FI115996B - Höyryturbiini - Google Patents

Description

1 115996 Höyryturbiini

Keksintö koskee höyryturbiinia, jossa on ainakin osalta pituuttaan pesän sisään sijoitettu akseli, joka pesän korkeapainepuolelta tai vastapäätä ole-5 valta poistohöyrypuolelta kulkee pesän läpi, ja ainakin yksi säätöventtiili pesään saapuvan höyryvirran säätämiseksi, kuten esimerkiksi US-julkaisussa 1 393 658.

Höyryturbiinin kanssa käytetään yleensä öljyhydraulisia laitteita, kuten esimerkiksi öljyllä voideltuja säteis- ja aksiaalilaakereita sekä öljyhydraulisesti 10 toimivia säätöventtiilejä niihin liittyvine säätölaitteineen. Myös nopeasti vaikuttavina pääsulkueliminä toimivia niin sanottuja pikasulkuventtiilejä ja turbiinin juok-supyörän pyörityslaitetta käytetään öljyhydraulisesti. Öljyn käyttö höyryturbiinissa aiheuttaa kuitenkin periaatteessa aina tulipalovaaran. Kokeilut palamattomilla tai vaikeasti palavilla nesteillä eivät kuitenkaan tähän mennessä ole johtaneet tyy-15 dyttäviin tuloksiin.

Keksinnön tehtävänä on kehittää alussa mainitunlaista höyryturbiinia siten, että häiriötön käyttö mahdollistuu ja tulipalovaara vältetään.

Tehtävä ratkaistaan keksinnössä laakeroimalla akseli öljyttömästi pesän sisään korkeapainepuolelle ja poistohöyrypuolelle sijoitettujen magneettilaa-20 kerien avulla sekä säätöventtiilin öljyttömällä toiminnalla ainakin yhden sähkömagneettisen käyttölaitteen avulla.

i Pesän sisään korkeapainepuolelle sijoitetun magneettilaakerin on | V edullista käsittää säteis- ja aksiaalilaakeri. Korkeapainepuolelle on lisäksi sijoitettu lukituslaakeri, joka on sijoitettu ensi sijassa säteis-ja aksiaalilaakerien 25 väliin. Magneettilaakeri ja lukituslaakeri on tarkoituksenmukaista laipoittaa kiinni ; f. turbiinin pesään ja sulkea höyrytiiviisti kannella, niin ettei korkeapainepuolella synny yhteyttä pesän sisällä olevan höyrytilan ja ulkoilman välille. Siinä tapauksessa, että akseli viedään työkoneen, esimerkiksi kompressorin tai generaattorin . . käyttämiseksi pesän läpi korkeapainepuolelta, on poistohöyrypuolella kansi. Ak- :: 30 sell on kuitenkin tarkoituksen mukaista viedä pesän läpi poistohöyrypuolelta.

* '·;·* Höyryturbiinissa on ylipainerakennemuodossa usein korkeapainepuo- : * ·.: lella tasausmäntä, jossa on tiivisteenä sokkelotiiviste. Magneettilaakeri ja lukitus- laakeri on tällöin tarkoituksenmukaista sijoittaa höyrytilan ja tämän tiivisteen väliin eli poistohöyrypuolelta katsottuna tiivisteen eteen. Tämän järjestelyn ansiosta ; 35 saavutetaan korkeapainepuolen ja poistohöyrypuolen magneettilaakerien erityi- '· i sen lyhyt keskinäinen etäisyys, minkä etuna on se, että akselin värähtelykäyttäy- 115996 2 sen lyhyt keskinäinen etäisyys, minkä etuna on se, että akselin värähtelykäyttäy-tyminen lähenee jäykän akselin ideaalia. Tavallinen laakerietäisyys pesässä eli turbiinin höyrytilassa säilyttämällä saadaan toisaalta tilaa juoksupyörän lisäsiipiri-veille. Näin saavutetaan höyryturbiinin erityisen suuri hyötysuhde.

5 Siinä tapauksessa, että akseli viedään pesän läpi poistohöyrypuolelta, on siellä olevan juoksupyörän ja turbiinin pesän väliin sijoitettava tiiviste. Akselin laakeroimiseksi poistohöyrypuolella on tarkoituksen mukaista käyttää säteittäistä magneettilaakeria ja lukituslaakeria, jotka ovat nekin pesän sisällä. Tiiviste voi sijaita höyryn virtaussuunnassa laakerien edessä, välissä tai laakerien välisen 10 etäisyyden lyhentämiseksi takana. On myös mahdollista sijoittaa aksiaalinen magneettilaakeri pesän poistohöyrypuolelle ja sen eteen lukituslaakeri ja säteittäinen magneettilaakeri.

Sähkömagneettinen käyttölaite, jolla säätöventtiilejä voidaan liikkuvan palkin avulla yhteisesti ohjata pesään saapuvan tuorehöyryn säätämiseksi, kor-15 vaa aikaisemmin tavallisesti käytetyn hydraulisen säätösylinterin. Näin on mahdollista sijoittaa käyttölaite pesän sisään. Hydraulinen muuttaja voidaan lisäksi korvata sähköisellä osalla, jolloin tarvitsee ainoastaan viedä sähköjohtimet pesään. Lisäksi voidaan käyttää säätöventtiilien lukumäärää vastaavaa määrää sähkömagneettisia käyttölaitteita.

20 Käyttölaitteina on tarkoituksen mukaista käyttää sähkömagneettisia li- neaarikäyttimiä. Kuhunkin säätöventtiiliin voi liittyä oma sähkömagneetti, jossa ;;:t: on rautaies ja käämi sekä työntötankoon liittyvä, suoraviivaisesti liikkuva ankkuri, i V Liikkuvaa palkkia, jolla kaikkia toimielimiä voidaan ohjata samanaikaisesti, ei täl- : *·· löin tarvita.

25 Keksinnön suoritusesimerkkejä valaistaan seuraavassa lähemmin pii- : : ’: rustusten avulla, joista kuvio 1 esittää poikkileikkauksena öljyttömän höyryturbiinin ja sen magneettilaakerit ja sähkömagneettisen käyttölaitteen, ja : , ·, kuviot 2 ja 3 esittävät sähkömagneettisen käyttölaitteen muita suoritus- I » · ’!!/ 30 muotoja.

’: ‘ Kuvioiden toisiaan vastaavat osat on merkitty samoilla numeroilla.

Kuvion 1 esittämä höyryturbiini 1 käsittää akselille 3 pyörivästi laake-: ] ’ ’: roidun juoksupyörän 2 ja kiinteän pesän 4. Akseli 3 on laakeroitu kahdelle säteit- : !·, täiselle magneettilaakerille 6 ja 8, joista magneettilaakeri 6 on höyryturbiinin 1 '!' ! 35 korkeapainepuolella 10 ja magneettilaakeri 8 poistohöyrypuolella 12. Kuvion 1 ‘ : höyryturbiinissa 1 on akseli 3 viety pesän 4 läpi poistohöyrypuolelta 12. Akseli 3 3 ^7599(5 voidaan yleensä viedä pesän 4 läpi myös korkeapainepuolelta 10.

Suoritusesimerkissä korkeapainepuolelle 10 sijoitettu magneettinen aksiaalilaakeri 14 kiinnittää akselin 3 kanssa turbiinin juoksupyörän 2 pituussuunnassa ja vastaanottaa höyryn tuottamat työntövoimat. Magneettinen aksi-5 aalilaakeri 14 voidaan kuitenkin sijoittaa myös poistohöyrypuolelle 12.

Korkeapainepuolella 10 on lisäksi lukituslaakeri 16, joka suoritusesimerkissä on magneettilaakerien 6 ja 14 välissä. Poistohöyrypuolella 12 on höyryn virtaussuunnassa säteittäisen magneettilaakerin 8 takana toinen lukitus-laakeri 18. Magneettilaakerien 6 ja 8 rikkoutuessa akseli 3 voi kulkea näillä 10 laakereilla 16 ja 18.

Nykyään käytettävissä oleva magneettilaakerien käämimateriaali kestää noin 400 °C:n lämpötiloja. Höyryturbiinin 1 höyrykammiossa voi kuitenkin esiintyä jopa 540 °C:n lämpötiloja. Sen vuoksi voi olla tarpeen jäähdyttää mag-neettilaakereita 6, 8 ja 14 sekä lukituslaakereita 16 ja 18. Höyryturbiinin 1 vesi-15 höyry-kierrosta voidaan tätä varten ottaa vettä. Lisäkoneistoja, kuten pumppuja tai jäähdyttimiä ei tällöin tarvita. Jäähdytystä ei tarvita, jos käytetään tällaisia lämpötiloja kestävää materiaalia. Lämpötilankestävyys voidaan saavuttaa esimerkiksi käämilankojen keraamisella eristyksellä.

Pesän 4 korkeapainepuoli 10 eli etummainen laakeripesä on suljettu 20 höyrytiiviisti kannella 23, niin että sieltä ei ole yhteyttä ulkoilmaan. Suoritus esimerkissä korkeapainepuolelle 10 sijoitettu, sokkelotiivisteen 22 käsittävä tasaus-;; : mäntä 20 tarvitaan ainoastaan ylipaineturbiinissa.

: V Poistohöyrypuolella 12 oleva kosketukseton akselitiiviste tai tiiviste 24, : ·· joka voi sijaita höyryn virtaussuunnassa laakerien 8 ja 18 edessä, takana tai vä- 25 Iissä, tarvitaan kuitenkin joka tapauksessa, koska akseli 3 viedään sen kohdalla i pesän 4 seinän läpi.

Pesä 4 ympäröi siis turbiinin juoksupyörän 2 kokonaan ja akselin 3 osaksi. Lisäksi se ympäröi magneettilaakereita 6, 8 ja 14, lukituslaakereita 16, ; . 18 ja tiivisteitä 22, 24. Tuorehöyryn sisäänvirtauskotelo 26 on osa pesästä 4. Ai- I · » ’11.' 30 nakin yksi säätöventtiilien 30, joista on esitetty vain yksi, sähkömagneettinen : * käyttölaite 28 on myös sijoitettu pesän 4 sisään, i Sähkömagneettinen käyttölaite 28 käsittää rautaieksen 32, käämin 34 : ’ ‘: sekä työntötankoon 36 liittyvän, liikkuvan ankkurin 38 ja kiinteän rautasydämen : 40. Työntötanko 36 vaikuttaa liikkuvaan venttiilipalkkiin 42. Venttiilipalkin 42 : 35 avulla voidaan useita piirustustasoon nähden kohtisuorassa peräkkäin olevia säätöventtiilejä 30 ohjata samanaikaisesti. Kiinteän rautaieksen 32 alapuolella 115996 4 oleva kierukkajousi 44 sulkee säätöventtiilit 30, jolloin höyryturbiinin 1 käytön aikana säätöventtiileihin 30 vaikuttava höyrynpainekin vaikuttaa sulkusuuntaan. Sähkömagneettisen käyttölaitteen 28 tuottama säätöventtiilien 30 avaamisvoima vastaa sen vuoksi ainakin mekaanisen jousen 44 jousivoiman ja säätöventtiilei-5 hin 30 vaikuttavan höyrynpaineen summaa.

Säätöventtiilejä 30 voidaan ohjata yhteisellä sähkömagneettisella käyttölaitteella 28, joka vaikuttaa venttiilipalkkiin 42. Vaihtoehtoisesti niitä voidaan ohjata joukolla käyttölaitteita 28, jolloin kuhunkin säätöventtiiliin 30 liittyy sähkömagneettinen käyttölaite 28. Kuviot 2 ja 3 esittävät muita mahdollisia muotoja.

10 Kuvion 2 mukaan on käyttölaite 28 sijoitettu sisäänvirtauskotelon 26 viereen. Magneetin liikkuva ankkuri 38 ei liity säätöventtiilin 30 kantavaan työntö-tankoon 36 suoraan, vaan vivulla 50. Vipu 50 on lisäksi kiinnitetty liikkuvasti kiinteään kannattimeen 52.

Säätöventtiilit 30 avataan kuvioiden 1 ja 2 esittämässä järjestelyssä 15 käyttölaitteen 28 sähkömagneettisella voimalla. Käyttölaite 28 voidaan sijoittaa myös säätöventtiileihin 30 vastakkaiseen suuntaan vaikuttavasti, niin että käyttölaitteen 28 sähkömagneettinen voima sulkee säätöventtiilit 30. Tämä on tarkoituksen mukaista esimerkiksi pikasulkutapauksessa. Jousen 44 ei tarvitse tässä muodossa tuottaa niin suurta voimaa säätöventtiilien 30 sulkusuuntaan.

20 Magneetin ankkurin 38 liikkeen välitön siirto työntötankoon 36 säätö- venttiilien 30 sulkemiseksi voi tapahtua järjestelyllä, jossa työntötanko 36 on vie-ty rautasydämen 40 reikään ja ankkuri 38 työntää sitä säätöventtiilien 30 sulku-: suuntaan. Tässä järjestelyssä magneetin ankkurin 38 ja reiitetyn rautasydämen

« I

: * · · 40 paikat ovat vaihtuneet.

25 Kuvion 3 esittämä käyttölaite 28, joka on myös sijoitettu sisäänvirtaus- kotelon 26 viereen, käsittää käämin 60, joka voi liikkua suoraviivaisesti ajallisesti pääosin vakiona pysyvässä magneettikentässä. Käämin 60 liike siirretään vivulla 50 säätöventtiilille 30. Magneettikenttä tuotetaan kestomagneetilla 62, käämin : 68 käsittävällä sähkömagneetilla 64 tai niiden yhdistelmällä niiden tuottamat ’···’ 30 magneettikentät yhdistämällä. Rautasydämeen 66 liittyvä kestomagneetti 62, ’:' jonka navat on merkitty N:llä ja Sillä, on käämin 68 ympäröimänä rautaieksen 67 sisällä. Käämiin 60 vaikuttava sähkömagneettinen Lorentz-voima on pääosin '·” verrannollinen käämin 60 läpi kulkevaan virtaan ja riippumaton sen sijainnista : magneettikentässä.

! 35 Kestomagneetti 62 voidaan korvata magneettisella meltorautasydä- * “ mellä. Kun käämit 60 ja 68 sitten kytketään sarjaan ja niihin kytketään sama vir- 115996 5 ta, liikkuvaan käämiin 60 kohdistuva voima on verrannollinen tämän virran toiseen potenssiin.

Kuvion 1 höyryturbiinia 1 käytettäessä tuore höyry pääsee sisäänvir-tauskotelon 26 ja säätöventtiilien 30 kautta pesän 4 ympäröimään höyrytilaan ja 5 osuu suuttimista 69 juoksupyörään 70. Sieltä se virtaa vyöhykkeiden, jotka muodostuvat kiinteistä johtosiivistä 72 ja juoksupyörään 2 kiinnitetyistä ja sen kanssa pyörivistä siivistä 74, kautta. Siivet 72 ja 74 suurenevat ja pitenevät vyöhyke vyöhykkeeltä, koska työtä tekevän höyryn paine pienenee ja se laajenee. Pienempi-paineinen höyry virtaa poistohöyryliitännän 76 kautta ja käytetään joko aluksi hy-10 väksi prosessihöyrynä tai johdetaan suoraan höyryturbiinin perään kytkettyyn (esittämättä jätettyyn) lauhduttimeen.

Säätöventtiilejä 30 käytetään pesään 4 tulevan tuorehöyryn virran voimakkuuden säätämiseen, jolloin venttiilin iskua ohjaa kuhunkin säätöventtiiliin 30 liittyvän käyttölaitteen 28 käämivittä. Virran muutos saadaan aikaan ensi si-15 jassa elektronisen ohjauksen avulla. Tarvittavat johtimet on viety käyttölaitteelle 28 esittämättä jätetyllä tavalla pesän 4 läpi. Säätöventtiilien 30 käyttöä varten tarvitaan ensi sijassa PID-säätö, jolloin venttiilin isku ja sen muutosnopeus edustavat suureita, joihin säätö vaikuttaa.

Kun käytetään pikasulkuventtiiliä, jota yleensä käytetään nopeasti vai-20 kuttavana pääsulkuelimenä, sitä ohjataan pikasulkujousen esijännittävän öljy-hydrauliikan sijasta sähkömagneetilla tai sähkömoottorilla. Laukaisu tapahtuu ; sähkömekaanisesti, jolloin jousi vaimentaa venttiiliä ennen istukkaa. Sähkö- : * * moottori hoitaa myös alussamainitun öljyhydraulisen pyörityslaitteen toiminnan.

: ’·· Tällaista öljytöntä höyryturbiinia ja sen käyttämää, samoin magneetti- : 25 laakerein varustettua kompressoria voidaan käyttää öljyttömästi kokonaisuutena i tai koneyhdistelmänä. Tällaisen koneyhdistelmän hyötysuhde on magneettilaa- kerien kitkahäviöiden pienuuden ja energian tarpeen vähäisyyden vuoksi erityisen hyvä. Magneettilaakereita 6, 8, 14 käyttämällä voidaan myös erityisen hyvin : . ·, tasoittaa akselin 3 värähtelyjä. Nämä edut saavutetaan myös erityisesti, kun tur- 30 bogeneraattorin generaattori varustetaan magneettilaakereilla ja sitä käytetään suoraan öljyttömällä höyryturbiinilla. Tulipalovaara on tällöin käytännöllisesti kat-soen olematon.

Claims (8)

6 115996

1. Höyryturbiini, jossa on ainakin osalta pituuttaan pesän (4) sisään sijoitettu akseli (3), joka pesän (12) korkeapainepuolelta (10) tai vastapäätä olevalta poistohöyrypuolelta (12) kulkee pesän läpi, ja ainakin yksi säätöventtiili (30) 5 pesään (4) saapuvan höyryvirran säätämiseksi, tunnettu akselin (3) öljyttö-mästä laakeroinnista pesän (4) sisään korkeapainepuolelle (10) ja poistohöyry-puolelle (12) sijoitettujen magneettilaakerien (6, 8, 14) avulla sekä säätöventtiilin (30) öljyttömästä toiminnasta ainakin yhden sähkömagneettisen käyttölaitteen (28) avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen höyryturbiini, tunnettu siitä, että korkeapainepuolelle (10) sijoitettu magneettilaakeri käsittää säteislaakerin (6) ja aksiaalilaakerin (14).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen höyryturbiini, tunnettu siitä, että korkeapainepuolelta (10) on säteislaakerin (6) ja aksiaalilaakerin (14) lisäksi 15 lukituslaakeri (16), joka on sijoitettu edullisesti säteis- ja aksiaalilaakerien (6, 14) väliin.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 3 mukainen höyryturbiini, tunnettu siitä, että korkeapainepuoli (10) tai poistohöyrypuoli (12) on suljettu höyrytiiviisti kannella (23).

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen höyryturbiini, tun nettu siitä, että pesän (4) korkeapainepuolella (10) on tiiviste (22), jolloin sä-teittäinen tai aksiaalinen magneettilaakeri (6,14) on sijoitettu poistohöyrypuolelta ’ ·’ (12) katsottuna tiivisteen (22) eteen.

: ’·· 6. Jonkin patenttivaatimuksista 1- 5 mukainen höyryturbiini, tun- 25 nettu siitä, että pesän (4) poistohöyrypuolella (12) on toinen lukituslaakeri : (18), jolloin poistohöyrypuolelle (12) on sijoitettu höyryn virtaussuunnassa magneettilaakerin (8) ja lukituslaakerin (18) eteen, väliin tai ensi sijassa taakse toinen tiiviste (24).

: 7. Jonkin patenttivaatimuksista 1- 6 mukainen höyryturbiini, tun- ,··' 30 nettu siitä, että sähkömagneettinen käyttölaitekin (28) on sijoitettu pesän (4) ‘1’ sisään.

·*.'·: 8. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 7 mukainen höyryturbiini, tun- nettu siitä, että sähkömagneettinen käyttölaite (28) käsittää rautaieksen (32), : X käämin (34) sekä työntötankoon (36) liittyvän ankkurin (38). 7 115956