ITMI20091740A1 - Turbina a vapore assiale alimentata radialmente ad alta temperatura - Google Patents
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Description
Descrizione di un brevetto d'invenzione a nome:
SETTORE TECNICO
La descrizione si riferisce generalmente a turbine a vapore assiale alimentate radialmente ad alta temperatura radialmente. Più specificamente, la comunicazione si riferisce a sollecitazione da calore del rotore da parte del vapore ad alta temperatura.
In questa descrizione "ad alta temperatura" in relazione a vapore e turbine a vapore è definita come una temperatura di 650 ° C o superiore.
INFORMAZIONI DI SUBSTRATO
A causa del continuo sforzo per migliorare l'efficienza degli impianti di turbina a vapore, può essere opportuno operare turbine a temperature elevate. Tuttavia i materiali convenzionali presentano scarse prestazioni sopra 650 C e più in particolare sopra dei 700 C. Per questo motivo le parti di turbina come rotori, involucri e lame sono in genere costituiti da più costose leghe esotiche. Un esempio di una lega dì questo tipo è descritto nella domanda di brevetto USA n.2004/0253102 Al. Mentre per ragioni di costo, può essere utile per la fabbricazione di qualsiasi componente, almeno in parte, partire da materiali tradizionali, il vantaggio è particolarmente grande per componenti dì grandi dimensioni, come rotori, e per i componenti complessi, come lame.
Una soluzione è quella di minimizzare l'esposizione di componenti all' alta temperatura. La domanda USA n .2007/0207032 Al, per esempio, descrive un sistema che prevede un forte calo della temperatura in tutta il primo stadio é quindi solo il primo stadio ed eventuali componenti di rotori a monte di tale stadio sono esposti ad alte temperature .
Un'altra soluzione è quella di fornire un mezzo raffreddamento alle regioni ad alta temperatura. Può tuttavia essere tecnicamente difficile fornire sufficiente raffreddamento per componenti di turbine di grandi dimensioni come il rotore.
RIASSUNTO
È prevista una turbina a vapore assiale alimentata radialmenta ad alta temperatura con caratteristiche che in un aspetto sono dirette verso la soluzione del problema dello stress da calore del rotore della turbina a vapore nella regione prima che il flusso di vapore passi attraverso la prima fila di palette e l'energia termica viene rimossa.
L’invenzione risolve questo problema mediante la materia oggetto della rivendicazione indipendente. Forme di realizzazione vantaggiose sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.
Un aspetto fornisce una turbina a vapore assiale alimentata radialmente a temperatura elevata costituita da un rotore, un involucro, lame assialmente spostate e le file di palette e un condotto di aspirazione a caldo. I rotore è orientabile e ha una superficie si estende in direzione assiale. L’involucro racchiude il rotore a formare uno spazio anulare tra il rotore e l'involucro in cui la lama e le file di palette sono montati.il condotto di aspirazione caldo, per ricevere un vapore caldo, si estende su una porzione assiale del rotore di un terminale di uscita a monte e immediate adiacente la lama e le file di palette Lo scopo del condotto di aspirazione a caldo è quello di dirigere un vapore caldo per la lama e le file di palette. La turbina a vapore comprende inoltre un condotto di aspirazione freddo collegato ad una estremità a valle di una spirale a freddo di aspirazione e assialmente spostato dal condotto di aspirazione a caldo in modo tale che il condotto di aspirazione a caldo si trova più vicino alla prima lama rispetto al condotto di aspirazione a freddo. La spirale fredda dì ingresso è adatta a ricevere un vapore freddo che è più freddo il vapore caldo. Il condotto di aspirazione a freddo ha un terminale di ingresso e un terminale di uscita formati tra il rotore e l'estremità di uscita del condotto terminale caldo di ingresso uscita. Nella regione -del terminale di uscita, il condotto di àspirazione a freddo è parallelo alla superficie del rotore circonferenziale . In questo modo il vapore freddo può passare sopra una porzione della superficie del rotore circonferenziale mentre passa attraverso il condotto di aspirazione a caldo dal terminale di uscita del condotto di aspirazione a freddo per la lama e le file di palette.
La disposizione del vapore freddo sopra la porzione della superficie del rotore circonf erenziale nel condotto di aspirazione a caldo assicura che il rotore non sia esposto a temperature di vapore caldo, consentendo in tal modo il rotore di essere fatto di materiale con resistenza al calore inferiore .
In un ulteriore aspetto il condotto di aspirazione a freddo è parallelo, in direzione radiale, ail condotto di aspirazione a caldo in modo da fornire un design compatto.
In un ulteriore aspetto la turbina a vapore dispone di una spirale di ingresso calda che si estende lungo la circonferenza attorno all'asse del rotore. Questa spirale calda ingresso è collegato al terminale di ingresso del condotto dì aspirazione a caldo .
In un altro aspetto la turbina a vapore comprende inoltre un tubo caldo di aspirazione e un tubo di aspirazione a freddo. Il tubo dì aspirazione a caldo è collegato alla spirale calda di ingresso consentendo in tal modo il flusso del vapore caldo in modo sequenziale attraverso il tubo di aspirazione a caldo, la spirale a caldo di aspirazione e il condotto di aspirazione a caldo verso le lame intervallate e palette. Nel frattempo, il tubo di aspirazione a freddo è collegato alla spirale fredda di ingresso consentendo in tal modo il flusso del vapore freddo in modo sequenziale attraverso il tubo di aspirazione a freddo, la spirale fredda e il condotto di aspirazione e freddo d'ingresso verso il condotto di aspirazione a caldo. In una disposizione il tubo di aspirazione freddo è parallelo al tubo di aspirazione a caldo, mentre in un'altra il tubo di aspirazione a freddo è angolato di almeno 90 ° dal condotto di aspirazione a caldo in direzione radiale. In un ulteriore disposizione è disposto a qualsiasi angolo adatto che offre un design compatto. Tali disposizioni prevedono vantaggi in termini di lunghezza assiale turbina a vapore e / o il layout della valvola, rispettivamente.
In un altro aspetto la turbina a vapore comprende una pluralità di tubazioni di aspirazione calde e una pluralità di tubazioni di aspirazione a freddo. Un altro aspetto è quello di superare o almeno attenuare gli svantaggi e le carenze della tecnica o fornire una valida alternativa.
Altri aspetti e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, presa in relazione con i disegni in accompagnamento in cui a titolo indicativo e, ad esempio, una forma di realizzazione della presente invenzione è descritta .
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
A titolo di esempio, una forma di realizzazione della descrizione attuale è descritta più ampiamente in seguito, con riferimento ai disegni di accompagnamento, in cui:
La Figura 1 è una vista in sezione di una turbina a vapore assiale alimentata radialmente in base ad una forma di realizzazione esemplificativa;
la Figura 2 è una vista in sezione di una turbina a vapore assiale alimentata radialmente secondo un'altra forma di realizzazione;
la Figura 3 è una vista in sezione attraverso III-III della FIG 1 che mostra una disposizione esemplificativa di tubi di ingresso; e
la Figura 4 è una vista in sezione attraverso III-III della FIG. 1 mostrante un' altra disposizione esemplificativa delle tubazioni di aspirazione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Forme di realizzazione preferite della descrizione presente sono ora descritte con riferimento ai disegni, in cui, numeri di riferimento simili sono utilizzati per fare riferimento a elementi simili. Nella descrizione che segue, ai fini della spiegazione, numerosi dettagli specifici sono esposti al fine di fornire una conoscenza approfondita della descrizione. Può essere evidente, tuttavia, che la descrizione può essere praticata senza questi dettagli specifici.
In questa descrizione, le denominazioni calda e fredda forniscono un riferimento relativo, senza che ciò comporti alcuna caratteristica o temperatura particolare , in mancanza di una specifica disposizione. Pertanto, in assenza di tale disposizione un vapore caldo 35, per esempio, è un vapore con una temperatura superiore al vapore freddo 45. In relazione al vapore, questa differenza relativa prevede pertanto che un vapore freddo 45, quando intradotto in una regione che altrimenti può essere esposta a vapore caldo 35, con la funzione di un fluido di raffreddamento.
Le FIG.l e 2 mostrano una turbina a vapore assiale alimentata a radialmente 1. La turbina 1 ha un 5 rotore con un asse dì rotazione si estende in direzione AD assialmente. Racchiudente il 5 rotore è un involucro 10 che è configurato per fornire un involucro in cui sono poste una serie assiale di file di intervallate lame e palette 25. La turbina ha ulteriormente una spirale calda dì ingresso 36 che si estende circonferenzialmente intorno all'asse del rotore ed è collegata ad un condotto di aspirazione caldo 30, che dirige il vapore caldo 35 verso la lama e le file di palette 25.
La spirale calda di ingresso 36 distribuisce circonferenzialmente vapore caldo 35 verso una presa radiale 31 del condotto di aspirazione a caldo 30 ad una estremità a valle della spirale calda di ingresso 36. Il condotto di aspirazione a caldo 30 circoscrive anche il rotore 5 e garantisce quindi una distribuzione uniforme circonferenziale del vapore caldo 35. Dopo essere entrato radialmente nel condotto di aspirazione a caldo 30 il vapore caldo 35 è nuovamente diretto dal condotto di aspirazione a caldo 30 verso una estremità assiale di uscita 32, che termina immediatamente a monte ed adiacente alla lama e alla fila alla fila di palette 25 in modo che il vapore caldo 35 dall'ingresso del condotto caldo 30 flussi direttamente la lama e le file di palette 25.
La forma di realizzazione esemplare di figura 1 e 2 ulteriormente mostrano una spirale fredda di ingresso 46 per un vapore freddo 45. La spirale fredda di ingresso 46 si estende anche circonferenzialemente attorno all'asse del rotore ed è concentrica, ma assialmente spostata a monte della spirale calda di ingresso 36. La fine a valle della spirale fredda di ingresso 46 è collegata a un terminale di ingresso 41 di un condotto di aspirazione freddo 40 che è configurato per dirigere il vapore freddo 45 dalla spirale fredda dì ingresso 46 attraverso un terminale di uscita 42 all'interno del condotto caldo ingresso 30. In una realizzazione esemplificativa, il terminale di ingresso 41 è un'estremità radiale di ingresso 41. Circoscrivendo il rotore 5 e 6 condotto di aspirazione a freddo 40 è configurato per fornire circonferenzialmente il vapore freddo 45 all' interno del condotto caldo dì ingresso 30. Come la spirale fredda di ingresso 46, il condotto di aspirazione a freddo 40 è spostato assialmente a monte del condotto di aspirazione a caldo 30. Come mostrato nella figura. 1, in una realizzazione di esempio, questo risulta che il condotto di aspirazione a caldo 30 si trova più vicino alla lama e allae file di palette 25 che al condotto di aspirazione a freddo 40. In un'altra realizzazione di esempio il condotto di aspirazione a freddo 40 è ulteriormente posto tra una regione di pistone 8 del rotore 5 e il condotto di aspirazione a caldo 30, come anche mostrato in fig.l.
La posizione relativa della spirale calda di ingresso 36 e del condotto 30 rispetto alla spirale fredda di ingresso 46 e al condotto 40 assicura, nella realizzazione di esempio mostrata in fig. 1 e 2, che la lunghezza della turbina a vapore 1 è ridotta al minimo. Un ulteriore vantaggio di avere una spirale fredda di ingresso 46 è la distribuzione, uniforme circonf erenziale di vapore freddo 45. Ciò consente l'impiego ottimale del vapore freddo 45.
Le spirali di ingresso 36 e 46, come mostrato nelle figure 1 e 2, sono tipiche delle turbine a vapore per utilizzando noti per distribuire uniformemente il flusso circonf erenziale attorno all'asse del rotore da ingressi discreti. Questo è raggiunto mediante l'area della sezione trasversale della spirale in diminuzione, come mostrato FIG. 3 e 4, nella direzione del flusso, come si estende dal o da ogni ingresso discreto che esse possono avere.
Lo scopo del condotto di aspirazione a freddo 40 è quello di fornire uno strato limite di vapore freddo 45 su tutta la superficie del rotore circonf erenziale 6 tra l'uscita del condotto di aspirazione a freddo 40 e la lama e le file dì palette 25. Questo assicura che la sezione del rotore in questa regione non sia esposta a vapore caldo 35 e di conseguenza può essere fatta di un materiale con una minore resistenza a caldo
Al fine di fornire un adeguato strato limite, abbastanza vapore freddo 45 deve essere fornito su tutta la superficie del rotore circonferenziale 6. Ciò richiede il corretto dimensionamento del condotto di aspirazione a freddo 40. Se è troppo piccolo, la portata del flusso freddo 45 non sarà sufficiente a garantire il livello necessario di confine. Se il condotto di aspirazione a freddo 40 è di dimension troppo grandi, efficienza della turbina viene influenzata negativamente. In una realizzazione di esempio il condotto di aspirazione a freddo 40 viene dimensionato, con note tecniche di progettazione, per fornire tra 5-12% del totale dell'alimentazione della turbina attraverso il condotto di aspirazione a freddo 40. A seconda della configurazione e dimensione della turbina altre portate dimensione del flusso possono fornire un ottimale. In ogni caso, tuttavia, al fine di raggiungere il minimo richiesto di portata di vapore di raffreddamento 45 e garantire la necessaria distribuzione dì flusso, il vapore di raffreddamento 45, deve essere alimentato da una spirale di ingresso.
Un altro fattore importante è la forma del terminale di uscita 42 del condotto di aspirazione a freddo 40, In aggiunta al circoscrivere il rotore 5 al fine di fornire un vapore freddo 45 lungo la circonferenza completa del rotore 5, il terminale di uscita 42 è sagomato in modo da garantire che il vapore freddo 45 formi un strato lìmite sul rotore 5. Questo può essere raggiunto da numerose configurazioni note di cui una di tali soluzioni mostrata in fig. 1 mostra un condotto di aspirazione a freddo 40 che e configurato per fornire uno strato limite di vapore freddo 45 attraverso la superficie della circonferenza del rotore 6 mediante la configurazione e disposizione del terminale di uscita 42 del condotto di aspirazione a freddo 40. Ciò è per configurare il terminale di uscita 42 è avere pareti che sono diritte e, in un'altra realizzazione di esempio, in sostanza, parallelamente alla superficie circonf erenziale del rotore 6 pur essendo libero da proiezioni, come elementi di tenuta. La superficie circonf erenziale del rotore 6, in una realizzazione di esempio, è adattata per mantenere lo strato di confine ad esempio comprendendo una superficie liscia e senza spigoli. Liscia in questo contesto non è assoluta, ma è piuttosto quello di essere intesa nel senso di una superficie libera di distorsioni grossolane di superficie. Superfici lisce, come mostrato nella figura. 1, possono includere anche le curve lisce configurate, utilizzando metodi già noti, per minimizzare la turbolenza e la separazione dello strato limite. Altre configurazioni sono possibili. Ad esempio, nel campo dell'aerodinamica numerosi altri accorgimenti di superficie, compresi quelli con superfici e bordi ruvidi sono noti per promuovere e mantenere la formazione dello strato limite. Una qualsiasi di queste note configurazione potrebbe essere applicata anche a realizzazioni di esempio nella misura in cui soddisfano i criteri di promozione e di mantenimento di uno strato limite di vapore freddo 45 su tutta la superficie circonf erenziale del rotore 6 tra l'uscita del condotto di aspirazione a freddo 40 e la lama e le file di palette 25.
Come mostrato nelle figure 1 e 2, il terminale di uscita 42 del condotto di aspirazione a freddo 40 può essere situato in diversi orientamenti assiali e radiali. In una realizzazione di esempio, mostrata in fig. 2, il condotto di aspirazione a freddo 40 è configurato in modo da cambiare la direzione del flusso di vapore freddo 45 dalla direzione radiale alla direzione assiale. In modo da non influenzare negativamente la formazione dello strato limite sulla superficie circonferenziale del rotore 6 il condotto di aspirazione a freddo 40 è dotato di curve di transizione lisce.
Le realizzazioni di esempio mostrate in FIG.l e 2 possono essere adeguatamente utilizzato con vapore caldo 35, che ha una temperatura di ditre 650 °C per esempio 700 C e vapore a freddo 45 con una temperatura di meno di 650 C, in genere 600 ° C . La temperatura del vapore freddo 45 è in genere selezionata per consentire l'utilizzo di leghe meno esotiche nel rotore 5 in modo da fornire un vantaggio di costo.
Come mostrato nelle figure. 3 and 4, in realizzazioni di esempio, un tubo caldo di ingresso 37 è collegato alla spirale calda di ingresso 36. In questo modo, il vapore caldo 35 può in sequenza fluire attraverso il condotto di aspirazione a caldo 37, la spirale calda di ingresso 36 e condotto d'aria calda 30 verso la lama e le file di palette 25. In un modo simile un tubo di aspirazione freddo 47 è collegato a spirale di ingresso a freddo 46 consentendo così a vapore freddo 45 di fluire attraverso il tubo di aspirazione a freddo 47, la spirale fredda di ingresso 46 e condotto d'aria fredda 40 verso il condotto di aspirazione a caldo 30.
Nella realizzazione di esempio mostrata in fig. 3 and 4, una pluralità di freddo e di una pluralità di tubazioni di aspirazione a caldo e freddo sono mostrate. Esse possono essere disposte in modo tale che il tubo di aspirazione a reddo 47 e tubazioni di aspirazione a caldo, 37 sono in parallelo, come mostrato nella figura. 4 per fornire una soluzione che richiede un minimo di lunghezza turbina assiale .
In una realizzazione alternativa di esempio, in fig. 3 la pluralità delle tubazioni di aspirazione a freddo 47 sono disposte con un angolo in direzione radiale di circa 90 ° rispetto alla pluralità delle tubazioni di aspirazione a caldo 37. In una realizzazione non mostrata di esempio comprendente un solo tubo di aspirazione a caldo 37 e un tubo di aspirazione a freddo 47, i tubi di aspirazione 37,47 sono angolati in direzione radiale di almeno circa 90 ° gli uni dagli altri. Tali disposizioni prevedono uno spazio aggiuntivo per le tipiche, non mostrate, attrezzature di valvole per tubi di aspirazione tipicamente installate al di fuori della turbina a vapore telaio 10.
Anche se la descrizione è stata qui raffigurata e descritta in ciò che è concepito per essere la realizzazione più pratica di esempio, sarà apprezzato dai tecnici del ramo che la presente invenzione può essere realizzata in altre forme specifiche . Ad esempio mentre la realizzazione di una sola turbina con flusso di vapore è stata fornita, realizzazioni potrebbero essere applicate anche al turbine di vapore a doppio flusso. La realizzazioni attualmente descritte sono pertanto considerate a tutti gli effetti essere esemplificative e non limitative.
NUMERI DI RIFERIMENTO
1 Turbina a vapore assiale alimentata radialmente.
5. Rotore
6. superficie circonferenziale
8. Regione del pistone
10. Involucro
25. Lame e file di palette
30 condotto di aspirazione a caldo
31. Terminale di ingresso
32. Terminale di uscita 35. Vapore caldo
36. Spirale calda di ingresso 37. Tubo dì aspirazione a caldo 40. Condotto di aspirazione a freddo 41. Terminale di ingresso
42.Terminale di uscita 45. Vapore freddo
_ 46. Spirale a freddo
47. Tubo di aspirazione a freddo AD direzione assiale
RD direzione radiale
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Una turbina a vapore assiale (1) alimentata radialmente ad alta temperatura comprendente: un rotore girevole (5), con un asse di rotazione e una superficie circonferenziale (6); un involucro (10) che circonda il rotore (5) in modo da formare uno spazio anulare tra il rotore (5) e l'involucro (10); file (25) di palette e vani distribuiti assialmente e montati nello spazio anulare sul rotore (5), e un condotto di aspirazione caldo (30), per un vapore caldo (35), che si estende circonferenzialmente intorno all'asse del rotore ed ha : una estremità di aspirazione radiale (31) che circoscrive il rotore (5), e una estremità di scarico assiale (32) che circoscrive il rotore (5) ed è assialmente connessa allo spazio anulare a monte delle file (25) di palette e vani, la turbina a vapore (1) è caratterizzata da: una spirale di aspirazione fredda (46) per ricevere un vapore freddo (45), che si estende circonferenzialmente intorno all'asse del rotore che è atta a distribuire cinconferenzialmente il vapore freddo (45), un condotto di aspirazione freddo (40) per un vapore freddo (45), connesso in corrispondenza di un’estremità di aspirazione (41) ad una estremità a valle della spirale di aspirazione fredda (46) e assialmente spostata dal condotto dì aspirazione caldo (30) in modo tale che il condotto di aspirazione caldo (30) è tra il condotto di aspirazione freddo (40)e le file (25) di palette e vani, il condotto di aspirazione a freddo (40) avendo, una estremità di scarico (42), nel condotto di aspirazione caldo (30), che circoscrive il rotore (5) ed è atta a fornire uno strato di contorno di vapore freddo (45) lungo la superficie circonferenziale (6) tra l'estremità di scarico (42) del condotto di aspirazione freddo (40) e le file (25) di palette e vani, in cui la superficie circonferenziale del rotore (6) tra il condotto di aspirazione freddo (42) e le file (45) di palette e vani è atta a favorire e mantenere lo strato di contorno.
- 2. La turbina a vapore (1) secondo la rivendicazione 1 in cui l'estremità di aspirazione (41) del condotto di aspirazione freddo (40) è un'estremità di aspirazione radiale (41).
- 3. La turbina a vapore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui l'estremità di scarico (42) del condotto di aspirazione freddo (40) è una estremità di scarico radiale (42).
- 4. La turbina a vapore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui l'estremità di scarico (42) del condotto di aspirazione freddo (40) è parallela al condotto di aspirazione caldo (30).
- 5. La turbina a vapore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui l'estremità di scarico (42) è atta a fornire uno strato di contorno di vapore freddo (45) tra l'estremità di scarico (42) del condotto di aspirazione freddo (40) e le file (25) di palette e vani mediante la disposizione di pareti con lati dritti che sono essenzialmente parallele e prive di sporgenze e che si estendono nel condotto di aspirazione freddo (40).
- 6. La turbina a vapore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 in cui la superficie circonferenziale del rotore (6) è atta a favorire la formazione dello strato di contorno consistendo di superfici lisce, che sono prive di spigoli.
- 7. La turbina a vapore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6 comprendente una spirale di aspirazione calda (36) che si estende circonferenzialmente intorno all'asse del rotore e ha una estremità a valle collegata all'estremità di aspirazione (31) del condotto di aspirazione caldo (30).
- 8- La turbina a vapore (1) secondò la rivendicazione 7 comprendente: un tubo di aspirazione caldo (37) collegato alla spirale di aspirazione calda (36) in modo da consentire il flusso del vapore caldo (35) sequenzialmente attraverso il tubo di aspirazione caldo (37), la spirale di aspirazione calda (36) e il condotto di aspirazione caldo (30) verso le file (25) di palette e vani, e un tubo di aspirazione freddo (37) connesso alla spirale di aspirazione fredda (46) in modo da consentire il flusso del vapore freddo (45) sequenzialmente attraverso il tubo di aspirazione freddo (47), la spirale di aspirazione fredda (46) e il condotto di aspirazione freddo (40) verso il condotto di aspirazione caldo (30).
- 9. La turbina a vapore (1) secondo la rivendicazione 8 in cui il tubo di aspirazione freddo (47) è parallelo al tubo di aspirazione caldo (37) .
- 10. La turbina a vapore (1) secondo la rivendicazione 8 in cui il tubo di aspirazione freddo (47) è angolato in direzione radialefdi almeno 90 gradi rispetto al tubo di aspirazione caldo (37) .
- 11. La turbina vapore (T) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10 in cui la turbina a vapore comprende una pluralità di tubi dì aspirazione caldi (37) e una pluralità di tubi di aspirazione freddi (47).
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