UA118142C2 - Регулюючий клапан парової турбіни - Google Patents

Abstract

Винахід належить до галузі енергетичного машинобудування і може бути використаний в системах паророзподілу парових турбін великої потужності з одностороннім боковим підведенням пари в клапанах розвантаженого та не розвантаженого типу при модернізації і конструюванні останніх. Регулюючий клапан парової турбіни містить корпус 1 із паровпускним 2 і паровипускним 3 каналами та затвором, виконаним зв'язаною зі штоком 6 чашею 5, взаємодіючою із сідлом 4, коаксіально основному затвору встановлений стакан 7 з отворами 8 у верхній частині, у нижній частині якого для підведення пари в зазор між чашею та дифузорним сідлом 4 виконано прямокутні вікна 10, розміщені по довжині окружності з утворенням з боку паровпускного каналу 2 непроникного для пари закритого сектора 11 поверхні стакана довжиною дуги 40-50°, при цьому перемички 12 між вікнами 10 по зовнішній поверхні стакана 7 виконані із скругленнями, а висота вікон стакана перевищує хід чаші клапана. Пристрій дозволяє підвищити надійність при зниженні динамічних навантажень у рухомих елементах клапана та підвищити газодинамічну ефективність клапана при зниженні втрат енергії парового потоку.

Description

Винахід належить до галузі енергетичного машинобудування і може бути використаний в системах паророзподілу парових турбін великої потужності з одностороннім боковим підведенням пари в клапанах розвантаженого та не розвантаженого типу при модернізації і конструюванні останніх.

Відомі різновиди регулюючих клапанів потужних парових турбін з одностороннім боковим підведенням пари через неоптимальне виконання конструктивних елементів, що піддаються високим динамічним навантаженням, які виникають при протіканні (рухові) парового потоку в клапанному каналі та призводять до втрат тиску в них і формуванню дифузорної течії. При цьому у вхідній ділянці клапанного каналу, виконаного сідлом і чашею основного затвора, формується нерівномірне поле швидкостей, що сприяє утворенню відривної течії, яке призводить до передчасного зношування і(навіть руйнування) рухомих елементів системи паророзподілу та зниженню надійності роботи турбоагрегату.

Відомий розвантажений регулюючий клапан (пат. РФ 2210696 Р16КЗ39/02, Е16К17/10, 2003), що містить установлені співвісно в паровій коробці сідло і основний клапан (затвор) з профільованою запірною чашею зі штоком, ззовні якої розміщено захисний стакан з вікнами для підведення пари до розвантажувального клапана між запірною чашею і сідлом, фігурну втулку з осьовим каналом, встановлену в запірній чаші основного клапана, запірну втулку з конічною носовою частиною, встановлену з можливістю перекриття її конічною частиною осьового каналу фігурної втулки при підніманні штока, і камеру розвантаження, виконану у вигляді порожнини, утвореної фігурною втулкою і чашею основного клапана з сідлом розвантажувального клапана, додаткову камеру розвантаження, виконану сідлом розвантажувального клапана з боку його вихідного отвору та внутрішньою поверхнею запірної чаші основного клапана, сполученою з її зовнішньою поверхнею через виконані в чаші наскрізні канали, вихідні отвори яких розміщено нижче посадочного діаметра запірної чаші основного клапана та рівномірно розподілено за її профільованою поверхнею.

Недоліком відомого пристрою є низька надійність при високому рівні втрат енергії парового потоку, обумовлених відривною течією усередині клапанного каналу, внаслідок нерівномірності потоку перед входом у клапанний канал, що призводить до підвищених динамічних навантажень рухомих елементів системи паророзподілу з імовірністю передчасного їхнього

Зо руйнування, а також до (нерівномірного) зношування запірних поверхонь чаші та сідла.

Найбільш близьким за технічною суттю є запірно-дроселюючий клапан (Пат. РФ 2388955,

Е16К 1/06, Е16КЗ/26, Е 16К39/04, Е16К4А7/02, 2012), що містить корпус з розміщеним у ньому конфузорним сідлом, і з'єднаний зі штоком золотник із чашею обтічної форми з виконаними в ній концентрично розміщеними в рядах отворами перфорації, розташованими в нижній частині під гострим кутом до поздовжньої осі клапана, напрямний стакан, охоплювальний золотник з вікнами і виконаною на секторі 907 внутрішньої поверхні стакана наплавкою товщиною, що дорівнює радіальному зазору між внутрішньою поверхнею стакана та зовнішньою поверхнею золотника, при цьому бокова поверхня сідла рівномірно перфорована отворами діаметром а-5- 10 тт із окружним і вертикальним кроками ї--і2-24.

Виконання зміцнення стакана наплавкою з товщиною, яка дорівнює радіальному зазору, з застосуванням для зниження вібрацій, що виникають при рухові поршня, призводить до додаткової втрати енергії парового потоку при обтіканні наплавки через неоптимальну протяжність її непроникного сегмента. При цьому сформований перед входом у клапанний канал нерівномірний потік сприяє утворенню діючих на чашу нерівномірних поперечних збурень, які призводять до підвищеного (нерівномірного) зношування рухомих елементів клапана.

В основу винаходу поставлено задачу створення регулюючого клапана парової турбіни, в якому шляхом змінення траєкторії руху робочого тіла реалізовано симетричне обтікання потоком рухомої пари конструктивних елементів проточного тракту клапанного каналу з формуванням рівномірного поля швидкостей перед входом в дифузорну частину сідла, за рахунок чого досягнуто підвищення надійності при зниженні динамічних навантажень у рухомих елементах клапана та підвищення газодинамічної ефективності клапана при зниженні втрат енергії парового потоку.

Поставлена задача вирішується тим, що в регулюючому клапані парової турбіни, що містить корпус із паровпускним і паровипускним каналами та затвором, виконаним зв'язаною зі штоком чашею, взаємодіючою із сідлом, стакан з отворами для проходу пари, згідно з винаходом, коаксіально запірній чаші (основному затвору) встановлений стакан з отворами у верхній частині, у нижній частині якого для підведення пари в зазор між чашею та дифузорним сідлом виконано прямокутні вікна, розміщені по довжині окружності з утворенням з боку паровпускного бо каналу непроникного для пари закритого сектора поверхні стакана довжиною дуги 40-50", при цьому перемички між вікнами по зовнішній поверхні стакана виконано зі скругленнями, а висота вікон стакана перевищує (висоту ходу) хід чаші клапана.

Ззовні основного затвора встановлено стакан з отворами у верхній частині, у нижній частині якого для підведення пари в зазор між чашею та сідлом виконано прямокутні вікна, розміщені по довжині окружності (за довжиною кола) з утворенням з боку паровпускного каналу непроникного для пари закритого сектора поверхні стакана довжиною дуги 440-507, що дозволяє підвищити газодинамічну ефективність клапанів з одностороннім боковим підведенням пари, змінивши траєкторію руху парового потоку для формування більш рівномірного поля швидкостей перед входом в клапанний канал, утворений чашею, і сідлом, знизити імовірність виникнення асиметрії потоку у клапанному каналі та відривних течій для забезпечення надійної роботи клапана і зниження втрат енергії парового потоку.

Перемички між розміщеними на довжині окружності стакана прямокутними вікнами, по зовнішній поверхні стакана виконано зі скругленнями, що дозволяє шляхом рівномірного обтікання закритого сектора стакана та скруглених перемичок реалізувати входження потоку пари в канал, утворений чашею і сідлом, знизивши втрати енергії парового потоку і динамічні навантаження в рухомих елементах, та підвищити надійність роботи клапана.

Виконання вікон стакана висотою, що перевищує хід (висоту ходу) чаші клапана, дозволяє реалізувати ефективне надходження пари в основний затвор клапана при його відкритті без перекриття прохідних перерізів проходження пари із забезпеченням ефективної роботи клапана.

На фіг 1 подано загальний вигляд регулюючого клапана з односторонніми боковим підведенням; на фіг. 2 - переріз А-А в нижній частині регулюючого клапана; на фіг. З - напрямний стакан регулюючого клапана парової турбіни; на фіг. 4 - графік змінення відносних перепадів тисків у залежності від висоти піднімання клапана з виконаними в стакані вікнами без непроникного сектора і з непроникним сектором при різній довжині дуги непроникного сектора; на фіг. 5 - графік змінення коефіцієнта повних втрат енергії на виході з дифузорної частини сідла регулюючого клапана з виконаними в стакані вікнами без непроникного сектора і з непроникним сектором при різній величині довжині дуги непроникного сектора.

Регулюючий клапан парової турбіни (фіг. 1, 2), містить корпус 1 з паровпускним каналом 2 і

Зо паровипускним каналом З, встановленим у дифузорному сідлі 4. Основний затвор клапана утворено встановленою в крайнє нижнє положення на сідло 4 запірною чашею 5, пов'язаною з установленим з можливістю переміщення в корпусі 1 штоком 6.

Ззовні основного затвора встановлено виконаний у вигляді кільцевої обичайки циліндричний стакан 7 з виконаними у верхній частині отворами 8 для розподілення потоку. Стакан 7 жорстко скріплено штифтами з буксою-фіксатором 9 стопорного пристрою (на фіг. не показаний). Для підведення пари в клапанний канал у нижній частині циліндричного стакана 7 виконано прямокутні вікна 10, розміщені по довжині окружності з утворенням (виконанням) з боку паровпускного каналу 2 закритого непроникного сектора 11, а поверхні стакана довжиною дуги а-40-507. Для зменшення втрат енергії парового потоку пари при його проходженні через прямокутні вікна 10 стакана 7 перемички 12 між вікнами 10 з боку зовнішньої поверхні виконано з округленими боковими кромками. При цьому висота прямокутних вікон 10 перевищує хід (висоту ходу) чаші 5 клапана на 0,1-0,15 діаметра чаші.

Пристрій працює таким чином. Потік пари через паровпускний канал 2 надходить в кільцевий канал, утворений корпусом 1 і стаканом 7. При рухові в кільцевому каналі частина потоку протікає через розміщені у верхній частині стакана 7 отвори 8 і, потрапляючи в паровий тракт, здійснює парове розвантаження запірної чаші 5. Основна частина потоку пари обтікає непроникний сектор 11 довжиною дуги а-40-507 на закритому секторі поверхні стакана 7 і через прямокутні вікна 10, обмежені перемичками 12 зі скругленими кромками, підводиться в клапанний канал, утворений дифузорним сідлом 4 та запірною чашею 5. При цьому пара, що надходить в кільцевий канал основного затвора, натікає на непроникний сектор 11 стакана 7 і, затікаючи за нього через вікна 10, формує більш рівномірний потік по колу основного затвора клапана. При підніманні чаші 5 за допомогою штока б над дифузорним сідлом 4 на висоту повного ходу відбувається також повне відкриття розвантажувального регулюючого клапана, при якому внутрішня порожнина клапана сполучається з простором за клапаном, і пара з внутрішньої порожнини надходить в основний паровий потік, який через дифузорне сідло 4 та паровипускний канал З проходить в циліндр парової турбіни (на кресленні не показаний).

Завдяки наявності непроникного сектора на поверхні стакана 7 довжиною дуги а-40-50"7 відбувається перерозподіл потоку на вході в кільцевий канал основного затвора, що приводить до зменшення асиметрії потоку при його рухові в дифузорному каналі 3, яке сприяє зниженню 60 гідравлічного опору, через підвищення його відновлювальної властивості, а також запобіганню підвищеному зносу (спрацюванню) рухомих елементів клапана. Наявність перемичок 12 зі скругленими кромками між прямокутними вікнами 10 також сприяє зниженню збурень при проходженні потоку з додатковим наданням йому напрямку при входженні у паровипускний канал 3.

Таким чином, запропоноване технічне рішення виключає недолік конструктивного виконання розвантажувальних клапанів з боковим підведенням, пов'язаний з негативною дією потоку рухомої пари при його натіканні на передню частину основного затвора, особливо на перехідних режимах, що дозволяє знизити вібраційний вплив від динамічних навантажень та стабілізувати роботу клапана у всьому діапазоні його відкриття.

Для перевірки працездатності та функціонування запропонованого технічного рішення було проведено розрахункове дослідження з використанням конструкції діючого регулюючого клапана РК-2 циліндра високого тиску парової турбіни потужністю 200 МВт, особливості виконання якого характеризуються одностороннім боковим підведенням пари, наявністю розвантажувального клапана усередині запірної чаші основного затвора, сідла з кутом 127 розкриття дифузорної частини і стаканом, установленим ззовні запірної чаші, що сприймають динамічні навантаження від основного потоку пари. При цьому на відміну від відомих технічних рішень, досліджуваний зразок регулюючого клапана зі встановленим зовні основного затвора (запірної чаші) стаканом (фіг. 3), по нижній частині якого було виконано прямокутні вікна висотою, що відповідала ходу чаші клапана, а на частині дуги стакана, розташованій напроти вхідного патрубка по рівню виконання вікон, було виконано непроникну накладку (стінку) з перекриттям досліджуваного сектора довжиною 30, 40, 50, 60". Крім того, перемички між вікнами по зовнішній поверхні стакана було виконано із скругленими боковими кромками.

Для дослідження ефективності запропонованої конструкції виконано тривимірний газодинамічний розрахунок з моделюванням проходження парового потоку в паровому тракті клапана відомого виконання і запропонованого пристрою.

Згідно з характером руху потоку пари в проточній частині регулюючого клапана, обумовленого висотою піднімання чаші, перепадом тисків розрахунок проведено для трьох режимів роботи регулюючого клапана РК-2, що відповідають тепловому розрахунку паророзподілу турбіни: номінальний (Сіпот.), режим максимальної витрати через клапан (Стах.) і

Коо) режим малого відкриття чаші (Сн).

Вихідні параметри за умовами термодинамічного процесу для розрахункового дослідження руху пари в регулюючому клапані наведено в таблиці.

Тип робочого тіла - в'язка теплопровідна водяна пара.

Тип розрахункової сітки - тетраєдрична з призматичним підшаром.

Модель турбулентності - 5пеаг 5іге55 Тгтапзрогпі (551).

Таблиця (Відноснепідніманнячаші, м. | 006 | 037 | 0227

У розрахунках досліджено вплив довжини закритого непроникного сектора поверхні стакана з боку паровпускного каналу залежно від кута « перекритого сектора в діапазоні 30-60? на ефективність роботи клапана.

Змінення пропускної здатності регулюючого клапана аналізувалося за величиною віднаєного первнаду тисків

В

(0)

АР . . . . . . де - відносний перепад тисків, що характеризує змінення пропускної здатності регулюючого клапана; Ро. тиск загальмованого потоку на вході в клапан; Р» - статичний тиск на виході з дифузора.

Ефективність роботи дифузора виходячи з визначення коефіцієнта повних втрат к-1

Р Кк

Че 1 ба 2

Р Кк що

І з

В де 1 - тиск гальмування в горловому перерізі клапана; Р; - статичний тиск в горловому перерізі клапана; Ро - статичний тиск на виході з дифузора, ХК - показник ізоентропи для перегрітої пари.

За результатами розрахункового дослідження для пропуску заданої витрати пари при номінальному режимі роботи клапана зі стаканом без непроникного сектора відносний перепад тисків становив 3,3 95, а при наявності на поверхні стакана непроникного сектора - 2,1-2,4 Фр.

Таке зниження перепаду тисків спостерігалося у всьому діапазоні досліджуваних режимів, що свідчить про підвищення в 1,4-1,6 разу газодинамічної ефективності роботи регулюючого клапана запропонованого конструктивного виконання (фіг. 4).

У результаті дослідження змінення коефіцієнта повних втрат клапана у залежності від відносної висоти піднімання клапана установлено, що при номінальному режимі роботи для вихідного (відомого) варіанта конструктивного виконання коефіцієнт становив 0,841, а для варіантів з непроникним сектором поверхні стакана - у діапазоні 0,411-0,487 (фіг. 5) з підвищенням коефіцієнта втрат енергії через незначний відрив потоку від стінок дифузора в конструкціях з сектором довжиною 30" та 60" на режимі максимальної витрати пари.

Тому, найбільш ефективною є конструкція регулюючого клапана з непроникним сектором довжиною від 40 до 50", оскільки в такому варіанті конструкції має місце найменший відносний перепад тисків і найменший коефіцієнт повних втрат енергії для всіх досліджених режимів роботи регулюючого клапана.

Крім того, при розрахунковому моделюванні аналізом розподілу швидкості потоку пари уздовж парового тракту клапана і у визначальних перерізах клапанного каналу для вихідного варіанта та запропонованого варіанта регулюючого клапана з непроникним сектором протяжністю довжиною дуги а-30-60" на режимі номінальної витрати було встановлено таке. У вихідному варіанті регулюючого клапана відрив потоку від профільної поверхні сідла клапана спостерігався на всіх досліджуваних режимах через здійснення негативного впливу сформованої циркуляційної течії на відновлювальну роботу дифузора. У варіанті конструктивного виконання з непроникним сектором поверхні стакана при його обтіканні спостерігався більш рівномірний розподіл параметрів потоку в кільцевому каналі перед входом

Зо в клапанний канал, що свідчило про осесиметричну течію пари в зазорі між дифузорним сідлом і запірною чашею. У горловому перерізі каналу на виході з сідла спостерігалися більш рівномірне поле швидкостей і відсутність відриву струменя від обтічних стінок з підвищенням відновлювальної здатності дифузора для компенсування підвищених втрат енергії при обтіканні непроникного сектора і перемичок між вікнами стакана.

При цьому для запропонованого варіанта регулюючого клапана при надходженні на закритий сектор стакана в кільцевому каналі спостерігалося рівномірне розширювання пари при проходженні вікон з підвищенням статичного тиску в центральній частині основного затвора на відміну від вихідного варіанта, де потік піддавався найбільшому локальному прискоренню на конфузорній частині сідла.

За таких умов має місце значне підвищення відновлювальної здатності дифузора з рівномірним розподілом швидкості потоку в його вихідному перерізі, що підвищує надійність роботи всіх елементів системи паророзподілу турбоустановки.

Отже, проведені дослідження доводять, що встановлення непроникного сектора довжиною дуги кутом а-40-507 дозволяє підвищити газодинамічну ефективність регулюючого клапана за рахунок формування більш рівномірного потоку на вході в клапанний канал, а підвищення втрат енергії при обтіканні закритого сектора поверхні стакана скомпенсоване значним збільшенням відновлювальної здатності дифузора, при якому коефіцієнт повних втрат енергії в дифузорі і необхідний перепад тисків для досліджуваної моделі регулюючого клапана зменшено на 50 95.

Таким чином, запропонована конструкція регулюючого клапана зі встановленим стаканом з вікнами, що має з боку вхідного патрубка непроникний сектор з кутом 40-50? та обтічні перемички, дозволяє знизити динамічні навантаження в рухомих елементах клапана, обумовлені пульсаціями тисків парового потоку на вхідній ділянці клапанного каналу з одночасним підвищенням захисту від абразивного зношування елементів парового тракта клапана.

Пристрій є придатним для застосування як для знову проектованих, так і для регулюючих клапанів, які знаходяться в експлуатації.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Регулюючий клапан парової турбіни, що містить корпус із паровпускним і паровипускним каналами та затвором, виконаним зв'язаною зі штоком чашею, взаємодіючою із сідлом, стакан з отворами для проходу пари, який відрізняється тим, що коаксіально запірній чаші основного затвора встановлений стакан з отворами у верхній частині, у нижній частині якого для підведення пари в зазор між чашею та дифузорним сідлом виконано прямокутні вікна, розміщені по довжині окружності з утворенням з боку паровпускного каналу непроникного для пари закритого сектора поверхні стакана довжиною дуги 40-50", при цьому перемички між вікнами по зовнішній поверхні стакана виконано із скругленнями, а висота вікон стакана перевищує хід чаші клапана.

   КОДАХ ЛІ Ураирі Ше З ЕД дині и 9 Чен - ох й: що Де 3 2 и, г дк 5 Че си вах ; «НИЙ. ще нні, ОК Ж ща -ннв п и пря ; : ї АННИ хр ЧА КІ и А усе Д.

   Ди. б і СЕУ ; и ул АК Те й п/ А А - Фіг, 1

   А-А ІРО, са - - Ес, ог ери «ще о. Не їй З г. а У

   Фіг. 2 гі Бех ж. і с З КОКО Я о. ВЕ ОКХ я. ПОН она о. с о п. «Ко в

   Фіг. З

   АГ я Ше . / | ше а пах пі 015 (а чи вір нин с жи Ши ни ЖУК терен ДО Краї -ьяк о ЗО хкрад о - В -б0 град фіг. 4 ше, й ау Ше шах ач ве ! ! "я о» з, :

   0 п. 01 (15 0 0.25 Дії пен фер СЕМ) не НО град че ну ДО грат зей ЗО град - нен грам

   Фіг. 5