Турбинная установка с толкателем, а также толкатель

 

Турбинная установка с толкателем предназначена для использования в энергетике, в частности, в паротурбинной установке, содержащей по меньшей мере две парциальные турбины (2, 3а, 3b, 3с), каждая из которых имеет проходящий вдоль главной оси (4) турбинный ротор (5), а также внутренний корпус (7, 8а, 8b, 8с), в котором размещены направляющие лопатки (6). По меньшей мере один из внутренних корпусов (8а, 8b, 8с) выполнен с возможностью сдвига в осевом направлении, причем для осевого сдвига предусмотрен толкатель (9), удлиняющийся под действием температуры. Этот толкатель (9) имеет первый удлиняющийся компонент (10а) и второй удлиняющийся компонент (10b), которые соединены друг с другом соединительным элементом (11). Этот соединительный элемент (11) вызывает механическим или гидравлическим путем осевой сдвиг второго удлиняющегося компонента (10b), который больше температурного удлинения и/или основного сдвига первого удлиняющегося компонента (10а). Изобретение обеспечивает минимальный осевой зазор между ротором и внутренним корпусом турбины. 2 c. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к турбинной установке, в частности, к паротурбинной установке с по меньшей мере двумя частичными турбинами, каждая из которых имеет проходящий вдоль главной оси ротор турбины, причем роторы турбины жестко соединены друг с другом. Каждая турбина имеет внутренний корпус для размещения направляющих лопаток, причем по меньшей мере один из внутренних корпусов установлен с возможностью сдвига в осевом направлении. Для сдвига в осевом направлении этого внутреннего корпуса предусмотрен толкатель, удлиняющийся под действием температуры. Изобретение относится также к толкателю.

В DE 3522916 A1 описан турбинный блок, содержащий по меньшей мере одну частичную турбину низкого давления, имеющую внешний корпус и коаксиальный с ним внутренний корпус, и по меньшей мере одну частичную турбину высокого и/или среднего давления, расположенную соосно с частичной турбиной низкого давления и выше ее по потоку. Валы обеих частичных турбин жестко соединены друг с другом с образованием одного валопровода. Выше по потоку от частичной турбины низкого давления вынесен упорный подшипник для валопровода, который определяет плоскость отсчета, от которой отсчитывается осевое удлинение и смещение вала. Внутренний корпус с помощью передающих толкающее усилие соединительных стержней соединен с установленным с возможностью перемещения в осевом направлении концом смежного в осевом направлении корпуса частичной турбины или с корпусом турбинного подшипника. Соединительные стержни выведены через стенку внешнего корпуса герметично и с возможностью смещения под действием нагревания с помощью уплотнительных элементов, допускающих также ограниченное поперечное перемещение. Вынесенный перед частичной турбиной низкого давления турбинный подшипник определяет вторую плоскость отсчета, от которой отсчитываются осевое удлинение и сдвиг опирающегося на этот турбинный подшипник корпуса частичной турбины и соединенного с ним корпуса частичной турбины. За счет этого происходит осевой сдвиг валопровода и корпусов турбины на практически одинаковую величину осевого удлинения в одинаковом направлении, причем между смежными венцами рабочих и направляющих лопаток возникают только минимальные осевые сдвиги. Передача сдвига с помощью соединительных стержней перенесена в область передающих сдвиг турбинных подшипников. Кроме того, герметичный проход для соединительных стержней конструктивно объединен с горизонтально перемещающейся под действием тепла захватной опоры внутреннего корпуса частичной турбины низкого давления. Захватные рычаги внутреннего корпуса проходят в параллельном оси вала направлении и опираются выполненными с возможностью скольжения опорными и направляющими поверхностями на опоры соответствующего корпуса под подшипника. Соединительные стержни в области турбинных подшипников соединены с силовым замыканием с захватными рычагами, в частности, мембранное уплотнение для герметичного прохода герметично соединено внешним фланцем с торцевой поверхностью внешнего корпуса частичной турбины низкого давления и внутренним фланцем - с частью корпуса турбинного подшипника. Расположение уплотнительных элементов между посадочными поверхностями на торцевой стенке внешнего корпуса и на корпусе подшипника, т.е. между частями с малым относительным сдвигом, приводит к тому, что большие сдвиги под воздействием нагрева внутреннего корпуса не воздействуют на уплотнительные элементы.

В DE 1216322 описана паровая или газовая турбина с несколькими расположенными соосно друг за другом частичными турбинами, валы которых жестко соединены друг с другом и по меньшей мере, один из корпусов которых выполнен с возможностью осевого сдвига и соединен с неподвижным корпусом частичной турбины или с кронштейном подшипника. Корпуса низкого давления турбины состоят каждый из внешнего корпуса и внутреннего корпуса. Соединение внутреннего корпуса турбины низкого давления с соседним корпусом частичной турбины соответственно с кронштейном подшипника происходит с помощью рычажного механизма, который герметично и с возможностью перемещения под действием нагревания проходит через стенку внешнего корпуса. Рычажный механизм может представлять один рычаг, который герметизирован в стенке внешнего корпуса гибким в осевом и радиальном направлениях сильфоном. Кроме того, рычажный механизм может состоять из трех расположенных в осевом направлении друг за другом, шарнирно соединенных друг с другом рычагов, средний из которых может перемещаться в осевом направлении во втулке стенки внешнего корпуса с посадкой скольжения. С помощью такого рычажного механизма должен происходить осевой сдвиг корпуса, за счет чего осевой зазор между ротором и корпусами выдерживается возможно постоянным. Для изменения осевого зазора возможно изменять длину рычажного механизма за счет изменения его температуры. Это изменение температуры осуществляется за счет дополнительной тепловой нагрузки рычажного механизма с помощью пара или жидкости.

Такое изменение величины осевого зазора, при котором через трубу пропускают пар, описано в GB 1145612. Выполненная с возможностью осевого удлинения труба на каждой из ее торцевых сторон соединена с стержнем, каждый из которых в свою очередь соединен с внутренним корпусом частичной турбины низкого давления. Осевой сдвиг внутренних корпусов относительно ротора турбины складывается из соответствующего удлинения внутреннего корпуса, удлинения соединительных стержней, а также удлинения удлиняющихся труб. Температурное удлинение соединенных друг с другом внутренних корпусов определяется исходя из неподвижной точки, которая находится на внешнем корпусе расположенной по потоку в самом верху частичной турбины низкого давления. Эта исходная точка температурных удлинений внутренних корпусов отличается от исходной точки температурного удлинения ротора, которая определяется расположенным дальше вверх по потоку подшипником. Удлиняющиеся трубы через соответствующие компенсаторы соединены с соответствующими внешними корпусами частичных турбин низкого давления, так что абсолютное удлинение системы из внутренних корпусов и соединительных стержней должно улавливаться компенсаторами. Для обеспечения возможно большей неизменности между удлинением ротора турбины и системы из внутренних корпусов и соединительных стержней необходимо заданным способом подводить пар в удлиняющиеся трубы. Этот пар необходимо отводить из парового процесса или готовить отдельно. Кроме того, необходимо иметь систему регулирования и контроля, с помощью которой в зависимости от рабочего состояния паровых турбин в удлиняющиеся трубы подводят пар, необходимый для выравнивания осевого зазора.

Задачей изобретения является создание турбинной установки, в которой простым образом, в частности, без использования сложных систем регулирования и контроля, осевой зазор между ротором и внутренним корпусом остается ниже заданного значения. Другая задача изобретения состоит в том, чтобы создать соответствующий толкатель для уменьшения осевого зазора между ротором турбины и внутренним корпусом турбинной установки.

Связанная с турбинной установкой задача решается тем, что на сдвигаемом в осевом направлении внутреннем корпусе для осевого сдвига предусмотрен толкатель, удлиняющийся под действием температуры, который имеет первый удлиняющийся компонент и второй удлиняющийся компонент, которые с помощью соединительного компонента соединены друг с другом. Этот соединительный компонент обуславливает механическим и/или гидравлическим образом осевой сдвиг второго удлиняющегося компонента, который больше осевого сдвига и/или осевого температурного удлинения первого удлиняющегося компонента.

Соединительный компонент является, предпочтительно, механическим рычагом. Этот рычаг установлен с возможность поворота вокруг фиксированной точки, причем первый удлиняющийся компонент и второй удлиняющийся компонент в соответствующих местах соединены с рычагом также с возможностью поворота. Расстояние второго места соединения от фиксированной точки больше, чем расстояние первого места соединения от фиксированной точки. Сдвиг первого места соединения, вызванный температурным удлинением и/или сдвигом первого удлиняющегося компонента, вызывает тем самым поворот механического рычага вокруг его фиксированной точки. Так как рычажное плечо второго удлиняющегося компонента, т.е. расстояние между второй точкой соединения и фиксированной точкой, больше рычажного плеча первого удлиняющегося компонента, то механический рычаг вызывает осевой сдвиг второго удлиняющегося компонента, который направлен в ту же сторону и больше осевого сдвига первого места соединения.

За счет этого, в частности, при установке трех частичных турбин низкого давления, которые применяют для получения большой мощности при низкой температуре охлаждающей воды в паротурбинных установках, относительное удлинение третьего внутреннего корпуса низкого давления относительно турбинного ротора удерживается настолько малым, что между стационарными направляющими лопатками и вращающимися рабочими лопатками даже при полной нагрузке паротурбинной установки осевой зазор остается ниже заданного значения. За счет выбора соответствующих одинаково направленных рычажных плеч можно устанавливать осевой зазор на величину, которая в основном соответствует осевому зазору других частичных турбин низкого давления. Тем самым все частичные турбины низкого давления могут быть выполнены конструктивно одинаковыми.

Естественно, возможно также соединить все расположенные друг за другом в осевом направлении частичные турбины низкого давления через один толкатель с описанным простым шарнирным механизмом. За счет подходящего выбора рычажных плеч и тем самым соответствующего передаточного отношения можно создать для каждой частичной турбины низкого давления перемещения, которые уменьшают удлинение относительно турбинного ротора на заданное значение. В частности, можно устанавливать относительные удлинения неизменными. Возможно также соединять отдельные частичные турбины низкого давления друг с другом через жесткие толкатели без механических или гидравлических усилителей сдвига.

Соединительный компонент, который механическим и/или гидравлическим способом обеспечивает равнонаправленное усиление осевого сдвига и/или осевого удлинения первого удлиняющегося компонента, легко реализовать конструктивно, он не нуждается в сложном устройстве контроля и регулирования и в подводе пара через дополнительные трубопроводы. Тем самым посредством такого соединительного компонента при небольших конструктивных и эксплуатационных затратах можно достичь уменьшения осевого зазора между направляющими лопатками и рабочими лопатками турбинной установки, за счет чего можно повысить коэффициент полезного действия турбинной установки.

Толкатель вместе с опорой несущего внутренний корпус подшипника проходит, предпочтительно, через уплотнение внешнего корпуса, окружающего внутренний корпус. Уплотнение имеет, предпочтительно, выполненный с возможностью удлинения в осевом направлении уплотнительный сильфона. За счет совместного прохода достигается уменьшение числа проходов внешнего корпуса и тем самым упрощение конструкции.

Предпочтительным является то, что удлиняющееся сопряжение, охватывающее толкатель с усилителем сдвига (рычагом), внутренний корпус или несколько внутренних корпусов и при необходимости толкатели без усилителей сдвига (соединительные стержни), а также соединенные друг с другом роторы турбины имеют общую осевую неподвижную точку. Этой осевой неподвижной точкой при удлиняющемся сопряжении, состоящем из внешнего корпуса частичной турбины среднего давления и из внутреннего корпуса двух или более частичных турбин низкого давления, является предпочтительно турбинный подшипник, расположенный в осевом направлении перед всеми частичными турбинами и служащий для опоры внешнего корпуса частичной турбины среднего давления.

Задача, относящаяся к толкателю для уменьшения различного осевого удлинения двух независимо друг о друга вдоль главной оси удлиняющихся компонентов, в частности, ротора турбины и внутреннего корпуса турбинной установки, решается с помощью толкателя, содержащего первый удлиняющийся компонент, второй удлиняющийся компонент и соединительный компонент. Соединительным компонентом является предпочтительно выполненный с возможностью поворота вокруг фиксированной точки механический рычаг, с которым соединены с возможностью поворота первый удлиняющийся компонент и второй удлиняющийся компонент в соответствующих местах соединения. Второе место соединения отстоит от фиксированной точки на большее расстояние, чем второе место соединения. За счет этого при сдвиге первого места соединения за счет рычажного действия возникает усиление сдвига второго места соединения, которое тем самым сдвигается в осевом направлении дальше, чем первое место соединения. Толкатель может также иметь гидравлический усилитель сдвига, например, образованный сужающимся вдоль главной оси гидравлическим каналом, к обоим концам которого подсоединены первый удлиняющийся компонент и второй удлиняющийся компонент. Сдвиг первого удлиняющегося компонента в направлении сужения гидравлического канала приводит к вытеснению расположенной в нем несжимаемой жидкости в сужающуюся часть. Тем самым на основании постоянства объема гидравлическая жидкость проникает дальше в сужающуюся часть при ее вытеснении первым удлиняющимся компонентом. За счет этого с помощью несжимаемой гидравлической жидкости возникает усиление сдвига.

Турбинная установка с толкателем поясняется подробно на примере выполнения с помощью чертежей, на которых изображено: фиг.1 - паротурбинная установка в продольном разрезе; фиг. 2 - подшипник между двумя частичными турбинами низкого давления с толкателем в продольном разрезе; фиг.3 - толкатель согласно фиг.2 в виде сверху.

На фиг. 1 показана паротурбинная установка 1 с расположенными друг за другом вдоль главной оси 4 частичной турбиной 23 высокого давления, частичной турбиной 2 среднего давления и тремя по существу одинаковыми по конструкции частичными турбинами 3а, 3b, 3с низкого давления. Частичные турбины 3а, 3b, 3с низкого давления через паропровод 24 гидродинамически соединены с частичной турбиной 2 среднего давления. Частичная турбина 2 среднего давления имеет внешний корпус 22. Каждая из частичных турбин 3а, 3b, 3с низкого давления имеет соответствующий внутренний корпус 8а, 8b, 8с и окружающий внутренние корпуса 8а, 8b, 8с внешний корпус 14. На каждый внутренний корпус 8а, 8b, 8с опираются направляющие лопатки 6 для направления пара низкого давления. В каждом внутреннем корпусе 8а, 8b, 8с расположен проходящий вдоль главной оси 4 турбинный ротор 5, на котором установлены рабочие лопатки низкого давления. Частичная турбина 2 среднего давления имеет внутренний корпус 7. Между частичной турбиной 2 среднего давления и первой частичной турбиной 3а низкого давления и между соседними частичными турбинами 3а, 3b, 3с низкого давления предусмотрено по одному подшипнику 15. Этот подшипник 15 служит как для опоры турбинных роторов 5, так и для опоры соответствующего внутреннего корпуса 8а, 8b, 8с. Между частичной турбиной 23 высокого давления и частичной турбиной 2 среднего давления также предусмотрен подшипник 15а для опоры турбинных роторов этих частичных турбин 2, 23. В области опоры внутренних корпусов 8а, 8b, 8с на соответствующий подшипник 15 параллельно главной оси 4 проходит соединительный стержень 9а. Соответствующий соединительный стержень 9а соединяет частичную турбину 2 среднего давления с первой частичной турбиной 3а низкого давления, а также соседние внутренние корпуса 8а, 8b, 8с частичных турбин 3а, 3b, 3с низкого давления друг с другом. Внешний корпус 22, внутренние корпуса 8а, 8b, 8с, а также соединяющие их соединительные стержни 9а, 21 образуют удлиняющееся сопряжение, которое под действием горячего пара удлиняется аксиально в направлении главной оси 4. Образованное таким образом удлиняющееся сопряжение имеет неподвижную точку 20, которая находится на подшипнике 15а между частичной турбиной 23 высокого давления и частичной турбиной 2 среднего давления. Величина температурного удлинения, отсчитываемая от этой неподвижной точки 20 вдоль главной оси 4, показана линией 25 удлинения. Также показана соответствующая линия 26 удлинения жестко соединенных друг с другом турбинных роторов 5 частичной турбины 23 среднего давления и частичных турбин 3а, 3b, 3с низкого давления. За счет соединения частичных турбин 3а, 3b, 3с низкого давления в удлиняющееся сопряжение в комбинации с внешним корпусом частичной турбины 23 среднего давления используют отдельные тепловые удлинения для сдвига внутренних корпусов 8а, 8b, 8с в направлении не изображенного генератора вдоль главной оси 4. Тем самым вдоль главной оси суммируют все тепловые удлинения внутренних корпусов 8а, 8b, 8с, за счет чего уменьшают относительное удлинение относительно жестко соединенных между собой турбинных роторов 5. Сравнение линий 25 и 26 удлинения показывает, что несмотря на это на всей длине турбинной установки 1 имеется отличие в удлинении между турбинными роторами 5 и внутренним корпусом 8с последней частичной турбины 3с низкого давления. Это различие в удлинении обуславливает различный осевой зазор между направляющими лопатками 6 и рабочими лопатками 27 каждой частичной турбины 3а, 3b, 3с низкого давления.

За счет применения показанного подробно на фиг.2 и 3 толкателя 9 с усилением сдвига внутреннего корпуса 8а, 8b, 8с частичной турбины 3а, 3b, 3с низкого давления можно явно уменьшить это отличие в удлинении на заданную величину. Такой толкатель 9 можно установить в качестве замены одного соединительного стержня 9а между частичной турбиной 2 среднего давления и первой частичной турбиной 3а низкого давления, а также между смежными частичными турбинами 3а, 3b, 3с низкого давления. Его устанавливают предпочтительно между двумя последними частичными турбинами 3b и 3с низкого давления. Толкатель 9 имеет в основном стержнеобразный первый удлиняющийся компонент 10а и также в основном стержнеобразный удлиняющийся компонент 10b. Эти удлиняющиеся компоненты 10а, 10b соединены шарнирно друг с другом через соединительный элемент 11. Как показано на фиг.3, соединительный элемент является механическим рычагом, который установлен с возможностью поворота вокруг фиксированной точки 12. В каждом месте 13а, 13b соединения каждый удлиняющийся компонент 10а, 10b с помощью не изображенных штифтов поворотно соединен с соединительным элементом 11 с возможностью сдвига вдоль главной оси 4. Место 13а соединения находится ближе к фиксированной точке 12, чем место 13b соединения. При этом место 13а соединения находится между местом 13b соединения и фиксированной точкой 12 так, что сдвиг места 13а соединения вдоль главной оси 4 приводит к большему сдвигу места 13b соединения вдоль главной оси 4. Удлиняющиеся компоненты 10а, 10b проходят через соответствующий подшипник 15 и вместе с соответствующей опорной областью 28b, 28с проходят через соответствующий внешний корпус 14 соответствующей частичной турбины 3b, 3с низкого давления. Этот проход герметично уплотняется соответствующим уплотнением 16, причем уплотнение 16 в направлении главной оси 4 имеет удлиняемый уплотнительный сильфон 18. На опору 28а опирается внутренний корпус 8b, в который неподвижно ввинчен удлиняющийся компонент 10а. Соответственно на опору 28b опирается внутренний корпус 8с и в соответствующий опорный захват 17 этого внутреннего корпуса 8с неподвижно ввинчен удлиняющийся компонент 10b.

В зависимости от положения мест 13а, 13b соединения по отношению к фиксированной точке 12 можно с помощью соединительного элемента 11 регулировать усиление сдвига на заданное значение. Тем самым, соединительный элемент конструктивно простым и практически не требующим обслуживания образом реализует усиление сдвига без сложной системы регулирования, контроля и трубопроводов, как это было бы необходимо в случае усиления сдвига с помощью вызываемого паром повышения температуры.

Изобретение отличается толкателем в турбинной установке с несколькими частичными турбинами, с помощью которого механическим и/или гидравлическим путем достигается усиление сдвига. Толкатель имеет, предпочтительно, соединительный элемент, который представляет механический рычаг, с которым шарнирно соединены два толкающих стержня с различными, однако расположенными по одну сторону относительно фиксированной точки рычажными плечами. Создаваемое в осевом направлении усиление сдвига внутреннего корпуса одной частичной турбины позволяет уменьшить осевой зазор между рабочими лопатками турбинного ротора и направляющими лопатками внутреннего корпуса. Это приводит наряду с возможностью использования в основном конструктивно одинаковых внутренних корпусов, также к повышению коэффициента полезного действия всей турбинной установки. Турбинная установка является, предпочтительно, паротурбинной установкой с частичной турбиной высокого давления, частичной турбиной среднего давления и с двумя или более, в частности тремя частичными турбинами низкого давления. Естественно, что такой толкатель пригоден также для уменьшения осевого зазора в газотурбинной установке с несколькими частичными турбинами.

Формула изобретения

1. Турбинная установка (1), в частности паротурбинная установка, содержащая по меньшей мере две парциальные турбины (2, 3а, 3b, 3с), каждая из которых имеет проходящий вдоль главной оси (4) турбинный ротор (5), причем турбинные роторы (5) жестко соединены друг с другом, а также внутренний корпус (8а, 8b, 8с), в котором размещены направляющие лопатки (6), причем по меньшей мере один из внутренних корпусов (8а, 8b, 8с) выполнен с возможностью сдвига в осевом направлении и для осевого сдвига этого внутреннего корпуса (8а, 8b, 8с) предусмотрен толкатель (9), удлиняющийся под действием температуры, отличающаяся тем, что толкатель (9) имеет первый удлиняющийся компонент (10а) и второй удлиняющийся компонент (10b), которые соединены друг с другом соединительным элементом (11), причем соединительный элемент (11) вызывает механическим или гидравлическим путем осевой сдвиг второго удлиняющегося компонента (10b), который больше температурного удлинения и/или осевого сдвига первого удлиняющего компонента (10а).

2. Турбинная установка (1) по п. 1, причем соединительный элемент (11) выполнен с возможностью поворота вокруг фиксированной точки (12) механическим рычагом, с которым соединены с возможностью поворота первый удлиняющийся компонент (10а) и второй удлиняющийся компонент (10b) в соответствующем месте (13а, 13b) соединения, второе место (13b) соединения удалено от фиксированной точки (12) на большее расстояние, чем первое место (13а) соединения.

3. Турбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере одна соединенная с толкателем (9) парциальная турбина (3а, 3b, 3с) имеет окружающий внутренний корпус (8а, 8b, 8с) внешний корпус (14), причем толкатель (9), а также опора (28а, 28b) подшипника (15), на которую опирается внутренний корпус (8а, 8b), совместно проходят через уплотнитель (16).

4. Турбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой содержащее толкатель (9) осевое удлиняющееся сопряжение и соединенные между собой турбинные роторы (5) имеют общую неподвижную точку (20), расположенную на оси.

5. Турбинная установка (1) по любому из предшествующих пунктов, содержащая одну парциальную турбину (2) среднего давления и по меньшей мере две парциальные турбины (3а, 3b) низкого давления, причем внутренние корпуса (8а, 8b) парциальных турбин (3а, 3b) низкого давления соединены с толкателем (9).

6. Турбинная установка (1) по п. 5, в которой парциальная турбина (2) среднего давления имеет внешний корпус (22), который через толкающее соединение (21) соединен с внутренним корпусом (8а) расположенной ниже по потоку в осевом направлении парциальной турбины (3а) низкого давления, и соединенный с внешним корпусом (22) подшипник (15а) образует расположенную на оси неподвижную точку (20) для осевого температурного удлинения.

7. Толкатель (9) для уменьшения различных температурных осевых удлинений между двух независимо друг от друга удлиняющихся вдоль главной оси (4) компонентов, в частности, турбинных роторов (5) и внутренних корпусов (7, 8а, 8b, 8с) турбинной установки, содержащий первый удлиняющийся компонент (10а), второй удлиняющийся компонент (10b) и соединительный элемент (11), причем соединительный элемент (11) является выполненным с возможностью поворота вокруг фиксированной точки (12) механическим рычагом, с которым соединены с возможностью поворота первый удлиняющийся компонент (10а) и второй удлиняющийся компонент (10b) в соответствующем месте (13а, 13b) соединения, и второе место (13b) соединения удалено от фиксированной точки (12) на большее расстояние, чем первое место (13а) соединения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3