tím, že kromě radiálního magnetického ložiska (6) a axiálního magnetického ložiska (14) je upraveno záchytné ložisko (16), které je s výhodou uspořádáno mezi oběma magnetickými ložisky (6,14).
4. 4. Parní turbína podle jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, že vysokotlaká strana (10) je párotěsně uzavřena víkem (23).
5. 5. Parní turbína podle jednoho z nároků laž4, vyznačující se tím, že na vysokotlaké straně (10) skříně (4) je upraveno utěsnění (22), přičemž magnetické ložisko (6,14) je při pohledu ze strany (12) výfuku páry uspořádáno před tímto utěsněním (22).
6. 6. Parní turbína podle jednoho z nároků laž5, vyznačující se tím, že na straně (12) výfuku páry je uvnitř skříně (4) upraveno další záchytné ložisko (18), přičemž na straně (12) výfuku páry upravené další utěsnění (24) je ve směru proudění páry uspořádáno před nebo mezi, s výhodou za magnetickým ložiskem (8) a dalším záchytným ložiskem (18).
7. 7. Parní turbína podle jednoho z nároků laž6, vyznačující se tím, že elektromagnetický servopohon (38) je uspořádán uvnitř skříně (4).
8. 8. Parní turbína podle jednoho z nároků laž7, vyznačující se tím, že elektromagnetický servopohon (28) má železné jho (32) a cívku (34), jakož i táhlem (36) spojenou kotvu (38) magnetu.