RU2073095C1

RU2073095C1 - Steam turbine

Info

Publication number: RU2073095C1
Application number: RU94022698A
Authority: RU
Inventors: Евгений Павлович Ковалев
Original assignee: Евгений Павлович Ковалев
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: thermal engineering; multistage steam turbines. SUBSTANCE: diaphragms placed between disks of rotor carrying moving blades have holes radially directed along steam flow from regions near discharge holes of rotor disks of preceding stage to nozzle channels of diaphragms. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на многоступенчатых паровых турбинах. The invention relates to a power system and can be used on multi-stage steam turbines.

Известны типовые паровые турбины, содержащие многоступенчатый ротор с дисками, снабженными разгрузочными отверстиями и рабочими лопатками, диафрагмы между дисками с соплами, расположенными на их ободе (А.Д.Трухний. Стационарные паровые турбины. М. Энергоиздат, 1990. УДК 621.165, например, рис. 6.13 с. 266; рис. 6.20 с.275 и др. (Л-1). Фрагмент одной ступени указан там же на рис.2.6, с.35 (Приложение N 1). Typical steam turbines are known, containing a multi-stage rotor with disks equipped with discharge holes and rotor blades, diaphragms between disks with nozzles located on their rim (AD Trukhny. Stationary steam turbines. M. Energoizdat, 1990. UDC 621.165, for example, Fig. 6.13, p. 266; Fig. 6.20, p. 275, etc. (L-1). A fragment of one step is indicated in the same place in Fig. 2.6, p. 35 (Appendix N 1).

Наряду с доведением до совершенства конструкции известные паровые турбины имеют недостатки, снижающие экономичность из-за наличия неизбежных протечек пара в турбинных ступенях, указанных на рис.2.15 с.42 (Л-1). Along with perfecting the design, well-known steam turbines have disadvantages that reduce efficiency due to the inevitable leakage of steam in the turbine stages shown in Fig. 2.15 p.42 (L-1).

Отсасываемый пар G_2y (рис.2.15), создаваемый наличием заданной реактивностью в корневом сечении лопаток, несколько повышает КПД ступени. (По оценке, приведенной в журнале "Теплоэнергетика" N 3, 1986, с.31, КПД повышается на 0,15-0,4% (Л-2). (См. Приложение N 2.) В (Л-3) на с.28-31 показаны исследования влияния на экономичность турбинной ступени отмеченных выше отсосов пара и обобщены результаты предыдущих исследований в этой области, указанные в списке литературы этого источника.The suction steam G _2y (Fig. 2.15), created by the presence of a given reactivity in the root section of the blades, slightly increases the efficiency of the stage. (According to the estimate given in the journal "Heat Power Engineering" N 3, 1986, p.31, the efficiency increases by 0.15-0.4% (L-2). (See Appendix N 2.) B (L-3) p. 28-31 show studies of the effect on the efficiency of the turbine stage of the above-mentioned steam suction and summarizes the results of previous studies in this area, indicated in the references of this source.

Отсасываемый пар G_2y (рис.2.15 (Л-1) не совершает полезной работы и суммируется с количеством пара G_1y, протекающим через уплотнения диафрагмы, который получает дополнительный энергетический потенциал при нагреве из-за вращения ротора турбины. В последующей ступени этот пар частично протекает дальше через уплотнения диафрагмы, а оставшаяся часть пара при закрутке вращающимся ротором через кольцевой зазор по окружности диска в прикорневой зоне рабочих лопаток поступает в сопла диафрагмы, т.е. происходит нежелательный подсос пара через этот зазор в струе пара, выходящего из рабочих лопаток. При подсосе пара возникают возмущающие динамику струи из-за турбулентности процессы, аналогичные процессам на входе пара из сопел на рабочие лопатки, описанные на с.24-27 в (Л-2). Турбулентность струи пара на входе в сопла диафрагм приводит к увеличению процессов отрыва ее от стенок профиля сопел с дополнительными потерями энергии. (Динамика процессов обтекания профилей турбинных лопаток отчетливо видна на тенеграмме (рис.3, с.27 (Л-2), см. Приложение 3.) В (Л-2) на с.28 указана математическая зависимость снижения экономичности при протечке пара из камеры между диском и диафрагмой в проточную часть (подсос пара). К снижению экономичности следует отнести и возникающие в процессе эксплуатации паровых турбин раскрытие разъема диафрагм из-за протечки через ее уплотнения без совершения полезной работы пара, температура которого дополнительно увеличивается за счет сил трения при вращении ротора и приводит к местному разогреву металла диафрагмы в центральной зоне. Раскрытие разъемов приводит к дополнительной протечке пара со снижением КПД турбины.The suctioned steam G _2y (Fig. 2.15 (L-1) does not do useful work and is summed up with the amount of steam G _1y flowing through the seals of the diaphragm, which receives additional energy potential when heated due to rotation of the turbine rotor. In the next stage, this steam is partially it flows further through the diaphragm seals, and the remaining part of the steam, when twisted by a rotating rotor through the annular gap around the circumference of the disk in the root zone of the working blades, enters the nozzle of the diaphragm, i.e., an undesirable suction of steam through this gas in a jet of steam leaving the working blades. When the steam is sucked up, processes disturbing the dynamics of the jet due to turbulence arise, similar to the processes at the steam inlet from nozzles to the working blades described on pages 24-27 in (L-2). the steam at the entrance to the nozzles of the diaphragms leads to an increase in the processes of separation of it from the walls of the nozzle profile with additional energy losses (The dynamics of the processes flowing around the profiles of turbine blades are clearly visible on the tenogram (Fig. 3, p. 27 (L-2), see Appendix 3 .) In (L-2) on p.28 the mathematical dependence is indicated l decrease in efficiency when steam leaks from the chamber between the disk and the diaphragm into the flow part (steam suction). A decrease in efficiency should also include the opening of the diaphragm connector during the operation of steam turbines due to leakage through its seals without performing the useful work of steam, the temperature of which additionally increases due to friction forces during rotation of the rotor and leads to local heating of the diaphragm metal in the central zone. Disclosure of the connectors leads to additional steam leakage with a decrease in turbine efficiency.

Целью изобретения является повышение экономичности турбины за счет создания отсоса пара из камеры между диском и диафрагмой со стороны выходящего из рабочих лопаток пара и выравнивание температуры металла диафрагмы. Повышение экономичности улучшает экологию за счет уменьшения сжигания топлива. The aim of the invention is to increase the efficiency of the turbine by creating a suction of steam from the chamber between the disk and the diaphragm from the side of the steam leaving the working blades and equalizing the temperature of the diaphragm metal. Improving efficiency improves the environment by reducing fuel consumption.

Эта цель, согласно заявке на изобретение, достигается тем, что на паровой турбине, содержащей многоступенчатый ротор с дисками, снабженными разгрузочными отверстиями и рабочими лопатками, диафрагмы между дисками с соплами, расположенными на их ободе, в диафрагмах по ходу пара от зон разгрузочных отверстий дисков ротора предыдущей ступени выполнены по радиальным направлениям отверстия в сопловые каналы сопел суммарным сечением, равным, например, не менее суммарной площади разгрузочных отверстий в диске перед диафрагмами. Эти отверстия можно считать разгрузочными отверстиями для диафрагм при отсосе через них в сопла пара диафрагма термически разгружается за счет равномерного прогрева всего объема металла пропуском пара внутри нее. Отсос пара обеспечивается не созданием реактивности, как на рабочих лопатках, а за счет перепада давления в сопловых каналах сопел при ускорении пара в них. Отверстия в сопловые каналы выполняют во входные участки сопловых каналов перед сужением в их центре, что обеспечивает безотрывность обтекания паром профиля сопел при формировании скоростного потока пара. This goal, according to the application for the invention, is achieved by the fact that on a steam turbine containing a multi-stage rotor with disks equipped with discharge holes and blades, the diaphragm between the disks with nozzles located on their rim, in the diaphragms along the steam from the zones of the discharge openings of the disks the rotors of the previous stage are made in the radial directions of the hole in the nozzle channels of the nozzles with a total cross section equal to, for example, at least the total area of the discharge openings in the disk in front of the diaphragms. These holes can be considered discharge holes for the diaphragms when suctioned through them into the steam nozzles, the diaphragm is thermally unloaded due to the uniform heating of the entire metal volume by passing the vapor inside it. Steam suction is provided not by creating reactivity, as on working blades, but due to the pressure drop in the nozzle channels of the nozzles during steam acceleration in them. The holes in the nozzle channels are made into the inlet sections of the nozzle channels before narrowing in their center, which ensures continuous flow of steam around the nozzle profile during the formation of a high-speed steam stream.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана паровая турбина (часть ее из нескольких ступеней по оси ротора, так как последующие ступени по технологическому процессу согласно заявке на изобретения аналогичны). Паровая турбина содержит корпус 1, ротор 2 с дисками 3, их разгрузочные отверстия 4 и рабочие лопатки 5 с бандажом на ободе, неподвижные диафрагмы 6 с соплами 7 и уплотнениями 8. Диафрагмы закреплены в корпусе 1. На разрезе А-А показан в сечении сопловой канал 9 и профиль сопел 7. В диафрагмах в каждый сопловой канал 9, согласно изобретению, выполняют по радиальным направлениям отверстия 10 от зон разгрузочных отверстий 4 дисков 3 в сопловые каналы 9. Их выходное отверстие 10 показано на разрезе А-А. The invention is illustrated by the drawing, which shows a steam turbine (part of it from several steps along the axis of the rotor, since the subsequent steps in the technological process according to the application for inventions are similar). The steam turbine contains a housing 1, a rotor 2 with disks 3, their discharge openings 4 and rotor blades 5 with a bandage on the rim, fixed diaphragms 6 with nozzles 7 and seals 8. The diaphragms are mounted in the housing 1. In section AA shows a nozzle in cross section channel 9 and the nozzle profile 7. In the diaphragms in each nozzle channel 9, according to the invention, openings 10 are made in the radial directions from the zones of the discharge openings 4 of the disks 3 into the nozzle channels 9. Their outlet 10 is shown in section AA.

Работа паровой турбины, согласно изобретению, осуществляется следующим образом. The operation of a steam turbine according to the invention is as follows.

Подводимый к сопловым каналам 9 пар ускоряется за счет преобразования потенциальной энергии в кинетическую и поступает на рабочие лопатки 5 ротора 2, приводя его во вращение с совершением механической работы по известному технологическому процессу (более подробно описаны, например, в (Л-1) на с. 34-36). Выходящий отработанный в ступени пар поступает с некоторой выходной скоростью в сопла последующей ступени, и так от ступени к ступени процесс аналогичен. В процессе совершения механической работы через зазоры уплотнения 8 диафрагм, зазоры в периферии рабочих лопаток 5 ротора происходят протечки пара, указанные стрелками на чертеже. Кроме этого, для стабилизации струи пара, поступающего из сопел на рабочие лопатки, за счет заданной реактивности в их корневом сечении осуществляется отсос пара G₁ из прикорневого кольцевого зазора между плоскостями диафрагмы с диском ротора через разгрузочные отверстия 4 в камеру между диафрагмой и диском ротора следующей ступени. Через разгрузочные отверстия 4 проходит и часть протечки пара через уплотнения 8 диафрагмы, суммируясь с отсосным паром из камеры между диафрагмой и диском ротора.The steam supplied to the nozzle channels 9 is accelerated by converting the potential energy into kinetic energy and is supplied to the rotor blades 5 of the rotor 2, bringing it into rotation with the completion of mechanical work according to a known technological process (described in more detail, for example, in (L-1) c . 34-36). The steam that is exhausted in the stage enters, with a certain output speed, into nozzles of the subsequent stage, and so the process is similar from stage to stage. In the process of performing mechanical work through the sealing gaps of 8 diaphragms, gaps in the periphery of the rotor blades 5 of the rotor occur steam leaks indicated by arrows in the drawing. In addition, to stabilize the jet of steam coming from the nozzles to the blades, due to a given reactivity in their root section, the G ₁ vapor is sucked out from the radial annular gap between the planes of the diaphragm with the rotor disk through the discharge holes 4 into the chamber between the diaphragm and the rotor disk of the next steps. Part of the steam leakage through the seal openings 4 also passes through the diaphragm seals 8, being summed up with the suction steam from the chamber between the diaphragm and the rotor disk.

Из камеры за дисками 3, согласно изобретению, через отверстия 10 в диафрагмах 6 этот пар с дополнительным количеством отсосного пара из прикорневой зоны за рабочими лопатками 7 отсасывается в сопловые каналы 9 и в смеси с паром, выходящим из предыдущей ступени, ускоряется при расширении в соплах для совершения механической работы на следующей ступени ротора. На плоскости диафрагмы отверстия 10 имеют овальность "косой срез" и в сочетании с быстрым вращением ротора наиболее эффективно отсасывают пар (отжимание за счет центробежных сил и отсос за счет перепада давления пара и эжекции сопел). По (Л-2) количество отсоса пара из прикорневой зоны зазора рабочих лопаток на входе оптимально оценивается до ΔG=0,02 от расхода пара на турбину. From the chamber behind the disks 3, according to the invention, through the openings 10 in the diaphragms 6, this steam with an additional amount of suction steam from the root zone behind the working blades 7 is sucked into the nozzle channels 9 and, when mixed with the steam leaving the previous stage, is accelerated by expansion in the nozzles to perform mechanical work on the next stage of the rotor. On the plane of the diaphragm, the openings 10 have an "oblique cut" ovality and, in combination with the fast rotation of the rotor, steam is most effectively sucked out (squeezing due to centrifugal forces and suction due to the pressure drop of the steam and nozzle ejection). According to (L-2), the amount of steam suction from the root zone of the gap of the working blades at the inlet is optimally estimated to ΔG = 0.02 of the steam flow to the turbine.

Диаметр отверстий 10, например, для турбины К-500-240-4 ЛМЗ (табл.1 [Л-2] ступеней 2-4) по нижеприведенному расчету составит 15 мм. The diameter of the holes 10, for example, for the K-500-240-4 LMZ turbine (Table 1 [L-2] stages 2-4) according to the calculation below will be 15 mm.

Расчет

где ∑S

\binom{p}{o}

суммарная площадь разгрузочных отверстий диска ротора;
d_p диаметр разгрузочных отверстий;
n_р число разгрузочных отверстий.Calculation

where ∑S

\binom{p}{o}

the total area of the discharge holes of the rotor disk;
d _{p the} diameter of the discharge openings;
n _{p is the} number of discharge openings.

Площадь отверстия 10 в диафрагме равна

где S

\binom{L}{o}

площадь одного отверстия в диафрагме;
n_д их количество (по числу сопел). Диаметр одного отверстия в диаграмме составит:

Для турбины К-500-240 ЛМЗ при d_p 30 мм, n_р 7, n_д 28

Для турбины типа К-300-240 ЛМЗ соответственно, при d_p 40 мм, n_р=7, n_д=26 d_д=21 мм. Таким образом, за счет отсоса пара из камеры между диском ротора и диафрагмой через отверстия 10 в них обеспечивается следующий положительный эффект.The area of the hole 10 in the diaphragm is equal

where s

\binom{L}{o}

the area of one hole in the diaphragm;
n _d their number (according to the number of nozzles). The diameter of one hole in the diagram is:

For turbine K-500-240 LMZ with d _p 30 mm, n _p 7, n _d 28

For a turbine of type K-300-240 LMZ, respectively, with d _p 40 mm, n _p = 7, n _d = 26 d _d = 21 mm. Thus, due to the suction of steam from the chamber between the rotor disk and the diaphragm through the holes 10 in them, the following positive effect is ensured.

Используется отсасываемый перед ступенью пар для совершения полезной работы в последующей ступени без потерь, вызываемых турбулентностью при подсосе пара в зазор перед соплами 5 и с уменьшением протечки пара по валу ротора через диафрагменные уплотнения в последующие ступени с повышением КПД турбины. The suctioned steam in front of the stage is used to perform useful work in the next stage without losses caused by turbulence when the steam is sucked into the gap in front of nozzles 5 and with a decrease in steam leakage along the rotor shaft through the diaphragm seals in subsequent stages with an increase in turbine efficiency.

Обеспечивается равномерный нагрев металла диафрагмы во всем ее объеме с устранением их раскрытия в разъеме. Uniform heating of the diaphragm metal in its entire volume is ensured with the elimination of their disclosure in the connector.

Отверстия 10 выполняют сверлением без технических трудностей. Holes 10 are drilled without technical difficulties.

Claims

A steam turbine containing a multi-stage rotor with disks provided with discharge openings and blades, and diaphragms with nozzle channels on the rim located between the disks, characterized in that the diaphragms have openings radially directed along the steam from the zones of the discharge openings of the rotor disks of the previous stage to the nozzle channels of the diaphragms.