CZ310106B6 - Deflektor turbíny - Google Patents

Abstract

Deflektor turbíny obsahuje límec (3) nerotačního tvaru mající základnu s kruhovým středovým otvorem tvořící rozhraní (6) pro připevnění deflektoru k výstupu (2) z vnitřního tělesa turbíny v rovině (YZ). Proměnný průřez límce (3) je v množině radiálních rovin, procházejících podélnou osou (O) turbíny a deflektoru, tvořen množinou tvořících křivek (k) tvaru měnícího se v závislosti na konkrétním místě obvodu límce (3). Každá z tvořících křivek (k) tvoří vnitřní povrch límce (3) a má počáteční bod (X0) ležící na rozhraní (6), koncový bod (X2), který má ze všech bodů dané tvořící křivky (k) největší vzdálenost od podélné osy (O) turbíny a deflektoru, a mezilehlý bod (X1), jehož vzdálenost od podélné osy (O) je větší než vzdálenost počátečního bodu (X0) a menší než vzdálenost koncového bodu (X2). Řez deflektorem v rovině (XZ) je osově nesouměrný podle roviny (XY) proložené podélnou osou (O) a zároveň je odlišný od řezu v rovině (XY).

Description

Oblast techniky

Navrhovaný vynález spadá do oblasti konstrukčních součástí turbín (zejména parních nebo plynových), které mají výstup pracovní tekutiny z vnější skříně v radiálním směru.

Dosavadní stav techniky

Turbíny (zejména parní i plynové) obsahují vnitřní těleso s rotorem (tzv. průtočnou část), které je umístěné ve vnějším tělese. Vnější těleso mimo jiné zachycuje a usměrňuje pracovní tekutinu (pára, spaliny apod.), která vystupuje z výstupu vnitřního tělesa za posledním lopatkovým stupněm rotoru. Vnější těleso je opatřené radiálním odvodem pracovní tekutiny. Parní turbína má zpravidla spodní odvod doplněný kondenzátorem. Plynová turbína má zpravidla horní odvod případně doplněný tepelným výměníkem. Lze uvažovat i boční odvod.

Vnitřní těleso turbíny se podle stavu techniky opatřuje na výstupu prstencovým deflektorem. Jedná se o rotační těleso (je orotováno kolem osy stroje) a všechny jeho příčné řezy mají stejný tvar. Jedním z úkolů deflektoru je usměrnění a zpomalení proudu, čímž dochází ke změně tlaku pracovní tekutiny vystupující z vnitřního tělesa turbíny. Pracovní tekutina totiž vystupuje z horizontálně orientovaného vnitřního tělesa turbíny v axiálním směru a při průchodu difuzorem dochází ke změně trajektorie proudnic proudící pracovní tekutiny do radiálního směru. To je způsobeno omezením jejího pohybu v axiálním směru pomocí zadní stěny vnějšího tělesa, případně na ní umístěným deflektorem. U vnějšího tělesa se spodním nebo horním odvodem je změna směru proudění z axiálního do radiálního směru zatížena nerovnoměrným rozložením proudového pole ve vertikální rovině YZ. Největší rozdíl je v porovnání proudového pole nad dělící rovinou turbíny a pod dělící rovinou turbíny (tj. nad a pod rovinou XY). Je to způsobeno zejména tvarem výstupního traktu s odvodem pracovní tekutiny, kde pracovní tekutina má tendenci proudit ve směru odvodu z vnějšího tělesa turbíny (např. do nástavby kondenzátoru). Díky tomu dochází na straně vnějšího tělesa, která je protilehlá k odvodu pracovní tekutiny, k lokálnímu nárůstu tlaku pracovní tekutiny. To v konečném důsledku vede k nižší účinnosti a menšímu provoznímu rozsahu turbíny.

Tento problém lze podle dosavadního stavu techniky řešit úpravou tvaru vnějšího tělesa turbíny. Jedním řešením je u vnějšího tělesa se spodním odvodem zvětšení objemu části vnějšího tělesa nad dělicí rovinou. Vnější těleso pak může být v horní části plošší a v oblasti dělící roviny rozšířené. Tento způsob řešení je ale ekonomicky náročnější.

Zejména u parních turbín se vyskytuje ve výstupním traktu difuzorová část za účelem dosažení co nejnižšího statického tlaku za poslední lopatkou a tím dosáhnout vyššího výkonu turbíny. Tlak v kondenzátoru je přímo závislý na teplotě chladící vody, a proto se výkon turbíny mění s ohledem na roční období. Snahou je vhodnou konstrukcí difuzorové části dosáhnout ideálně za posledním lopatkovým stupněm nižšího tlaku než v kondenzátoru. Samozřejmostí je mít rovnoměrné proudové pole po celém obvodu za posledním lopatkovým stupněm. Problematika nerovnoměrného proudového pole je znatelná i u více tělesové turbíny, kde jednotlivá tělesa mají taktéž radiální vyproudění. Zrovnoměrněním proudového pole samo o sobě taktéž přináší nezanedbatelné přínosy na výkonu stroje.

Dokument CN 211819541 U popisuje prstencový deflektor parní turbíny. Deflektor má rotační tvar a je opatřen připevňovací sestavou pro připevnění k turbíně. Připevňovací sestava obsahuje dvě spolupracující obloukovitě tvarované fixační desky, které vzájemným stažením fixují deflektor na turbíně.

- 1 CZ 310106 B6

Dokument CN 204175657 U popisuje prstencový deflektor pro velké ventilátory. Deflektor má rozšiřující se trychtýřovitý rotační tvar, který je na straně o větším průměru opatřen přírubou s montážními šroubovými otvory a celoobvodovou drážkou.

Dokument CN 115008136 A popisuje svařovací formovací zařízení pro výrobu prstencového deflektoru turbíny. Zařízení obsahuje množinu obloukovitě tvarovaných desek a množinu obloukovitě tvarovaných tyčí, které podepírají řečené desky. Zařízení je využitelné pro výrobu deflektoru majícího rotační tvar.

Dokument CN 218151077 U popisuje systém pro ruční vyvažování rotoru parní turbíny montážním otvorem v deflektoru. Deflektor má rotační tvar a je opatřen uzavíratelným otvorem, skrz který lze při odstávce turbíny instalovat nebo demontovat protizávaží na jednotlivé lopatky rotoru.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je tvar deflektoru turbíny. Deflektor obsahuje límec mající základnu s kruhovým středovým otvorem, která tvoří rozhraní pro připevnění deflektoru k výstupu z vnitřního tělesa turbíny podle stavu techniky. Rozhraní určuje rovinu YZ kolmou k podélné ose turbíny a deflektoru. Rovina YZ je při praktickém užití deflektoru rovina vertikální, kolmá na podélnou osu turbíny (tj. na osu rotace rotoru turbíny). Rozhraní může být k vnitřnímu tělesu turbíny připevněno tak, že se deflektor stane nedílnou součástí vnitřního tělesa turbíny (např. přivařeno, lepeno atd.). Z výrobních a provozních důvodů je však výhodné, pokud je deflektor s vnitřním tělesem turbíny spojen rozebíratelným spojem. V takovém případě může být rozhraní opatřeno přírubou se středovým otvorem. Příruba je opatřená vnitřní dosedací plochou v rovině YZ pro připevnění k výstupu z vnitřního tělesa turbíny, a vnější plochou, kterou je připevněna k límci. Pomocí příruby pak může být deflektor spojen s vnitřním tělesem turbíny rozebíratelným (např. šroubovým) spojem.

Límec je těleso nerotačního tvaru z plochého profilu, které je souměrné nebo nesouměrné podle vertikální roviny XZ proložené podélnou osou turbíny a deflektoru, kolmé na rovinu YZ.

Volný okraj tohoto plochého profilu, který je odlehlý od rozhraní, je v radiálním směru (tj. ve směru od podélné osy turbíny a deflektoru) vytvarován do proměnného průřezu límce.

Proměnný průřez límce je v množině radiálních rovin, procházejících podélnou osou turbíny a deflektoru, tvořen množinou tvořících křivek tvaru měnícího se v závislosti na konkrétním místě obvodu límce. Všechny jednotlivé, vzájemně odlišné, profily límce v množině řečených radiálních rovin na sebe v obvodovém směru roviny YZ plynule navazují. To znamená, že jsou přechody tvaru límce co nejvíce plynulé, bez skokových změn tvaru.

Každá z uvedené množiny tvořících křivek tvoří vnitřní povrch límce a má:

- počáteční bod X0 ležící na rozhraní;

- koncový bod X2, který má ze všech bodů dané tvořící křivky největší vzdálenost od podélné osy turbíny a deflektoru;

- a mezilehlý bod X1, jehož vzdálenost od podélné osy turbíny a deflektoru je větší než vzdálenost počátečního bodu X0 a menší než vzdálenost koncového bodu X2.

Mezilehlý bod X1 je zároveň jediným bodem příslušné tvořící křivky, v němž je tečna této tvořící křivky rovnoběžná s rovinou YZ. Kolmá vzdálenost mezilehlého bodu X1 od roviny YZ je největší ze všech bodů dané tvořící křivky. Jedná se vzdálenost ve směru od vnitřního tělesa

- 2 CZ 310106 B6 turbíny - pak tedy platí, že rovina proložená koncovým bodem X2, která je rovnoběžná s rovinou YZ, se nachází mezi rovinou YZ a mezilehlým bodem X1. Mezilehlý bod X1 je tak nejvzdálenější bod od vnitřního tělesa turbíny ve směru proudu pracovní tekutiny po výstupu z vnitřního tělesa turbíny.

Proměnný průřez límce se v axiálním směru (tj. ve směru od rozhraní k mezilehlým bodům X1 tvořících křivek) zvětšuje tak, že límec má trychtýřovitý tvar rozšiřující se směrem od rozhraní.

Vnitřní povrch límce definuje rozšiřující se prostor, kterým se skrz středový otvor difuzoru od výstupu z vnitřního tělesa turbíny pohybuje pracovní tekutina (pára, spaliny apod.).

Řez deflektorem v rovině XZ je osově nesouměrný podle roviny XY proložené podélnou osou turbíny a deflektoru, která je kolmá na rovinu XZ a YZ. Zároveň je řez v rovině XZ odlišný od řezu v rovině XY. Průsečík roviny XY s rovinou XZ v rovině YZ je geometrickým středem středového otvoru difuzoru v rovině YZ.

Koncové body X2 dvou tvořících křivek v rovině XZ leží na přímce koncových bodů X2, která je různoběžná vůči rovině YZ. Rovina YZ tak obsahuje průsečík s přímkou koncových bodů X2. Přímka koncových bodů X2 přitom s rovinou YZ svírá ostrý úhel α.

V rovině XZ je na prvním okraji límce kolmá vzdálenost mezi koncovým bodem X2 tvořící křivky a rovinou YZ menší, než kolmá vzdálenost mezi koncovým bodem X2 tvořící křivky protilehlého druhého okraje límce a rovinou YZ.

Mezilehlé body X1 dvou tvořících křivek v rovině XZ leží na přímce mezilehlých bodů X1, která je rovněž různoběžná vůči rovině YZ. Rovina YZ tak obsahuje průsečík s přímkou mezilehlých bodů X1. Přímka mezilehlých bodů X1 rovněž svírá s rovinou YZ ostrý úhel α'.

Jestliže je absolutní hodnota kolmé vzdálenosti koncového bodu X2 od roviny YZ vyšší než absolutní hodnota kolmé vzdálenosti mezilehlého bodu X1, pak je přímka proložená dvěma mezilehlými body X2 a procházející průsečíkem roviny XY s rovinou XZ sečnou vnitřního tělesa turbíny, když je na něm deflektor namontovaný. Tento případ nastane, pokud je vnější okraj límce značně dlouhý a zahnutý, takže zasahuje hluboko za rozhraní směrem proti proudu pracovní tekutiny.

Je výhodné, pokud je v rovině XZ kolmá vzdálenost koncového bodu X2 prvního okraje límce od roviny XY menší než kolmá vzdálenost koncového bodu X2 druhého okraje límce.

Alespoň na druhém okraji límce může být v rovině XZ část obecné tvořící křivky s nulovou křivostí a s konečnou délkou a být kolmá na rovinu YZ. Jedná se o část obecné tvořící křivky směřující z počátečního bodu X0 směrem k mezilehlému bodu X1. To znamená, že část vnitřního povrchu límce je v tom místě část válcové plochy. S ohledem na přímku proloženou koncovými body X2 obou okrajů límce, která je v rovině XZ nerovnoběžná s rozhraním, je zřejmé, že válcová plocha se směrem k prvnímu okraji límce zužuje. Toto provedení může být výhodné při aplikaci, kde je axiální prostor pro vyproudění pracovní tekutiny mezi vnitřním a vnějším tělesem turbíny větší.

Při praktickém užití deflektoru v turbíně je první okraj límce v rovině XZ ten, který je odlehlý od odvodu pracovní tekutiny z vnějšího tělesa. Druhý okraj límce je naopak orientovaný k odvodu pracovní tekutiny z vnějšího tělesa. To znamená, že při užití difuzoru v turbíně opatřené spodním odvodem pracovní tekutiny je v rovině XZ první okraj límce okrajem horním. Analogicky je při užití difuzoru v turbíně opatřené horním odvodem pracovní tekutiny první okraj límce v rovině XZ okrajem spodním. Jestliže je turbína opatřena bočním odvodem pracovní tekutiny, pak se první i druhý okraj límce nachází mimo vertikální řez.

- 3 CZ 310106 B6

Podstatou tohoto vynálezu je vhodným tvarem deflektoru změnit trajektorii jednotlivých proudnic proudového pole po výstupu z vnitřního tělesa turbíny a snížit tak jeho nerovnoměrnost. Modelací proudového pole je docíleno snížení ztrát vlivem snížení rychlosti proudového pole za difuzorem. Proud tekutiny tak efektivněji proudí mezi vnitřním a vnějším tělesem turbíny, protože dojde ke zvětšení efektivního průřezu mezi tělesy. Mezi další pozitivní odezvy patří zvýšení výkonu turbíny, snížení vibrací a hluku. Snížení nerovnoměrnosti proudového pole v obvodovém směru v pracovním prostoru lopatek dojde ke zvýšení jejich životnosti a také k většímu provoznímu rozsahu turbíny. Díky moderaci proudového pole dochází ke zvětšení efektivního průřezu mezi tělesy, kterým pracovní tekutina protéká. Díky tomu lze při návrhu turbíny zmenšit především vnější těleso a dosáhnout tak ekonomických úspor.

Deflektor je využitelný pro turbíny parní, plynové apod. V místě úpravy límce dojde k zamezení negativních projevů při zpětném proudění tekutiny míchající se s hlavním proudem. Tím je eliminována tvorba vírů vytvářejících ztráty. Vhodným tvarem límce dojde k vytvoření prostoru, který se od strany protilehlé od odvodu pracovní tekutiny z vnějšího tělesa obvodově rozšiřuje směrem k odvodu pracovní tekutiny. Vytváří tak prostor pro odvod pracovní tekutiny, která není narušována pracovní tekutinou proudící z výstupu turbíny. Uvedený tvar difuzoru zrovnoměrňuje a modeluje proudové pole bez negativních projevů. Při celkovém pohledu na toto řešení lze konstatovat fakt, že je pracovní tekutina rozdělena na několik vzájemně neovlivňujících se proudů. Zároveň je oproti běžně používaným řešením výrazně lépe využit prostor mezi vnitřním a vnějším tělesem turbíny a nevznikají zavířená místa vytvářející ztráty.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazy na výkresy, kde je na obr. 1 - vnější pohled v rovině XZ provedením deflektoru s rotačním tvarem dle stavu techniky;

obr. 2 - vnější pohled v rovině XZ dalším provedením deflektoru s rotačním tvarem dle stavu techniky;

obr. 3 - vnější pohled v rovině XZ na deflektor podle vynálezu v provedení s částí tvořící křivky s nulovou křivostí a s konečnou délkou kolmou na rovinu YZ;

obr. 4 - čelní osový pohled v rovině YZ na deflektor podle vynálezu;

obr. 5 - řez v rovině XZ deflektorem podle vynálezu;

obr. 6 - detail řezu podle obr. 5 se znázorněním prvního okraje deflektoru;

obr. 7 - řez v rovině XZ deflektorem podle vynálezu se znázorněním přímek P a P' a vzdálenostmi mezi koncovými body tvořících křivek a rovinou YZ.

Příklad uskutečnění vynálezu

V tomto příkladu popsaný deflektor turbíny je určený pro parní turbínu, která má spodní odvod pracovní tekutiny z vnějšího tělesa do kondenzátoru. Deflektor obsahuje rozhraní 6 v podobě příruby 1 se středovým otvorem. Příruba 1 je na jedné své straně opatřená vnitřní dosedací plochou 4 v rovině YZ pro připevnění k výstupu 2 z vnitřního tělesa turbíny. Dále je příruba 1 opatřená vnější plochou 5, ke které je připevněný límec 3 se zvětšujícím se průřezem středového otvoru.

- 4 CZ 310106 B6

Tvar límce 3 je v příčném řezu popsaný množinou obecných tvořících křivek k tvořících vnitřní povrch límce 3. Deflektor má nerotační tvar definovaný tak, že profil límce 3 v řezu v rovině XZ je osově nesouměrný podle roviny XY a je odlišný od příčného řezu v rovině XY. Řez v rovině XZ je zde řez vertikální, zatímco řez v rovině XY je řez horizontální. Jednotlivé, vzájemně odlišné, příčné řezy profilu límce 3 na sebe v obvodovém směru roviny YZ plynule navazují.

Průsečík roviny XY s rovinou XZ v rovině YZ je geometrickým středem kruhového středového otvoru příruby 1 v podélné ose O turbíny a deflektoru. V kterémkoliv příčném řezu procházejícím podélnou osou O turbíny a deflektoru platí tyto skutečnosti:

- počáteční bod X0 obecné tvořící křivky k leží v místě průniku límce 3 a rozhraní 6;

- koncový bod X2, který je koncovým bodem obecné tvořící křivky k, má ze všech bodů dané obecné tvořící křivky k největší vzdálenost od podélné osy O turbíny a deflektoru;

- mezilehlý bod X1 mezi počátečním bodem X0 a koncovým bodem X2, který má kolmou vzdálenost od roviny YZ největší ze všech bodů obecné tvořící křivky k, má vzdálenost od podélné osy O turbíny a deflektoru větší, než je vzdálenost počátečního bodu X0 a menší, než je vzdálenost koncového bodu X2.

Vzdálenost koncového bodu X2 obecné tvořící křivky k prvního (zde horního) okraje 31 límce 3 od roviny XY je menší, než vzdálenost koncového bodu X2 obecné tvořící křivky k druhého (zde spodního) okraje 32 límce 3.

Přímka P proložená v rovině XZ koncovým bodem X2 obecné tvořící křivky k prvního okraje 31 límce 3 a koncovým bodem X2 obecné tvořící křivky k druhého okraje 32 límce 3 je nerovnoběžná s vnitřní dosedací plochou 4 příruby 1 v rovině YZ.

Přímka P' proložená v rovině XZ mezilehlým bodem X1 obecné tvořící křivky k prvního okraje 31 límce 3 a mezilehlým bodem X1 obecné tvořící křivky k druhého okraje 32 límce 3 je nerovnoběžná s vnitřní dosedací plochou 4 příruby 1 v rovině YZ.

V rovině XZ je kolmá vzdálenost C1 mezi koncovým bodem X2 obecné tvořící křivky k prvního okraje 31 límce 3 a rovinou YZ menší, než kolmá vzdálenost C2 mezi koncovým bodem X2 obecné tvořící křivky k druhého okraje 32 límce 3 a rovinou YZ.

Claims (4)

1. Deflektor turbíny obsahující límec (3) mající základnu s kruhovým středovým otvorem tvořící rozhraní (6) pro připevnění deflektoru k výstupu (2) z vnitřního tělesa turbíny, přičemž toto rozhraní (6) určuje rovinu (YZ) kolmou k podélné ose (O) turbíny a deflektoru, vyznačující se tím, že límec (3) je těleso nerotačního tvaru z plochého profilu, které je souměrné nebo nesouměrné podle vertikální roviny (XZ) proložené podélnou osou (O) turbíny a deflektoru, kolmé na rovinu (YZ), přičemž volný okraj tohoto plochého profilu odlehlý od rozhraní (6) je v radiálním směru, ve směru od podélné osy (O) turbíny a deflektoru, vytvarován do proměnného průřezu límce (3), přičemž proměnný průřez límce (3) je v množině radiálních rovin, procházejících podélnou osou (O) turbíny a deflektoru, tvořen množinou tvořících křivek (k) tvaru měnícího se v závislosti na konkrétním místě obvodu límce (3), kde všechny jednotlivé, vzájemně odlišné profily límce v množině řečených radiálních rovin na sebe v obvodovém směru roviny (YZ) plynule navazují a každá z této množiny tvořících křivek (k) tvoří vnitřní povrch límce (3) a má:

- počáteční bod (X0) ležící na rozhraní (6),

- koncový bod (X2), který má ze všech bodů dané tvořící křivky (k) největší vzdálenost od podélné osy (O) turbíny a deflektoru,

- a mezilehlý bod (X1), jehož vzdálenost od podélné osy (O) turbíny a deflektoru je větší než vzdálenost počátečního bodu (X0) a menší než vzdálenost koncového bodu (X2), přičemž tento mezilehlý bod (X1) je zároveň jediným bodem příslušné tvořící křivky (k), v němž je tečna této tvořící křivky (k) rovnoběžná s rovinou (YZ), a kolmá vzdálenost mezilehlého bodu (X1) od roviny (YZ) je největší ze všech bodů dané tvořící křivky (k), a proměnný průřez límce (3) se v axiálním směru, tj. ve směru od rozhraní (6) k mezilehlým bodům (X1) tvořících křivek (k), zvětšuje tak, že límec má trychtýřovitý tvar rozšiřující se směrem od rozhraní (6), přičemž řez deflektorem v rovině (XZ) je osově nesouměrný podle roviny (XY) proložené podélnou osou (O) turbíny a deflektoru, která je kolmá na roviny (XZ, YZ), a zároveň je odlišný od řezu v rovině (XY), koncové body (X2) dvou tvořících křivek (k) v rovině (XZ) leží na přímce (P) koncových bodů (X2), která je různoběžná vůči rovině (YZ), a rovina (YZ) tak obsahuje průsečík s přímkou (P) koncových bodů (X2), kde přímka (P) koncových bodů (X2) svírá s rovinou (YZ) ostrý úhel (α), přičemž v rovině (XZ) je na prvním okraji (31) límce (3) kolmá vzdálenost (C1) mezi koncovým bodem (X2) tvořící křivky (k) a rovinou (YZ) menší, než kolmá vzdálenost (C2) mezi koncovým bodem (X2) tvořící křivky (k) protilehlého druhého okraje (32) límce (3) a rovinou (YZ), a mezilehlé body (X1) dvou tvořících křivek (k) v rovině (XZ) leží na přímce (P') mezilehlých bodů (X1), která je rovněž různoběžná vůči rovině (YZ), a rovina (YZ) tak obsahuje průsečík s přímkou (P') mezilehlých bodů (X1), a přímka (P') mezilehlých bodů (X1) rovněž svírá s rovinou (YZ) ostrý úhel (α').

2. Deflektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že v rovině (XZ) je kolmá vzdálenost koncového bodu (X2) prvního okraje (31) límce (3) od roviny (XY) menší, než kolmá vzdálenost koncového bodu (X2) druhého okraje (32) límce (3).

3. Deflektor podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň na druhém okraji (32) límce (3) je v rovině (XZ) část obecné tvořící křivky (k) z počátečního bodu (X0) směrem k mezilehlému bodu (X1) s nulovou křivostí s konečnou délkou a je kolmá na rovinu (YZ).

4. Deflektor podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že rozhraní (6) je opatřeno přírubou (1) se středovým otvorem, kde příruba (1) je opatřená vnitřní dosedací plochou (4) v rovině (YZ) pro připevnění k výstupu (2) z vnitřního tělesa turbíny, a vnější plochou (5), kterou je připevněna k límci (3).