Регулировочный клапан и турбина

Изобретение относится к регулировочному клапану для регулирования газообразного объемного потока среды, в частности объемного потока пара. Регулировочный клапан (1) предназначен для регулирования газообразного объемного потока, в частности объемного потока (2) пара, при этом содержит корпус (3) клапана, седло (5) клапана, а также дроссельный элемент (6) клапана, который может перемещаться относительно седла (5) клапана вдоль оси (7) перемещения. Причём корпус (3) придает облик седлу (5) клапана, а перемещаемый дроссельный элемент (6) клапана содержит взаимодействующую с седлом (5) клапана область (10) кромки дросселя. Регулировочный клапан (1) содержит несколько взаимодействующих с областью (10) кромки дросселя элементов (15) завихрения объемного потока, которые предотвращают или, по меньшей мере, уменьшают нестабильности в вихревом слое между областью пристеночного газообразного объемного потока и областью сердцевины газообразного объемного потока. Изобретение позволяет предотвратить нежелательные резонансные эффекты на регулировочном клапане. Изобретение также относится к турбине, в частности паровой турбине, с множеством клапанных устройств. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к регулировочному клапану для регулирования газообразного объемного потока среды, в частности, объемного потока пара, с корпусом клапана, с седлом клапана и с перемещаемым относительно седла клапана вдоль оси перемещения дросселирующим элементом клапана, при котором корпус клапана придает форму седлу клапана и при котором способный к перемещению дросселирующий элемент клапана содержит взаимодействующую с седлом клапана область кромки дросселя.

Изобретение также относится к турбине, в частности, паровой турбине, с множеством клапанных устройств.

Соответствующие родовому признаку регулировочные клапаны известны, в частности, для паровых турбин. Если такого рода регулировочные клапаны эксплуатируют, например, эксплуатационном состоянии с дросселированием, то есть не в полностью открытом или закрытом эксплуатационном состоянии регулировочного клапана, то во внутреннем пространстве потока регулировочного клапана возникает почти всегда характерная картина потока, которая отличается главным образом образованием области пристеночных потоков со скоростями протекания потоков, которые существенно выше скоростей протекания потоков в области сердцевины объемного потока.

В этом отношении различные скорости протекания потоков обуславливают возникновение вихревого слоя между областью пристеночных потоков протекающего через регулировочный клапан объемного потока и областью сердцевины протекания этого объемного потока с высокими градиентами скорости, которыми часто нельзя пренебречь.

Как из экспериментальных, так и числовых исследований характеристики потока для таких регулирующих клапанов известно, что в вихревом слое возможно возникновение нестабильностей, которые могут обусловить критические резонансные эффекты в области потока регулировочного клапана. В результате этого в худшем случае может возникнуть такого рода нежелательное возбуждение структуры регулировочного клапана, которое может привести к повреждению этой структуры регулировочного клапана.

Для противодействия этим резонансным эффектам известно размещение в области седла клапана на корпусе клапана выпрямителя потока, который может содействовать положительному влиянию на вихревой слой. Конечно, эти встроенные элементы в форме выпрямителей потока почти всегда ведут к существенным потерям потока, в результате чего происходит снижение общей мощности турбины или паровой турбины.

В документе US 5,150,736 раскрыт клапан, который содержит цилиндрический орган запирания клапана и кольцеобразное седло клапана.

Задачей изобретения является усовершенствование соответствующих родовому признаку регулировочных клапанов.

Задача решена с помощью изобретений, охарактеризованных признаками независимых пунктов 1 и 10.

Задача решена с помощью регулировочного клапана для регулирования газообразного объемного потока, в частности, объемного потока пара, с корпусом клапана, седлом клапана и дросселирующим элементом клапана, который может перемещаться относительно седла клапана вдоль оси перемещения, при котором корпус клапана придает форму седлу клапана и при котором способный перемещаться дроссельный элемент клапана содержит взаимодействующую с седлом клапана область кромки дросселя, причем регулировочный клапан содержит несколько взаимодействующих с областью кромки дросселя элементов завихрения объемного потока, которые предотвращают или, по меньшей мере, уменьшают нестабильности вихревого слоя в вихревом слое между областью пристеночного газообразного объемного потока и областью сердцевины газообразного объемного потока.

С помощью взаимодействующих с областью кромки дросселя элементов завихрения объемного потока манипуляцию вихревым слоем между областью пристеночного газообразного объемного потока и областью сердцевины газообразного объемного потока или позитивное влияние на него можно осуществлять исходя из того, что происходит уменьшение или предотвращение критических нестабильностей в области вихревого слоя газообразного объемного потока.

В частности, при этом происходит существенно лучшее перемешивание вихревого слоя.

За счет этого в конструктивном отношении можно весьма простым образом предотвращать нежелательные резонансные эффекты на регулировочном клапане или, по меньшей мере, демпфировать их таким образом, что, в частности, можно предотвратить нанесение ущерба структуре регулировочного клапана.

Дальнейшее улучшение перемешивания вихревого слоя может быть достигнуто, если элементы завихрения объемного потока выполнены в окружном направлении, по меньшей мере, частично, с различной длиной.

Конструктивно данный регулировочный клапан может быть выполнен различным образом, если он может служить для запирания или, по меньшей мере, дросселирования газообразного объемного потока.

В отношении предпочтительной области использования на паровой турбине предусмотрено, что газообразный объемный поток представляет собой объемный поток пара.

Таким образом, задачу изобретения решают также с помощью турбины, в частности, паровой турбины, с множеством клапанных устройств, причем, по меньшей мере, одно из клапанных устройств содержит регулировочный клапан по одному из описанных здесь признаков.

Предпочтительным образом коэффициент полезного действия турбины, в частности, паровой турбины, существенно повышают, если, по меньшей мере, важные клапанные устройства турбины или паровой турбины содержат выполненный, согласно изобретению, регулировочный клапан.

Действующие в качестве турбулизаторов элементы завихрения объемного потока, действующие в газообразном объемном потоке, могут быть при этом расположены, например, на незначительном расстоянии перед – при рассмотрении в направлении потока – областью кромки дросселя на корпусе клапана.

Для поддержания потерь потока в регулирующем клапане на по возможности малом уровне выступающая за внутреннюю сторону корпуса клапана высота этих элементов завихрения объемного потока должна быть выполнена столь малой, насколько это возможно.

Поскольку критический вихревой слой проявляет себя главным образом исключительно в эксплуатационном состоянии с дросселированием регулировочного клапана, ограничение по высоте элементов завихрения объемного потока не оказывает влияния на его эффективность или оказывает влияние, которым можно пренебречь.

Кроме того, возможно поддержание потерь давления в регулировочном клапане в допустимых рамках или пределах, которыми можно пренебречь.

Если элементы завихрения объемного потока расположены на корпусе клапана концентрически вокруг оси перемещения относительно области кромки дросселя, то возможна особенно эффективная обширная манипуляция вихревым слоем. Элементы завихрения могут быть расположены также асимметрично в окружном направлении.

Дополнительно или альтернативно предпочтительным является расположение элементов завихрения объемного потока концентрически вокруг оси перемещения в области кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента клапана. С помощью элементов завихрения объемного потока, интегрированных непосредственно в область кромки дросселя, также могут быть достигнуты предпочтительные эффекты изобретения.

Следует учесть, что элементы завихрения объемного потока могут быть расположены почти любым образом концентрически вокруг оси перемещения, в частности, равномерно распределены. При этом не играет никакой роли то, расположены ли элементы завихрения объемного потока на седле клапана или в области кромки дросселя.

Эффекты относительно вихревого слоя, в частности, перемешивание вихревого слоя, могут быть особенно хорошо выражены, если область кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента клапана выполнена асимметрично на стороне, обращенной к седлу клапана.

В этом отношении предпочтительно, если область кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента клапана выполнена асимметрично в своем окружном направлении. Также посредством этого можно весьма хорошо влиять на перемешивание вихревого слоя.

За счет изменения геометрии области кромки дросселя может быть оказано позитивное влияние на вихревой слой, в частности, достигнуто улучшенное перемешивание.

Само собой разумеется, что элементы завихрения объемного потока могут быть реализованы самым различным образом.

В конструктивном отношении они могут быть реализованы весьма несложным образом, если область кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента клапана содержит выемки в материале и/или перемычки материала.

Эти выемки в материале и/или концентрации материала могут особо хорошо действовать специально в состоянии дросселирования регулировочного клапана, если выемки в материале и/или перемычки материала обращены к седлу клапана.

Эффекты в отношении вихревого слоя могут быть особенно хорошо выражены, если выемки в материале и/или перемычки материала расположены в окружном направлении области кромки дросселя неравномерно распределенными на дроссельном элементе клапана.

Дальнейшее улучшение перемешивания вихревого слоя может быть достигнуто, если выемки в материале и/или перемычки материала выполнены в окружном направлении, по меньшей мере, частично, с различной длиной.

Применительно к особо предпочтительному исполнению изобретения область кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента клапана может иметь на обращенной к седлу клапана стороне корончатую форму с зубцами.

Зубцы корончатой формы могут быть несложно в конструктивном отношении реализованы посредством изменения проходящих в окружном направлении выемок в материале и перемычек материала.

В этом отношении корончатая форма может быть выполнена асимметричной или симметричной, так что может присутствовать равномерно или неравномерно выполненная корончатая форма.

Дальнейшие признаки, эффекты и преимущества настоящего изобретения поясняются на основании приложенных чертежей и последующего описания, в котором в форме примера изображены и описаны регулировочный клапан и выполненные различным образом области кромки дросселя показанных в примерном виде дроссельных элементов клапана.

Фиг. 1 схематично иллюстрирует вид модели регулировочного клапана для регулирования объемного потока пара с множеством взаимодействующих с областью кромки дросселя элементов завихрения объемного потока, которые предотвращают нестабильности вихревого слоя в вихревом слое между областью пристеночного потока газообразного объемного потока и областью сердцевины газообразного объемного потока;

Фиг. 2 схематично иллюстрирует перспективный вид другого дроссельного элемента клапана с несколькими элементами завихрения объемного потока, расположенными в окружном направлении симметрично в области кромки дросселя; и

Фиг. 3 схематично иллюстрирует перспективный вид следующего дроссельного элемента клапана с несколькими элементами завихрения объемного потока, расположенными в окружном направлении асимметрично в области кромки дросселя.

Показанный на фиг. 1 регулировочный клапан 1 для регулирования или, по меньшей мере, дросселирования специально объемного потока 2 пара содержит корпус 3 клапана с внутренним пространством 4 потока, на внутренней стороне которого (без отдельного присвоения ссылочного обозначения) выполнено имеющее коническую форму седло 5 клапана.

В корпусе 3 клапана расположен перемещаемый относительно седла 5 клапана дроссельный элемент 6 клапана, причем этот дроссельный элемент 6 клапана может перемещаться вдоль оси 7 перемещения.

При этом объемный поток 2 пара проходит через регулировочный клапан 1 в направлении 8 прохождения потока.

Дроссельный элемент 6 клапана содержит область 10 кромки дросселя, которая может взаимодействовать со смонтированным в корпусе 3 клапана седлом 5 клапана тем сильнее, чем ближе дроссельный элемент 6 клапана перемещается к седлу 5 клапана. Это происходит, в частности, в случае, если регулировочный клапан 1 эксплуатируют в эксплуатационном состоянии дросселирования, при котором дроссельный элемент 6 клапана расположен на расстоянии от седла 5 клапана с меньшим зазором, нежели при открытом эксплуатационном состоянии регулировочного клапана 1.

Область 10 кромки дросселя выполнена, по меньшей мере, частично с конической или тороидальной формой, в результате чего он совместим с имеющим коническую форму седлом 5 клапана.

Область 10 кромки дросселя простирается при этом в форме кольца вокруг оси 7 перемещения.

Далее, на одном конце 11 дроссельного элемента 6 клапана, обращенного к седлу 5 клапана, выполнена область 10 кромки дросселя.

Во избежание нестабильностей в вихревом слое или, по меньшей мере, их уменьшения регулировочный клапан 1 содержит множество взаимодействующих с областью 10 кромки дросселя элементов 15 завихрения объемного потока (только с примерным присвоением ссылочного обозначения), с помощью которых достигают существенно лучшего перемешивания вихревого слоя (не показан), в результате чего можно предотвратить или, по меньшей мере, уменьшить градиенты скорости между областью пристеночного объемного потока 2 пара (не изображен) и областью сердцевины (не изображена) объемного потока 2 пара.

В показанном на фиг. 1 примере исполнения элементы 15 завихрения объемного потока расположены концентрически вокруг оси 7 перемещения на корпусе 3 клапана и относительно области 10 кромки дросселя.

При этом элементы 15 завихрения объемного потока на корпусе 3 клапана выполнены в форме концентраций 16 материала, которые проявляются на седле 5 клапана.

Показанный на фиг. 1 регулировочный клапан 1 вставлен в качестве дроссельного клапана в клапанное устройство паровой турбины 17, не изображенной здесь более подробно.

В случае показанного на фиг. 2 другого дроссельного элемента 106 клапана, который может быть составной частью регулировочного клапана 1, аналогичного показанному на фиг. 1, причем относящийся к другому дроссельному элементу 106 клапана регулировочный клапан не показан.

Дроссельный элемент 106 клапана содержит выполненную, по меньшей мере, частично с конической формой область 110 кромки дросселя, которая симметрично выполнена на стороне 120, обращенной к седлу 5 клапана (см. в качестве примера фиг. 1).

В области 110 кромки дросселя дроссельного элемента 106 клапана расположено множество элементов 115 завихрения объемного потока, которые в этом примере исполнения выполнены в качестве выемок 121 в материале в области 110 кромки дросселя.

Выемки 121 в материале обуславливают также наличие перемычек 122 материала в области 110 кромки дросселя, причем соответственно две перемычки 122 материала ограничивают выемку 121 в материале сбоку в окружном направлении 123 области 110 кромки дросселя и наоборот.

Эти выемки 121 в материале выполнены в качестве гнездовых областей в области 110 кромки дросселя и предотвращают нестабильности в вихревом слое между областью пристеночного потока объемного потока пара и областью сердцевины объемного потока пара.

Выемки 121 в материале или перемычки 122 материала расположены на дроссельном элементе 106 клапана равномерно в окружном направлении 123 области 110 кромки дросселя.

В каждом случае область 110 кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента 106 клапана выполнена на своей обращенной к седлу 5 клапана стороне 124 в форме 125 зубчатой короны, причем зубья сформованы из перемычек 122 материала.

С помощью выполненного таким образом дроссельного элемента 106 клапана могут быть кумулятивно или альтернативно предотвращены нестабильности в вихревом слое между областью пристеночного объемного потока 2 пара (см. в качестве примера фиг. 1) и областью сердцевины объемного потока 2 пара.

При показанном на фиг. 3 следующем дроссельном элементе 206 клапана, который имеет приблизительно такую же конструкцию, что и показанный на фиг. 2 другой дроссельный элемент 106 клапана, предусмотренные в области 210 кромки дросселя выемки 221 в материале или перемычки 222 материала распределены неравномерно на дроссельном элементе 206 клапана в окружном направлении 223 области 210 кромки дросселя, в результате чего может быть достигнуто дополнительное усиление эффектов относительно предотвращения нестабильностей в вихревом слое между областью пристеночного объемного потока 2 пара (см. в качестве примера фиг. 1) и областью сердцевины объемного потока 2 пара.

Выработанные в области 210 кромки дросселя выемки 221 в материале и также сообщающиеся в этом отношении с ними перемычки 222 материала выполнены с различной длиной в окружном направлении 223 области 210 кромки дросселя.

Также этот следующий дроссельный элемент 206 клапана может быть составной частью регулировочного клапана 1, аналогичного показанному на фиг. 1, причем также относящийся к другому дроссельному элементу 206 клапана регулировочный клапан не изображен.

Таким образом, дроссельный элемент 206 клапана содержит, по меньшей мере, частично выполненную с конической формой область 210 кромки дросселя, которая, однако, выполнена асимметрично на обращенной к седлу 5 клапана стороне 224 (см. в качестве примера фиг. 1).

В этом отношении в области 210 кромки дросселя дроссельного элемента 206 клапана также присутствует множество элементов 215 завихрения объемного потока, которые показаны в изображенном на фиг. 3 примере исполнения как выемки 221 в материале в форме гнездовых областей в области 210 кромки дросселя.

Выемки в материале 221 или перемычки 222 материала расположены в окружном направлении 223 области 210 кромки дросселя с неравномерным распределением на дроссельном элементе 206 клапана.

Также и область 210 кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента 206 клапана реализована на своей обращенной к седлу 5 клапану стороне 224 в форме 225 зубчатой короны.

Несмотря на то, что изобретение было более подробно проиллюстрировано в деталях и описано с помощью предпочтительного примера исполнения, оно не ограничено этим раскрытым примером исполнения, и специалист может вывести из этого другие вариации без выхода за объем защиты изобретения.

1. Регулировочный клапан (1) для регулирования газообразного объемного потока, с корпусом (3) клапана, седлом (5) клапана и дроссельным элементом (6; 106; 206) клапана, который выполнен с возможностью перемещения относительно седла (5) клапана вдоль оси (7) перемещения, при котором корпус (3) клапана определяет форму седла (5) клапана и при котором перемещаемый дроссельный элемент (6; 106; 206) клапана содержит взаимодействующую с седлом (5) клапана область (10; 110; 210) кромки дросселя,

причем регулировочный клапан (1) содержит множество взаимодействующих с областью (10; 110; 210) кромки дросселя элементов (15; 115; 215) завихрения объемного потока, которые предотвращают или, по меньшей мере, уменьшают нестабильности в вихревом слое между областью пристеночного газообразного объемного потока и областью сердцевины газообразного объемного потока, отличающийся тем, что перемещаемый дроссельный элемент (106; 206) клапана содержит выемки (121; 221) в материале и/или перемычки (122; 222) материала, причем выемки (221) в материале и/или перемычки (222) материала выполнены в окружном направлении по меньшей мере частично с различной длиной.

2. Клапан по п. 1, в котором элементы (15) завихрения объемного потока расположены концентрически вокруг оси (7) перемещения относительно области (10) кромки дросселя на корпусе (3) клапана.

3. Клапан по п. 1 или 2, в котором элементы (15) завихрения объемного потока расположены концентрически вокруг оси (7) перемещения в области (110; 210) перемещаемого дроссельного элемента (106; 206) клапана.

4. Клапан по любому из пп. 1-3, в котором область (210) кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента (206) клапана выполнена асимметричной на обращенной к седлу (5) клапана стороне (224).

5. Клапан по любому из пп. 1-4, в котором область (210) кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента (206) выполнена асимметричной в своем окружном направлении (223).

6. Клапан по любому из пп. 1-5, в котором выемки (121; 221) в материале и/или перемычки (122; 222) материала обращены к седлу (5) клапана.

7. Клапан по любому из пп. 1-6, в котором выемки (221) в материале и/или перемычки (222) материала расположены в окружном направлении (223) области (210) кромки дросселя с неравномерным распределением на дроссельном элементе (206) клапана.

8. Клапан по любому из пп. 1-7, в котором область (110; 210) кромки дросселя перемещаемого дроссельного элемента (106; 206) клапана имеет на обращенной к седлу (5) клапана стороне (123; 223) форму (125; 225) зубчатой короны.

9. Клапан по любому из пп. 1-8, в котором газообразный объемный поток представляет собой объемный поток (2) пара.

10. Турбина с множеством клапанных устройств, причем по меньшей мере одно из клапанных устройств содержит регулировочный клапан (1) по любому из пп. 1-9.

11. Турбина по п. 10, которая выполнена в виде паровой турбины (17).