Турбина с минимальными потерями на выходе и способ минимизации потерь на выходе

Способ минимизации потерь в турбине (22) с множеством лопаток последней ступени. Способ включает в себя определение имеющегося общего потока (26) на входе для турбины (22) с множеством лопаток последней ступени и выбор множества лопаток (30, 34) последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени. Множество предварительно разработанных лопаток (30, 34) разного размера последней ступени имеют потоки (54, 58), отличные друг от друга, которые при объединении соответствуют имеющемуся общему потоку (26) на входе с низкой общей потерей (94, 98) на выходе в отличие от множества лопаток одинакового размера последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени. За счет лучшего соответствия между суммарным расчетным потоком для лопаток и имеющимся общим потоком достигается снижение потерь в турбине. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предпосылки изобретения

Минимизация потерь и модификация рабочих характеристик оборудования, например, такого как паротурбинный двигатель, представляет интерес для операторов таких устройств. Рабочие характеристики лопатки последней ступени играют значительную роль в общей работе паровой турбины. Для разработки и создания совершенно новой лопатки последней ступени могут потребоваться большие затраты и годы из-за дорогостоящих и всесторонних испытаний, необходимых перед подтверждением готовности продукции. По существу, известно, как выбрать лопатку последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени для использования в новых применениях или для замены в существующих устройствах. В таких случаях конструктор обычно выбирает предварительно разработанную лопатку последней ступени, которая является наиболее экономичной. В применениях турбин низкого давления использование многочисленных лопаток последней ступени включает в себя использование двух или более одних и тех же выбранных предварительно разработанных лопаток последней ступени. При этом, однако, это может привести к снижению рабочих характеристик лопаток последней ступени и, таким образом, турбины низкого давления.

Краткое описание настоящего изобретения

В данном документе раскрыт способ минимизации потерь в турбине с множеством лопаток последней ступени. Способ включает в себя определение на последней ступени, и выбор множества лопаток последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени. Множество лопаток последней ступени имеют потоки, отличающиеся друг от друга, которые при объединении согласуются с имеющимся потоком на входе с меньшей общей потерей на выходе.

Кроме того, в данном документе раскрыт способ модификации рабочих характеристик турбины с множеством лопаток последней ступени. Способ включает в себя определение имеющегося потока на входе для турбины с множеством лопаток последней ступени, и дозирование разных количеств имеющегося потока для каждой из множества предварительно созданных лопаток разного размера последней ступени, таким образом, минимизируя потери турбины на выходе с множеством лопаток последней ступени по сравнению с дозированием равных частей имеющегося общего потока для каждой из множества предварительно разработанных лопаток одного размера последней ступени.

Кроме того, в данном документе раскрыта турбина с множеством лопаток последней ступени. Турбина с множеством лопаток последней ступени включает в себя первую лопатку последней ступени, выбранную из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени, и, по меньшей мере, одну дополнительную лопатку (лопатки) последней ступени, отличную от первой лопатки последней ступени, выбранной из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени, причем первая лопатка последней ступени и, по меньшей мере, одна дополнительная лопатка (лопатки) последней ступени имеют общую потерю на выходе, которая меньше общей потери на выходе множества лопаток одного размера последней ступени, выбранных из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени.

Краткое описание чертежей

Нижеследующее описание не должно рассматриваться ограничивающим. На сопроводительных чертежах подобные элементы пронумерованы одинаковыи образом:

фиг.1 изображает частичный схематический вид паротурбинного двигателя; и

фиг.2 изображает секцию турбины с множеством лопаток последней ступени, содержащую множество лопаток последней ступени с разными площадями сечения потока и кривыми потери на выходе в зависимости от скорости текучей среды для каждой из лопаток последней ступени.

Подробное описание настоящего изобретения

Подробное описание одного или более вариантов осуществления раскрытого устройства и способ изложены в данном документе в качестве примера, а не ограничения со ссылкой на чертежи.

На фиг.1 проиллюстрирован схематический вид паротурбинного двигателя 10. Паротурбинный двигатель 10 включает в себя турбину 14 высокого давления, турбину 18 промежуточного давления и двухпоточную турбину 22 низкого давления, раскрытую в данном документе. Двухпоточная турбина 22 низкого давления содержит имеющийся поток 26 на входе, образованный паром, подаваемым из выпуска трубы турбины 18 промежуточного давления. Двухпоточная турбина 22 низкого давления включает в себя две лопатки 30, 34 последней ступени. Раскрытые в данном документе способы выбора двух лопаток 30, 34 последней ступени для достижения заданных рабочих характеристик двухпоточной турбины 22 низкого давления будут более подробно описаны ниже. Хотя двухпоточная турбина низкого давления раскрыта в вышеприведенном варианте осуществления, в альтернативных вариантах осуществления могут использоваться многопоточные турбины низкого давления с множеством потоков низкого давления.

На фиг.2 проиллюстрирована двухпоточная турбина 22 низкого давления в варианте осуществления настоящего изобретения, раскрытом в данном документе, которая включает в себя первую лопатку 30 последней ступени и вторую лопатку 34 последней ступени. Первая лопатка 30 последней ступени и вторая лопатка 34 последней ступени имеют разные размеры, и, таким образом, каждая из лопаток 30, 34 последней ступени имеет разную площадь сечения потока. Имеющийся поток 26 на входе в двухпоточную турбину 22 низкого давления делится неравномерно, так что первый поток 54 на входе, проходящий на первую лопатку 30 последней ступени, больше второго потока 58 на входе, проходящего на вторую лопатку 34 последней ступени. По существу, первый поток 54 на входе больше половины имеющегося потока 26 на входе, и второй поток 58 на входе меньше половины имеющегося потока 26 на входе. В альтернативных вариантах осуществления эти соотношения потоков могут быть обратными, так что первый поток 54 на входе, проходящий на первую лопатку 30 последней ступени, меньше второго потока 58 на входе, проходящего на вторую лопатку 34 последней ступени. Потоки 54, 58 на входе и площади сечения потоков определяют скорости 64, 68 текучей среды через лопатки 30, 34 последней ступени, соответственно, на основании уравнения:

Скорость = (Объемный расход) × (Площадь сечения)

Каждая из лопаток 30, 34 последней ступени имеет зависимость между рабочими характеристиками (измеренными на основании потери на выходе) и скоростью текучей среды, как показано на кривых 74 и 78, соответственно. Кривые 74, 78 показывают заданные скорости 84, 88 текучей среды на основании минимизации потерь 94, 98 на выходе. Поскольку, как можно видеть на кривых 74, 78, скорости 64, 68 текучей среды для лопаток 30, 34 последней ступени, работающих в потоках 54, 58, по существу, равны заданным скоростям 84, 88 текучей среды, лопатки 30, 34 последней ступени работают на своих заданных уровнях рабочих характеристик. В данном варианте осуществления, потери 94 и 98 на выходе находятся при минимальном значении кривых 74 и 78, соответственно. Так как первый поток 54 на входе определяет скорость 84 текучей среды, первым потоком 54 на входе также является заданный поток на входе для первой лопатки 30 последней ступени. Подобным образом, так как второй поток 58 на входе определяет скорость 88 текучей среды, вторым потоком 58 на входе также является заданный поток на входе для второй лопатки 34 последней ступени.

Посредством использования двух лопаток 30, 34 последней ступени с разными заданными потоками 54, 58 на входе, объединенный заданный поток 52 на входе можно согласовать с имеющимся потоком 26 на входе. Варианты осуществления, описанные в данном документе, могут позволить конструктору более точно согласовывать объединенный заданный поток на входе в многопоточной турбине с лопатками последней ступени с имеющимся потоком на входе, чем это может быть достигнуто с помощью современных способов использования двух лопаток одинакового размера последней ступени из имеющихся предварительно разработанных лопаток последней ступени. Это несовпадение заставляет лопатки работать в потоках на входе, которые больше или меньше их заданного потока на входе, который корректируется со скоростью текучей среды для каждой из лопаток последней ступени, которая или больше или меньше их заданных скоростей текучей среды. Это можно наглядно представить на кривых 74 и 78, как, например, работая при потерях на выходе, которые больше заданных потерь 94 и 98 на выходе. Поскольку работа каждой из лопаток 30, 34 последней ступени должна соответствовать кривым 74 и 78, соответственно, в любое время работа лопатки последней ступени обуславливает потери, которые выше заданных потерь 94 и 98 на выходе, лопатка последней ступени работает в одной из двух точек на линии, причем одна точка находится выше заданных скоростей 84 и 88 текучей среды, а другая точка находится ниже заданных скоростей 84 и 88 текучей среды. При таком условии общие потери на выходе будут больше общих потерь на выходе двух лопаток последней ступени, работающих при заданных потерях 94, 98 на выходе.

Поскольку существует только ограниченное количество предварительно разработанных лопаток последней ступени (и, по существу, имеются в наличие для выбора), и время, расходы и усилие для создания новых лопаток последней ступени для некоторых новых применений (и многих применений по замене при обслуживании) могут быть невозможными, варианты осуществления, описанные в данном документе, обеспечивают средства, которые конструктор может использовать для выбора лопаток последней ступени из ограниченного списка предварительно разработанных лопаток последней ступени. Конструкторы систем турбин могут выбирать множество лопаток 30 и 34 разного размера последней ступени (из списка предварительно разработанных и имеющихся в распоряжении лопаток последней ступени), которые вместе будут обеспечивать объединенный заданный поток 52 на входе, который согласуется с имеющимся общим потоком 26 на входе с низкими общими потерями на выходе, чем это могло бы быть сделано посредством использования множества предварительно разработанных лопаток одинакового размера последней ступени. При выборе многочисленных лопаток последней ступени, конструктор просто рассчитывает разделение потока на основании соотношений площадей сечений на входе турбины низкого давления или любое другое устройство для деления заданного потока 52 на входе для усовершенствования заданных потоков 54, 58 на входе на каждую из двух лопаток 30, 34 последней ступени, соответственно. То же самое может быть сделано для многочисленных потоков низкого давления на, например, 3, 4, 5 и 6 лопаток последней ступени, в зависимости от размера паровой турбины.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант осуществления или варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные изменения, и эквиваленты могут быть заменены на их элементы без отхода от объема настоящего изобретения. Кроме того, возможны многие модификации для приспособления конкретной ситуации или материала к идеям настоящего изобретения без отхода от его основного объема. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, раскрытым в качестве лучшего варианта осуществления настоящего изобретения, предполагаемого для осуществления настоящего изобретения, и что настоящее изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, входящие в объем формулы изобретения. Кроме того, на чертежах и в описании были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, и хотя, возможно, использовались специальные термины, они, если не указано иное, используются только в общем или описательном смысле, а не с целью ограничения, и, следовательно, объем настоящего изобретения, не ограничивается таким образом. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д., не обозначает какой-либо порядок или значимость, а скорее термины первый, второй и т.д., используются для отличия одного элемента от другого. Кроме того, использование артиклей не обозначает ограничение количества, а скорее обозначает присутствие, по меньшей мере, одного из упоминаемых терминов.

Перечень ссылочных позиций

10 - паротурбинный двигатель

14 - турбина высокого давления

18 - турбина промежуточного давления

22 - лопатка последней ступени

26 - имеющийся поток на входе

30, 34 - лопатки последней ступени

52 - заданный поток на входе

54 - первый поток на входе

58 - второй поток на входе

64, 68 - скорости

74, 78 - кривые

84, 88 - заданные скорости

94, 98 - заданные потери на выходе

1. Способ минимизации потерь в турбине (22) с множеством лопаток последней ступени, включающий в себя:
определение имеющегося потока (26) на входе для турбины (22) с множеством лопаток последней ступени; и
выбор множества лопаток (30, 34) последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени, имеющих потоки (54, 58) на входе, отличные друг от друга, которые при объединении соответствуют имеющемуся потоку (26) на входе с низкой общей потерей (94, 98) в отличие от множества лопаток (30, 34) с одинаковым размером последней ступени из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя минимизацию потерь (94, 98) на выходе.

3. Способ модификации технических характеристик турбины (22) с множеством лопаток последней ступени, включающий в себя: определение имеющегося общего потока (26) на входе для турбины (22) с множеством лопаток последней ступени; и
дозирование разных количеств имеющегося общего потока (26) на входе для каждой из множества предварительно разработанных лопаток (30, 34) разного размера последней ступени, таким образом, минимизируя потери (94, 98) на выходе турбины (22) с множеством лопаток последней ступени по сравнению с дозированием равных частей имеющегося общего потока (26) на входе для каждой из множества предварительно разработанных лопаток (30, 34) одного размера последней ступени.

4. Способ по п.3, в котором дозирование включает в себя разделение имеющегося общего потока (26) на входе для соответствия заданному потоку (52) на входе для каждой из множества предварительно разработанных лопаток (30, 34) разного размера последней ступени на основании потери на выходе в зависимости от кривой (74, 78) скорости текучей среды для каждой из множества предварительно разработанных лопаток (30, 34) разного размера последней ступени.

5. Способ по п.4, дополнительно включающий в себя расчет скорости (64, 68) текучей среды с использованием площади сечения и потока.

6. Способ по п.4, дополнительно включающий в себя расчет скорости (64, 68) текучей среды посредством умножения площади сечения на объемный расход.

7. Турбина (22) с множеством лопаток последней ступени, содержащая:
первую лопатку (30) последней ступени, выбранную из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени; и
по меньшей мере, одну дополнительную лопатку (лопаток) (34) последней ступени, отличную от первой лопатки (30) последней ступени, выбранную из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени, причем первая лопатка (30) последней ступени и, по меньшей мере, одна дополнительная лопатка (лопатки) (34) последней ступени имеют общую потерю (94, 98) на выходе, которая меньше общей потери на выходе при любом множестве лопаток одного размера последней ступени, выбранных из набора предварительно разработанных лопаток последней ступени.

8. Турбина (22) по п.7, дополнительно содержащая механизм разделения потока на входе, который неравномерно делит имеющийся общий поток на входе для первой лопатки (30) последней ступени и, по меньшей мере, одной дополнительной лопатки (лопаток) (34) последней ступени.

9. Турбина (22) по п.8, в которой механизм разделения потока на входе имеет соотношение разных площадей сечения турбины низкого давления между множеством потоков низкого давления или любое другое механическое устройство.

10. Турбина (22) по п.7, в которой набор предварительно разработанных лопаток последней ступени включает в себя существующие лопатки (30, 34) последней ступени.