CZ423498A3 - Hřídel turbíny a způsob chlazení hřídele turbíny - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Hřídel /1 / turbíny je upraven podél hlavní osy /2/ a má vnější povrchovou plochu /3/. Hřídel /1 / turbíny Je tvořen více axiálně za sebou uspořádanými válcovými hřídelovými segmenty /4a, 4b, 4c, 4d, 4e/, které jsou navzájem spojeny prostřednictvím upínacího elementu /7/. Mezi upínacím elementem /7/ a mezi nejméně jedním hřídelovým segmentem /4a, 4b, 4c/ je vytvořena axiální mezera /8/, která je proudově spojena se dvěma v axiálním vzájemném odstupu upravenými radiálními kanály /9a, 9b/. Tyto radiální kanály /9a, 9b/ vyúsťují vždy na vnější povrchové ploše /3/ hřídele /1/ turbíny. Dále je vytvořen způsob chlazení hřídele /1 / turbíny, kdy chladicí pára se zavádí skrz rediální kanál Í8af do axiální mezery /8/ a druhým radiálním kanálem /9b/ se z hřídele /1/ turbiny odvádí.

1« tl

F * ·

2 Ά' W

Hřídel turbíny a způsob chlazení hřídele turbíny

Oblast_techniky

Vynález se týká hřídele turbíny, který je upraven po dél hlavní osy a který má vnější povrchovou plochu, jakož i způsobu chlazení hřídele turbíny.

Dosavadní_sta v_techniky

Pro zvýšení účinnosti parní turbíny přispívá využití páry s vyššími tlaky a teplotami, zejména s tak zvanými nadkritickými stavy páry, s teplotou například nad 550 °C. Využití páry s takovým stavem páry vytváří zvýšené požadavky na příslušné ovlivňovaný hřídel turbíny parní turbíny.

V DE 32 09 506 Al a v odpovídajícím EP O 088 944 B1 je popsáno odstínění hřídele s vířivým chlazením pro oblast hřídele turbíny, která je bezprostředně vystavena působení Čerstvé páry po jejím vtoku do turbíny. U vířivého chlazení vtéká pára skrz čtyři tangenciální otvory odstínění hřídele ve směru otáčení hřídele turbíny v oblasti mezi odstíněním hřídele a mezi hřídelem turbíny. Pára přitom expanduje, teplota klesá a hřídel turbíny je tak ochlazován. Odstínění hřídele je spojeno utěsněné proti páre s jednou řadou rozváděčích lopatek. Prostřednictvím vířivého chlazení lze dosáhnout pokles teploty hřídele turbíny v okolí odstínění lopatek o hodnotě zhruba 15 K. V odstínění hřídele jsou pro vířivé chlazení upraveny trysky, které vyústují. do prstencového kanálu při pohledu ve směru otáčení hřídele turbíny tangenciálně, přičemž tento kanál je vytvořen mezi hřídelem turbíny a mezi odstíněním hřídele.

• «

Ve švýcarském patentovém spise 259 566 je popsán rotor pro rotační motory, rotor pro plynové turbíny, který je napříč k ose otáčení rozdělen a složen z více kusů a je držen dohromady prostřednictvím centrální tažné kotvy, která prochází nejméně dílčím počtem oběžných lopatek. Tento rotor je nejméně na svých nejvíce horkých místech chlazen proudem vzduchu nebo plynu.

V DE-O5 15 51 210 ie popsán rotor pro parní turbínu s vysokým výkonem v kotoučovém provedení. Kotouče isou navzájem spojeny prostřednictvím centrální kotvy. V na sebe navzájem upnutých věncích mají nesouměrně vytvořená pilovitá ozubení.

Podstat a __vynálezn

Vynález si klade za úkol vytvořit hřídel turbíny, který by byl v tepelně vysoce zatížené oblasti ochlazován. Další úkol vynálezu spočívá ve vytvoření způsobu ochlazování hřídele turbíny uspořádaného v turbíně.

Úkol zaměřený na hřídel turbíny, který je upraven podél hlaví osy a který má vnější povrchovou plochu, je řešen tím, že hřídel turbíny má více podél hlavní osy axiálně za sebou uspořádaných válcových hřídelových segmentů, které mají podél společné spojovací osy vždy jeden spojovací otvor, skrz který je veden upínací element. Mezi tímto upínacím elementem a mezi nejméně jedním hřídelovým segmentem je vytvořena axiální mezera, která je proudové spojena se dvěma v axiálním vzájemném odstupu upravenými radiálními kanály, zejména mezerami, které vždy vyústují na vnější povrchové ploše.

• ·

U takového hřídele turbíny je vytvořeno proudové spojení mezi vnější povrchovou plochou hřídele turbíny a mezi axiální mezerou, upravenou uvnitř hřídele. Tak může být přiváděno chladicí fluidum do vnitřku hřídele turbíny a může procházet skrz axiální mezeru v axiálním směru skrz hřídel turbíny, čímž je zajištěno chlazení hřídele turbíny v oblasti axiální mezery. U parní turbíny přitom tvoří chladicí fluidum s výhodou akční fluidum, to je provozní pára, která vstupem do oběžných lopatek spojených s hřídelem turbíny uvádí hřídel turbíny do rotace. Radiální kanály vyústují s výhodou na různých tlakových úrovních na vnější povrchové ploše hřídele turbíny, takže se již poklesem tlaku automaticky vytváří proudění skrz hřídel turbíny. Prostřednictvím geometrického uspořádání vyústění radiálních kanálů na vnější povrchové ploše může být objemový proud chladicího fluida, které je odlučováno z akčního fluida, přizpůsobován požadovanému chladicímu výkonu. Pro chlazení odebíraný akční fluidový proud, to je provozní pára, nevytváří přitom prostřednictvím rozdílné tlakové úrovně mezi radiálními kanály žádnou mechanickou práci pro pohon hřídele turbíny. Po výtoku skrz radiální kanál s nižší úrovní tlaku nazpět do proud ti akčního fluida přispívá také pro chladicí fluidum využité akční fluidum znovu k mechanické práci a přispívá tak ke zvýšení účinnosti parní turbíny.

Válcové hřídelové segmenty, v dalším označované také jako lopatkové kotouče, mají s výhodou jeden centrální spojovací otvor, skrz který je veden jeden jediný spojovací element, tažná kotva. Spojovací otvor přitom má větší průřez než tažná kotva, čímž se s výhodou vytvoří prstencová axiální mezera mezi hřídelovým segmentem a tažnou kotvou pro průtok chladicího fluida.

V principu je také možné upravit více, zejména tři nebo více spojovacích elementů, případně upínacích elementů, například tažných kotev. Odpovídající spojovací osa spojovacích elementů je přitom upravena paralelně vzhledem k hlavní ose hřídele turhíny. S výhodou .jsou odpovídající spojovací osy uspořádány na kružnici, jejíž střed je shodný s hlavní osou.

S výhodou je vytvořen nejméně jeden radiální kanál, zejména jsou vytvořeny dva radiální kanály mezi dvěma navzájem bezprostředně sousedícími hřídelovými segmenty. To je realizováno například tím, že v navzájem sousedících hřídelových segmentech jsou upravena odpovídající zahloubení, vybrání nebo drážky. Jeden radiální kanál lze také realizovat prostřednictvím v podstatě radiálního otvoru skrz hřídelový segment z vnější povrchové plochy ke spojovacímu otvoru. Radiální zde znamená s výhodou kolmý k hlavní ose, ale může být vytvořeno také jakékoli spojení mezi vnější povrchovou plochou a mezi spojovacím otvorem, které je nejméně částečně nasměrováno ve směru hlavní osy.

Hřídel turbíny je s výhodou upraven pro dvouproudovou turbínu a má v souladu s tím axiální centrální oblast, na kterou se dostává akční fluidum bezprostředně po vtoku do turbíny a tam ie rozdělováno do dvou v podstatě shodných dílčích proudů. Axiální centrální oblast je s výhodou uspořádána axiálně mezi radiálními kanály. Centrální oblast, která je vystavena akčnímu fluidu při nejvyšší teplotě, má s výhodou dutinu, která je protékána chladicím fluidem. Tato dutina je s výhodou vytvořena rotačně souměrně vzhledem k hlavní ose. Přitom je uzavřena stínícím elementem, který má pro rozdělování proudu rotačně souměrné vyvýšení. Dutina mů• ·

že být proudově spojena s axiální mezerou. Je také možné přivádět chladicí fluidum přes skříň turbíny a přes držák upevňující stínící element na skříni.

Hřídel turbíny je s výhodou uspořádán v parní turbíně, s výhodou ve dvouproudové středotlakové dílčí turbíně. Prostřednictvím dráhy proudění vytvořené centrální, oblastí je zajištěno chlazení centrální oblasti hřídele turbíny, α to skrz axiálně ve vzájemném odstupu upravených radiálních kanálů a axiálního kanálu, který je s nimi proudově spojen. Zejména se dostává jako chladicí fluidum působící akční fluidum z dílčího proudu jednoho proudu při nízké úrovni tlaku do dílčího proudu druhého proudu. Tak je jako chladicí fluidum využité akční fluidum přivedeno opět do celého parního procesu a přispívá tak ke zvýšení účinnosti celého procesu.

Na způsob chlazení hřídele turbíny zaměřený úkol je řešen tím, že u hřídele turbíny s více podél hlavní osy axiálně za sebou uspořádanými válcovými hřídelovými segmenty, které jsou navzájem upnuty prostřednictvím upínacího elementu, se přivádí chladicí pára skrz první radiální kanál do axiální mezery mezi upínacím elementem a mezi hřídelovým segmentem a skrz druhý radiální kanál se z hřídele turbíny odvádí. Tak je, jak již bylo dříve uvedeno, hřídel turbíny v tepelně v průběhu provozu hřídele turbíny vysoce zatížené oblasti zevnitř chlazen. Takový hřídel turbíny je proto vhodný také pro zařízení parní turbíny se vstupními teplotami páry nad 600 °C. l’ro provádění odpovídajícího chladicího výkonu se přivádí do axiální mezery objemový proud páry chladicího fluida o hodnotě 1,0 % až 4,0 %, zejména 1,5 % až 3 % celkového objemového proudu čerstvé páry.

*· ··· * «

• *

Přehledobrázkn U^-Výkrese

Hřídel turbíny a způsob chlazení hřídele jsou blíže vysvětleny na podklade obrázku znázorněného na výkrese.

Na jediném obrázku je znázorněn podélný řez výřezem turbíny s hřídelem turbíny.

Příklad provedení.vynálezu

Na jediném obrázku je znázorněn výřez podélného řezu skrz dvouproudovou středotlakou dílčí tubínu 10 parního turbínového zařízení. Ve skříni 18 je uspořádán hřídel 1. turbíny. Hřídel _1 turbíny je upraven podél hlavní osy 2 a má více axiálně za sebou uspořádaných hřídelových segmentů 4a, 4b, 4c, 4d, 4e. Každý hřídelový segment 4a, 4b má kolem hlavní osy 2 upravený odpovídající spojovací otvor 6. Tyto spojovací otvory 6 mají vždy shodný průřez a jsou uspořádány centrálně proti sobě a k hlavní ose 2. Skrz spojovací otvory 6 je podél spojovací osy 5 veden upínací element ]__t tažná kotva. Spojovací osa 5 je u znázorněného příkladu provedení shodná s hlavní osou 2, V principu je také možné upravit více upínacích elementů 7, zejména více než tři, které jsou vedeny vždy skrz odpovídající spojovací otvory ¢5. Upínací element 7 ve tvaru tažné kotvy zabírá na nejvíce vně upravených, neznázornéných hřídelových segmentech tak, že je uskutečněno axiální upnutí hřídelových segmentů 4a, 4b, 4c, 4d na sobě navzájem. S výhodou má upínací element 7 ve tvaru tažné kotvy k tomu účelu upravený neznázorněný závit, do kterého zabírá také neznázorněná upínací matice. Pro zabránění pohybu sousedních hřídelových segmentů 4a, 4b proti sobě v obvodovém směru mohou být tyto navzájem neotočně spojeny prostřednictvím spojky • ·

s čelním ozubením, zejména s plochým vrubovým ozubením. Spojovací otvory (5 mají vždy průřez, který je větší než průřez upínacího elementu 7 ve tvaru tažné kotvy, takže mezi odpovídajícím hřídelovým segmentem 4a a mezi upínacím elementem 1_ zůstává axiální mezera ίϊ, zejména prstencová mezera. Prostřednictvím hřídelových segmentů 4a, 4b , 4c , id , 4e je vytvořena vnější povrchová plocha 3 hřídele 2 turbíny. V okolí vnější povrchové plochy ÍJ jsou navzájem sousedící hřídelové segmenty 4a, 4d; 4a, 4b navzájem nepropustně spojeny pro fluidum prostřednictvím odpovídajícího těsnicího svaru 16.

S výhodou jsou dvě dvojice navzájem sousedících hřídelových segmentů 4d, 4e; 4b, 4c uspořádány k sobě navzájem tak, že mezi nimi zůstává odpovídající radiální kanál 9a , 9b.

Skříň IS, která obklopuje hřídel _! turbíny, má vtokovou oblast 19 pro akční fluidum 12 v podobě čerstvé páry. Ke vtokové oblasti je přiřazena centrální oblast 11 hřídele JL turbí ny, ve které je vytvořena dutina 13. Tato dutina 13, jakož i centrální oblast 11 hřídele _1 turbíny jsou odstíněny proti horkému akčnímu fluidu 12 ve tvaru čerstvé páry, které protéká skrz vtokovou oblast 19, a to prostřednictvím stínícího elementu 17, takže jsou odstíněny proti bezprostřednímu styku s akčním fluidem 12. Stínící element 17 je vytvořen rotač ně symetricky k hlavní ose 2 a má od hlavní osy 12 směřující vyvýšení. Stínící element 17 slouží pro rozdělování akčního fluida 12 , to je čerstvé páry, do dvou zhruba shodných dílčích proudů. Stínící element 17 je prostřednictvím první řady rozváděčích lopatek 14 každého dílčího proudu spojen se skříní IS. Prostřednictvím neznázorněného přívodu chladicího fluida 12b prochází chladicí fluidum 12b skrz skříň 18. první řadu rozváděčích lopatek 14 a stínící element 17 do dutiny 13 a vytváří tam ochlazování hřídele turbíny v cen• ·

trální oblasti 11. Chladicí fluidum I2b může být v dutině na podkladě výměny tepla s akčním fluidem 12 ohříváno a prostřednictvím neznázorněného fluidového odvodu opět přiváděno do parního procesu.

Ve směru proudění akčního fluida 12 jsou, jak je to u parní turbíny obvyklé, střídavě axiálně za sebou uspořádány s hřídelem 2 turbíny spojené řady oběžných lopatek 15 a se skříní 18 spojené řady rozváděčích lopatek 14 . Chlazení hřídele 1_ turbíny také zevnitř, zejména v centrální oblasti 11 , je zajištěno tím, že skrz první radiální kanál 9a proudí již poněkud uvolněné akční fluidum 12 do axiální mezery íí mezi upínacím elementem T_ ve tvaru tažné kotvy a mezi hřídelovými segmenty 4d , 4a, 4b. Tento dílčí proud akčního fluida Uzpůsobí jako chladicí fluidum 12b, které je nejprve vedeno proti směru proudění ve vyobrazení vlevo znázorněného dílčího proudu. Skrz druhý radiální kanál 9b vstupuje chladicí fluidum 12b v místě nižšího tlaku do vpravo směřujícího dílčího proudu a vytváří tak opět pracovní činnost na ještě pro tékaných oběžných lopatkách 15. U znázorněné turbíny 10 může chladicí fluidum I2b být odváděno skrz první radiální kanál 9a při tlaku o hodnotě zhruba 11 barů a při teplotě o hodnotě zhruba 400 °C z dílčího proudu směřujícího vlevo a může být opět přiváděno při úrovni tlaku menší než 11 barů do dílčího proudu směřujícího vpravo. Za účelem chlazení je také možné spojit axiální mezeru 8 proudově s dutinou 22. Do axiální mezery 8 se s výhodou přivádí podíl objemového proudění o hodnotě 1 % až 4 zejména 1,5 % až 3 % celkového objemu proudu čerstvé páry, která pohání hřídel 2 turbíny.

Vynález se vyznačuje hřídelem 2 turbíny, který má více axiálně za sebou uspořádaných a navzájem upnutých hřídelo- 9 0 0 0 0 * 0 0 · 0 · 0 • · 0 · 0 0 · * · 0 * * · 0 0 0 0 0 0 * 00 0 000*00 0 vých segmentů 4a, 4b, 4c, 4d, 4fe, v jejichž vnitřku je upravena axiální mezera Í3. Tato axiální mezera 8 je proudově spojena prostřednictvím dvou radiálních kanálů 9a , 9b se dvěma tlakovými úrovněmi akčního fluida I2 pohánějícího hřídel 1 turbíny. Radiální kanály 9a, 9b jsou s výhodou upraveny tam, kde navzájem sousedí vždy dva hřídelové segmenty 4b, 4c; 4d, 4e . podkladě různých tlakových úrovní, ve kterých vyústují odpovídající radiální kanály 9a , 9b vnější povrchové plochy 3 hřídele X turbíny, odbočuje tlakově rozdílné proudění chladicího fluida 12b od akčního fluida 12 , to je čerstvé páry. Jeden proud chladicí páry odbočující z proudu čerstvé páry prochází skrz první radiální kanál 9a do axiální mezery 8 a odtud opět nazpět pres druhý radiální kanál 9b do proudu čerstvé páry. Tak je oblast hřídele χ turbíny, která sousedí s axiální mezerou 8, chlazena zevnitř a chladicí fluidum 12b, které se používá pro chlazení, se opět přivádí do celého parního procesu.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Hřídel (1) turbíny pro parní turbínu (10), který je upraven podél hlavní osy (2) a který má vnější povrchovou plochu (3), vyznačující se tím, že má více podél hlavní osy (2) axiálně za sebou uspořádaných válcových hřídelových segmentů (4a, 4b, 4c, 4d, 4e), které mají podél společné spojovací osy (5) vždy jeden spojovací otvor (6), skrz který je veden upínací element (7), přičemž mezi upínacím elementem (7) a mezi nejméně jedním hřídelovým segmentem (4a, 4b, 4c) je vytvořena axiální mezera (S) a jsou ve vzájemném axiálním odstupu upraveny dva radiální kanály (9a, 9b), které jsou proudově spojeny s axiální mezerou (8) a vyústují vždy na vnější povrchové ploše (3).
2. 2. Hřídel (1) turbíny podle nároku 1, vyznačující se tím, že upínací element (7) je centrální tažná kotva, pro kterou se shodují hlavní osa (2) a spojovací osa (5) .
3. 3. Hřídel (1) turbíny podle nároku 1, vyznačující se tím, že má nejméně tři upínací elementy (7), jejichž spojovací osy (5) jsou nasměrovány rovnoběžně s hlavní osou (2).
4. 4. Hřídel (l) turbíny podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi dvěma sousedními hřídelovými segmenty (4b, 4c; 4d, 4e ) je upraven nejméně jeden radiální kanál (9a, 9b).
5. 5. Hřídel (1) turbíny podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je uspořádán ·· ·· ·· • · · · · • · · «· • · *·· · · « · · · • ·· ♦ · ♦· v dvouproudové turbíně (10), zejména ve dvouproudové středotlakové dílčí turbíně (10), která má axiální centrální oblast (ll) pro vtok a rozdělování proudu akčního fluida (12), uspořádáno',? axiálně mezi radiálními kanály (9a, 9b).

   0. Hřídel íl) turbíny podle nároku 5, vyznačující se tím, že má v centrální oblasti (11) dutinu (13) protékátolnou chladicím fluidem (12b).
6. 7. Hřídel (1) turbíny podle nároku tí, vyznačující se tím, že dutina (13) je proudově spojena s axiální mezerou (S) .

   S. Způsob chlazení hřídele (1) turbíny parní turbíny (10) s více podél hlavní osy (2) axiálně za sebou uspořádanými válcovými hřídelovými segmenty (4a, 4b, 4c, 4d, 4e ) , které jsou navzájem upnuty prostřednictvím upínacího elementu (7), vyznačující se tím, že chladicí pára se zavádí skrz první radiální kanál (9a) do axiální mezery (3) mezi upínacím elementem (7) a mezi hřídelovým segmentem (4a) a skrz druhý radiální kanál (9b) se z hřídele (1) turbíny odvádí.
7. 9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím že do axiální mezery (8) se přivádí objemový proud páry o hodnotě 1,0 ^ιΛ až 4,0 /£·, zejména 1,5 ifc až 3 # celkového objemového proudu čerstvé páry.