PL167025B1 - Obudowa wlotu turbiny parowej PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Obudowa wlotu turbiny parowej jednostrumieniowej, wysokopreznej o przeplywie osiowym, której pierwszy stopien jest zasilany z dwóch oddzielonych od siebie, wspólosiowych otworów pierscieniowych, a przy tym kazdy otwór pierscieniowy jest polaczony z wlasnym przewodem doplywowym, przy czym przewodami doplywowymi sa dwie, umieszczone wspólosiowo, oddzielnie odlaczane lub dlawione obudowy spiralne, które od strony wylotu sa zaopatrzone w otwory pierscieniowe, ciagnace sie na 360° , przy czym dalej przekrój poprzeczny obu spiral jest uksztaltowany na calym obwodzie jako nadajacy ruch wirowy, tak iz czynnik roboczy, wyplywajacy z otworów pierscieniowych, ma niezaleznie od biezacego obciazenia skladowa styczna, która lezy w rzedzie wielkosci predkosci obwodowej zasilanego czynnikiem roboczym sektora lopatek pierwszego stopnia, oraz przy czym pozostale przekroje poprzeczne obudów spiralnych sa zwymia- rowane na rózne przeplywy masowe, a wspólosiowe otwory pier- scieniow e maja odpow iednio zróznicowane wysokosci, znamienna tym, ze spirala (2), zwymiarowana na mniejszy prze- plyw oraz jej otwór pierscieniowy (2’) sa umieszczone w kierunku promieniowym od strony wirnika, ze pierwszym szeregiem lopa- tek, zasilonym z otworów pierscieniowych (1’, 2’), jest szereg (13) lopatek wirujacych o malym stopniu reakcji, oraz ze promienio- wo wewnetrzna scianka ograniczajaca spirali, zwymiarowanej na maly przeplyw, znajduje sie, przynajmniej czesciowo, w plaszczyznie tloka wyrównawczego i jest zaopatrzona na swej powierzchni zewnetrznej w uszczelnienie labiryntowe walu. PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy obudowy wlotu turbiny parowej jednostrumieniowej, wysokoprężnej o przepływie osiowym, której pierwszy stopień jest zasilany z dwóch oddzielonych od siebie, współśrodkowych otworów pierścieniowych, a przy tym każdy otwór pierścieniowy jest połączony z własnym przewodem dopływowym, przy czym przewodami dopływowymi są dwie umieszczone współosiowo, oddzielnie odłączane lub dławione, obudowy spiralne, które od strony wylotu są zaopatrzone w otwory pierścieniowe, ciągnące się na 360°, przy czym dalej przekrój poprzeczny obu spiral jest ukształtowany na całym obwodzie jako nadający ruch wirowy tak, iż czynnik roboczy, wypływający z otworów pierścieniowych, ma niezależnie od bieżącego obciążenia składową styczną, która leży w rzędzie wielkości prędkości obwodowej zasilanego czynnikiem roboczym, sektora łopatek pierwszego stopnia, oraz przy czym wreszcie przekroje poprzeczne obudów spiralnych są zwymiarowane na różne masowe natężenia przepływu, a współśrodkowe otwory pierścieniowe mają odpowiednio zróżnicowane wysokości.

Obecnie regulację mocy turbin parowych przeprowadza się bądź przez dopasowywanie lub dławienie ciśnień świeżej pary, znane jako regulacja przy ciśnieniu poślizgowym lub regulacja dławieniem, bądź też przez zasilanie częściowe specjalnie do tego celu skonstruowanego stopnia ciśnienia poślizgowego za pośrednictwem poszczególnych odłączanych i regulowanych sektorów wieńca dyszowego. Ten rodzaj regulacji, znany jako regulacja za pomocą grup dysz, zdaje się mieć zazwyczaj przewagę nad czystą regulacją dławieniem, jednakże przy zmniejszeniu obciążenia, a tym samym zasilania, prowadzi on do wzrostu udziału strat, znanych pod nazwą strat od zasilania częściowego. W przypadku niepełnego wymieszania strumienia w komorze wirnika może również dochodzić do częściowego zasilania następnego reakcyjnego zespołu łopatkowego, a tym samym do dodatkowych, dużych strat przepływowych.

Obudowy wlotu ze współosiowymi kanałami pierścieniowymi są znane z francuskiego opisu patentowego nr 2 351 249. Z dwóch, skierowanych osiowo, współosiowych kanałów pierścieniowych, które tworzą skrzynię dyszową, para przepływa do wirnika akcyjnego. Dysze są umieszczone wewnątrz kanałów pierścieniowych. Chodzi przy tym o klasyczny równoprężny stopień regulacyjny. Kanały pierścieniowe zasila się oddzielnie. Jeden z obu kanałów pierścieniowych ma dwa przewody dopływowe, które prowadzą każdy do połowy obwodu pierścieniowego. Drugi kanał pierścieniowy zawiera cztery przewody dopływowe dla swych czterech segmentów. Moc turbiny zwiększa się od biegu jałowego do obciążenia znamionowego w ten sposób, że najpierw zasila się jeden kanał pierścieniowy na całym obwodzie, a następnie otwiera się kolejno poszczególne sektory drugiego kanału pierścieniowego. Dzięki takiemu układowi przy zasilaniu częściowym nie powinny występować na pierwszym szeregu łopatek wirujących żadne problemy drganiowe.

Wymieniona na wstępie obudowa wlotu ze sposobem regulacji, który pozwala uzyskiwać w całym zakresie obciążeń większe współczynniki sprawności, niż za pomocą czystej regulacji za pośrednictwem grup dysz, jest znana ze szwajcarskiego opisu patentowego nr 654 625. Dzięki następującemu tam wzdłuż 360° obwodu zasilaniu przepływami masowymi, uzależnionymi od obciążenia, można rezygnować ze złożonego ze skrzyni dyszowej i wirnika równoprężnego stopnia regulacyjnego, powodującego znaczne straty przy obciążeniu częściowym. Szczególnych zalet konstrukcyjnych należy upatrywać w tym, że tego rodzaju obudowy spiralne mają małą osiową długość konstrukcyjną oraz, że wymagane są tu jedynie dwa przewody do doprowadzania pary, zaopatrzone w elementy zamykające i regulacyjne.

Jeśli przekroje poprzeczne obudów spiralnych są zwymiarowane na różne przepływy masowe, to oprócz pełnego obciążenia można co najmniej dwa punkty obciążenia częściowego wykorzystywać bez dławienia, a tym samym z małymi stratami. Jeżeli ponadto spiralne przekroje poprzeczne są zaprojektowane jako wytwarzające wiry, to można zrezygnować ze zmnieniającej kierunek przepływu kaskady profili przed pierwszym szeregiem łopatek wirujących. W rurach dopływowych dopuszczalne są większe prędkości pary, niż zazwyczaj, ponieważ do wytwarzania wirów można w pełni wykorzystywać energię kinetyczną. Dzięki temu przewody dopływowe mogą mieć małe przekroje poprzeczne, a tym samym mogą być wykonywane taniej.

U podstaw wynalazku leży zadanie umożliwienia zachowania w obudowie wlotu wymienionego na wstępie rodzaju dotychczasowej klasycznej konstrukcji z wirnikiem regulacyjnym, pracującym na zasadzie równoprężności.

W myśl wynalazku osiąga się to dzięki temu, że spirala, zwymiarowana na mniejszy przepływ, orazjej otwór pierścieniowy są umieszczone w kierunku promieniowym od strony wirnika, że pierwszym szeregiem łopatek, zasilonym z otworów pierścieniowych, jest szereg łopatek wirujących o małym stopniu reakcji, oraz że promieniowo wewnętrzna ścianka ograniczająca spirali, zwymiarowanej na mały przepływ, znajduje się, przynajmniej częściowo, w płaszczyźnie tłoka wyrównawczego i jest zaopatrzona na swej powierzchni zewnętrznej w labiryntowe uszczelnienie wału.

Obudowy spiralne ciągną się na 360° obwodu i są zaopatrzone we wlotowe przekroje poprzeczne, przesunięte o 180°, przy czym wlotowe przekroje spiral są umieszczone na osi poziomej turbiny. Obudowy spiralne są połączone od strony wlotu z położonymi od strony dopływu łukami za pośrednictwem elementów zwężkowych.

Zalety wynalazku należy upatrywać w szczególności w tym, że tłok wyrównawczy, wymagany w przypadku jednostramieniowych części turbiny, można umieścić ze względu na dużą średnicę wirnika regulacyjnego w wolnej przestrzeni wewnątrz spiral.

167 025

Przedmiot wynalazkujest bliżej objaśnionyw przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia cząstkowy przekrój wzdłużny turbiny z dwuspiralną obudową wlotu.

Kierunek przepływu czynnika roboczego, w danym przypadku pary wysokoprężnej, jest oznaczony strzałkami. Rysunek ogranicza się jedynie do najkonieczniejszych konturów, dla większego zrozumienia wynalazku.

Obudowa wlotu składa się z dwóch spiral 1, 2, do których para dopływa łukami rurowymi 8 lub 9. Nie są uwidocznione elementy zamykające i regulacyjne, umieszczone w łukach rurowych 8 i 9. Od strony wylotu spirale uchodzą każda do otworu pierścieniowego 1' lub 2’. Te otwory pierścieniowe są rozmieszczone współosiowo względem siebie i ciągną się na 360° obwodu. Rozgraniczenie przepływu w obu otworach pierścieniowych 1’, 2’ względem siebie następuje za pośrednictwem krótkiej, wspólnej ścianki działowej 4, wychodzącej osiowo do kanału przepływowego turbiny. Dzięki temu, zachodzi osiowy w rzucie przepływ pary do turbiny z obu spiral. Z całej, tylko częściowo i bardzo schematycznie uwidocznionej, turbiny, w przypadku której chodzi o jednostrumieniową część wysokoprężną, przedstawione są jedynie: wirnik 10 z częścią dławnicową 11 na tłoku wyrównawczym 17, wspornik łopatkowy 12, koło regulacyjne 13, a także łopatki kierownicze 14, trzech pierwszych stopni reakcyjnych, zamocowane we wsporniku łopatkowym, oraz łopatki wirujące 15 dwóch pierwszych stopni reakcyjnych, zamocowane w wirniku. Pomiędzy wylotem spiral 1, 2, który jest zaznaczony przez tylne obrzeże ścianki działowej 4, a kołem regulacyjnym 13, znajduje się pierścieniowa przestrzeń mieszania 5. Pomiędzy kołem regulacyjnym 13, a szeregiem łopatek kierowniczych pierwszego stopnia znajduje się zwykła przestrzeń kołowa 16. Promieniowo wewnętrzna ścianka ograniczająca spirali 2, zwymiarowanej na mały przepływ, biegnie w płaszczyźnie tłoka wyrównawczego 17 i jest zaopatrzona na swej powierzchni zewnętrznej w uszczelnienie labiryntowe wału, które stanowi część składową wymienionej części dławicowej 11.

Pomiędzy nie uwidocznionymi przekrojami poprzecznymi wlotu spiral, znajdującymi się w poziomej płaszczyźnie rozdzielającej, a łukami rurowymi 8, 9, przewidziane są elementy zwężkowe 6,7. W nich czynnik roboczy jest przyspieszany od np. 60 m/s do prędkości np. 280 m/s, wymaganej przy wlocie do turbiny, w danym przypadku przed kołem regulacyjnym 13. Wytwarzanie wirów następuje w odpowiednio do tego celu ukształtowanych spiralach. Jest zrozumiałe, że w łukach rurowych 8 i 9 dopuszczalne są również większe prędkości, niż wymienione 60 m/s. Jest tak w szczególności dlatego, że energia kinetyczna do wytwarzania wirówjest tu w pełni wykorzystywana. W końcu chodzi o problem optymalizacyjny, w którym straty tarciowe, uwarunkowane zwiększoną prędkością, są przeciwstawne względem oszczędności materiału, wskutek mniejszych przekrojów poprzecznych.

Obydwie spirale 1, 2 są umieszczone współosiowo podobnie jak ich otwory pierścieniowe 1’, 2’ oraz biegną obwodowo wzdłuż 360°. Ich wlotowe przekroje poprzeczne są przesunięte wzajemnie o 180°, mianowicie tak, iż przez spirale 12 czynnik przepływa w tym samym kierunku obrotu. Te przekroje poprzeczne znajdują się na osi poziomej 3 turbiny, a zatem w płaszczyźnie, w której zazwyczaj biegną powierzchnie rozdzielające maszyny.

Spiralne przekroje poprzeczne obu umieszczonych współosiowo spiral 1, 2 są przystosowane do niejednakowego przepływu, co wyjaśnia różnice wylotowych przekrojów poprzecznych 1, 2 oraz różnice wysokości kanału lub otworów pierścieniowych 1’, 2’.

Przy wyborze kształtu przekroju poprzecznego należy uwzględniać, obok punktów widzenia związanych z techniką przepływu, również aspekty konstrukcyjne i technologiczne. Dąży się na ogół do stosowania zwartych kształtów spiralnych, zapewniających możliwie jednorodny odpływ z otworów pierścieniowych.

Odnośnie do tego jednorodnego odpływu podano już powyżej, że wytwarzanie wirów w spirali zachodzi samorzutnie. Dzięki zmniejszaniu promienia w kierunku przepływu, czynnikowi roboczemu nadaje się w spirali dodatkowe przyspieszenie, na zasadzie prawa zachowania wiru. Przy uwzględnieniu tego przyspieszeniu należy projektować przekroje poprzeczne spiral w każdym punkcie na średnią prędkość, np. 120 m/s. Uzyskuje się wówczas, w odpowiednio zwymiarowanych otworach pierścieniowych, bezwzględne prędkości odpływu, równe ok. 280 m/s, przy kącie odpływu równym ok. 18°. Przy odpowied167 025 niej prędkości obwodowej wirnika na jego miarodajnej średnicy daje to idealny dopływ do koła regulacyjnego 13.

Ponadto podano już powyżej, że przyspieszenie, zainicjowane w dyszy stopnia regulacyjnego, zachodzi głównie w elemencie zwężkowym pod prąd przepływu w spirali, natomiast w małym stopniu w niej samej. Związane z tym przyspieszeniem zmniejszenie spadku międzystopniowego odpowiada części tego spadku, która byłaby do pokonania w pozostawionej teraz luzem skrzyni dyszowej.

Z drugiej strony warto uwzględnić, że - w odróżnieniu od rozwiązania, podanego w szwajcarskim opisie patentowym nr 654 625 - pierwszym zasilonym parą szeregiem łopatek wirujących jest szereg normalnego stopnia regulacyjnego. W znanym rozwiązaniu, wskutek braku stopnia regulacyjnego i przy zadanym spadku całkowitym ciśnienia na wysokoprężnej części turbiny, poziom ciśnienia na wlocie do reakcyjnego zespołu łopatkowego jest tak wysoki, iż dla jego obniżenia trzeba przewidzieć dodatkowy stopień reakcyjny, ze zwykłym spadkiem. Jest to uwarunkowane tym, że w stopniu reakcyjnym zazwyczaj przetwarza się w przybliżeniu tylko połowę spadku ciśnienia, w porównaniu ze stopniem akcyjnym, przeznaczonym do celów regulacyjnych.

Zauważa sięjuż w tym jedną z głównych zalet nowego zastosowania spiral, mianowicie dotychczasowy wirnik można przejąć bez żadnych zmian. Jest to szczególnie ważne z punktu widzenia tzw. retrofittingu istniejących turbin.

Rozwiązanie ze spiralami, które należy określić jako regulację za pomocą momentu wirowego, jest szczególnie przydatne w warunkach częściowego obciążenia turbiny, kiedy to wykazuje ono bardzo wyraźne zalety w porównaniu z klasyczną regulacją za pomocą grup dysz, a to dlatego, że dopływ czynnika do pierwszego szeregu łopatek następuje przy dowolnym obciążeniu zawsze na obwodzie 360°.

Jako szczególnie korzystny okazał się tu układ dwóch spiral, zaprojektowanych na różniące się przepływy masowe. W uwidocznionym przykładzie wykonania, w którym 'mała spirala 2 zasila bliskie wirnika partie łopatek, natomiast duża spirala 1 - partie łopatek, położonejak najbliżej wspornika 13 łopatek, przy pełnym zasilaniu przepływa 70% czynnika roboczego z otworu pierścieniowego 1’, a 30% z otworu pierścieniowego 2’. Dzięki temu można obciążać maszynę w następujący sposób:

- pełne obciążenie przy otwartych spiralach 1, 2 i otwartych zaworach regulacyjnych (nie uwidocznionych) w łukach rurowych 8, 9;

- 70% obciążenia przy otwartej spirali 1 i zamkniętej spirali 2;

- 30% obciążenia przy otwartej spirali 2 i zamkniętej spirali 1;

- dowolne obciążenia częściowe przez otwarcie jednej lub obu spiral oraz przez dławienie jednego z obu nie uwidocznionych zaworów.

Staranne zaprojektowanie przekroju poprzecznego spiral w celu wytwarzania wirów i jednorodnego odpływu w kierunku obwodowym zapewnia również w punktach obciążenia częściowego turbiny taki sam kąt dopływu czynnika do koła regulacyjnego 13, jak w przypadku obciążenia pełnego. Prędkości odpływu ze spiral, zależne od obciążenia częściowego, umożliwiają regulację obciążenia, jak w przypadku regulacji za pomocą grup dysz.

W przeciwieństwie do tej klasycznej regulacji za pomocą grup dysz, przy której następuje częściowe zasilanie w kierunku obwodowym, w opisywanym przypadku przeprowadza się częściowe zasilanie w kierunku promieniowym. W ten sposób uzyskuje się stale pełne zasilanie w kierunku obwodowym, które przyczynia się także do powstania równomiernego rozkładu temperatur na całym obwodzie. Odpada zatem znane zresztą przy zasilaniu częściowym, związane z dużymi stratami napełnianie i opróżnianie przerywane kanałów łopatkowych tak, iż wzrost strat przy zmniejszaniu się obciążenia jest mniejszy, niż przy regulacji za pomocą grup dysz. Ponadto korzystniejsze jest obciążanie dynamiczne pierwszego szeregu łopatek wirujących.

Dodatkowa, jednak znacznie mniejsza strata powstaje przy obciążeniu częściowym jedynie na przedniej części rozdzielającej strumieni masowych, wypływających z otworów pierścieniowych 1’ i 2 z różnymi prędkościami. Chodzi przy tym o straty tarcia i mieszania na granicach strumieni. Z drugiej strony przesunięcie wstecz ścianki rozdzielającej 4 zapew6

167 025 nia przy pełnym obciążeniu dobre wymieszanie strumieni cząstkowych w przestrzeni mieszania 5. Również jeśli jedna ze spiral jest całkowicie odłączona, to pomimo to pomijalne są straty wentylacyjne w nie zasilanej w danym przypadku części zespołu łopatkowego. Przesunięcie wstecz ścianki rozdzielającej 4, a tym samym utworzenie wymienionej już komory 5 ma na celu utrzymywanie jak najmniejszej części łopatek w stanie bądź nie zasilonym, bądź też inaczej zasilonym. Osiowa rozpiętość komory 5 jest tak zwymiarowana, że wspomagana jest kompensacja przepływu w kierunku promieniowym.

Claims (4)

1. Obudowa wlotu turbiny parowej jednostrumieniowej, wysokoprężnej o przepływie osiowym, której pierwszy stopień jest zasilany z dwóch oddzielonych od siebie, współosiowych otworów pierścieniowych, a przy tym każdy otwór pierścieniowy jest połączony z własnym przewodem dopływowym, przy czym przewodami dopływowymi są dwie, umieszczone współosiowo, oddzielnie odłączane lub dławione obudowy spiralne, które od strony wylotu są zaopatrzone w otwory pierścieniowe, ciągnące się na 360°, przy czym dalej przekrój poprzeczny obu spiral jest ukształtowany na całym obwodzie jako nadający ruch wirowy, tak iż czynnik roboczy, wypływający z otworów pierścieniowych, ma niezależnie od bieżącego obciążenia składową styczną, która leży w rzędzie wielkości prędkości obwodowej zasilanego czynnikiem roboczym sektora łopatek pierwszego stopnia, oraz przy czym pozostałe przekroje poprzeczne obudów spiralnych są zwymiarowane na różne przepływy masowe, a współosiowe otwory pierścieniowe mają odpowiednio zróżnicowane wysokości, znamienna tym, że spirala (2), zwymiarowana na mniejszy przepływ orazjej otwór pierścieniowy (2’) są umieszczone w kierunku promieniowym od strony wirnika, że pierwszym szeregiem łopatek, zasilonym z otworów pierścieniowych (1’, 2’), jest szereg (13) łopatek wirujących o małym stopniu reakcji, oraz że promieniowo wewnętrzna ścianka ograniczająca spirali, zwymiarowanej na mały przepływ, znajduje się, przynajmniej częściowo, w płaszczyźnie tłoka wyrównawczego i jest zaopatrzona na swej powierzchni zewnętrznej w uszczelnienie labiryntowe wału.

2. Obudowa wlotu według zastrz. 1, znamienna tym, że obudowy spiralne (12) ciągną się na 360° obwodu i są zaopatrzone we wlotowe przekroje poprzeczne przesunięte o 180°.

3. Obudowa wlotu według zastrz. 2, znamienna tym, że wlotowe przekroje poprzeczne spiral (1,2) są umieszczone na osi poziomej (3) turbiny.

4. Obudowa wlotu według zastrz. 1, znamienna tym, że obudowy spiralne (1, 2) są połączone od strony wlotu z położonymi od strony dopływu łukami rurowymi (8, 9) za pośrednictwem elementów zwężkowych (6,7).