Область техники

Заявляемая группа изобретений относится к области энергомащинострое- ния и теплоэнергетики и может быть использована при разработке новых энергетических паротурбинных установок.

Предшествующий уровень техники

Известен принятый в качестве ближайшего аналога первого объекта заяв- ляемой группы изобретений валопровод турбоагрегата, содержащий скрепленные между собой соединительными муфтами и установленные на подшипниковых опорах роторы многоцилиндровой паровой турбины (ПТ) и электрогенератора (ЭГ) (Исследование вибрационных и тепломеханиче- ских параметров мощных турбоагрегатов [1]. / Тарадай Д. В. и др. // http://www.rusnauka.com/22_PNR_2013/Tecnic/5_142436.doc.htm) .

Подшипниковые опоры такого валопровода требуют для своего размеще- ния специально предусмотренных для этого свободных участков вала (цапф) на каждом из роторов, что существенно увеличивает общую длину валопровода с соответствующим увеличением его металлоемкости и ухудшением вибрационных характеристик. Еще одним недостатком из- вестного валопровода является большая силовая нагрузка на стяжные шпильки, скрепляющие между собой ответные полумуфты соединитель- ных муфт роторов валопровода, которые испытывают не только растяги- вающие, но также изгибные и срезающие напряжения, что уменьшает их ресурс и снижает надежность работы.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога второго объекта заяв- ляемой группы изобретений опорный или опорно-упорный подшипник скольжения подшипниковой опоры валопровода турбоагрегата, у которого в качестве опорных или опорных и упорных элементов вала служат внешние поверхности стягиваемых шпильками ответных полумуфт соеди- нительной муфты двух смежных роторов указанного валопровода (RU2150008, F01D3/02,2000 [2]). К недостаткам этого аналога можно от- нести допускаемую возможность существенного несовпадения диаметров составляющих муфту ответных полумуфт. Это может стать причиной не- равномерного распределения давления масляного клина по длине опорного вкладыша подшипника с возникновением вибраций вала. Другим недо- статком аналога [2] является то, что при разборке традиционных муфтовых соединений плотно вставляемые в стыкуемые отверстия полумуфт шпиль- ки обычно выбивают кувалдой, что может привести к повреждению внеш- них участков полумуфт, используемых в качестве подшипниковых элемен- тов.

Раскрытие изобретений

Задачей, на решение которой направлен первый объект заявляемой группы изобретений, является уменьшение длины и металлоемкости валопровода, а также повышение надежности его работы, включая надежность подшип- никовых опор и соединительных муфт, а достигаемыми техническими ре- зультатами - увеличение жесткости роторов из-за уменьшения длины ва- лопровода и уменьшение силовых и вибрационных нагрузок на вал, стяж- ные шпильки муфтовых соединений и на подшипниковые опоры.

Задачей, на решение которой направлен второй объект заявляемой группы изобретений, является повышение эффективности и надежности работы соединительной муфты в качестве элемента вала опорного или опорно- упорного подшипника скольжения подшипниковых опор валопровода тур- боагрегата. Достигаемые при этом технические результаты состоят в обес- печении гарантированного контакта внешних цилиндрических поверхно- стей обеих ответных полумуфт соединительной муфты смежных роторов валопровода с опорным вкладышем подшипника через равномерный мас- ляный клин, а также - в предотвращении повреждения контактных поверх- ностей полумуфт при разборке муфтового соединения и повреждения стяжных шпилек муфтового соединения при использовании торцов полу- муфт в качестве упорного элемента вала в опорно-упорном подшипнике скольжения. Указанные задача и технические результаты в отношении первого объекта заявляемой группы изобретений обеспечивается тем, что в валопроводе турбоагрегата, содержащем скрепленные между собой соединительными муфтами и установленные на подшипниковых опорах роторы многоци- линдровой ПТ и ЭГ, согласно изобретению каждая из указанных соедини- тельных муфт объединена с общей для двух стыкуемых ею роторов под- шипниковой опорой, а внешние цилиндрические поверхности ответных полумуфт каждой муфты в совокупности служат в качестве опорного эле- мента вала в опорном или опорно-упорном подшипнике скольжения соот- ветствующей подшипниковой опоры. При этом внешние торцевые поверх- ности ответных полумуфт одной из указанных соединительных муфт слу- жат в качестве упорных элементов вала в опорно-упорном подшипнике скольжения одной из указанных общих для двух стыкуемых роторов под- шипниковой опоры.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и до- стигаемыми техническими результатами в отношении данного объекта за- являемой группы изобретений заключается в том, что использование внешних поверхностей ответных полумуфт всех указанных соединитель- ных муфт в качестве опорных или опорных и упорных элементов вала в опорных или опорно-упорном подшипниках скольжения подшипниковых опор исключает необходимость удлинения роторов валопровода для со- здания цапф. Это позволяет уменьшить металлоемкость и увеличить жест- кость валопровода, что улучшает его вибрационные характеристики. Указанные задача и технические результаты в отношении второго объекта заявляемой группы изобретений обеспечивается тем, что в опорном или опорно-упорном подшипнике скольжения подшипниковой опоры валопро- вода турбоагрегата, у которого в качестве опорных или опорных и упор- ных элементов вала служат внешние поверхности стягиваемых шпильками ответных полумуфт соединительной муфты двух смежных роторов ука- занного валопровода, согласно изобретению разность диаметров указан- ных полумуфт одной соединительной муфты составляет не более 10 мкм, стяжные шпильки выполнены легкосъемными с промежуточными упруги- ми распорными втулками (например, в соответствии с RU43929,F16Dl/02, 2005 [3]), а отверстия под стяжные шпильки в стыкуемых полумуфтах за- крыты заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и до- стигаемыми техническими результатами в отношении данного объекта за- являемой группы изобретений заключается в том, что ограничение разно- сти диаметров стягиваемых шпильками ответных полумуфт величиной не более 10 мкм гарантирует равномерное распределение давления масляного клина между опорными элементами вала в подшипнике. Выполнение стяжных шпилек легкосъемными с промежуточными упругими распорны- ми втулками позволяет многократно производить разборку и сборку муф- товых соединений без повреждения их элементов, а закрытие отверстий под стяжные шпильки в стыкуемых поверхностях полумуфт заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками предотвращает повреждение шпилек и навинченных на них гаек в процессе взаимодействия торца по- лумуфты с упорным элементом опорно-упорного подшипника скольжения.

Дополнительные технические результаты, создаваемые заявляемой груп- пой изобретений, будут показаны ниже в разделе «Работа турбоагрегата с валопроводом согласно изобретению» при сравнении различных примеров компоновки цилиндров ПТ турбоагрегата с валопроводом согласно изоб- ретению и расположения на нем подшипниковых опор различного типа.

Принятые условные обозначения ПК - паровой котел

ПТ - паровая турбина

ЦВД - цилиндр высокого давления;

ЦСД - цилиндр среднего давления;

ЦНД - цилиндр низкого давления;

ЭГ - электрогенератор.

Краткое описание фигур чертежа

На фиг.1 изображена конструктивная схема одного из возможных приме- ров компоновки турбоагрегата с валопроводом согласно первому объекту заявляемой группы изобретений со встречными потоками пара в ЦВД и ЦСД и размещением между ЦВД и ЦСД опорно-упорного подшипника, совмещенного с соответствующим муфтовым соединением; на фиг.2 - то же для второго примера компоновки турбогенератора с противоположны- ми направленными потоками пара в ЦВД и ЦСД); на фиг.З - то же с ис- пользованием муфт только в опорных подшипниках и стандартным опор- но-упорным подшипником, расположенным со стороны ЦВД; на фиг.4 - то же со стандартным опорно-упорным подшипником, расположенным со стороны ЭГ; на фиг.5 - муфтовое соединение, приспособленное для ис- пользования в качестве элементов вала опорно-упорного подшипника.

Перечень позиций чертежа

1 - валопровод турбоагрегата; 1.1 , 1.2, 1.3, 1.4 - роторы валопровода; 2 - ЦВД; 3 - ЦСД; 4 -ЦНД; 5 -ЭГ; 6 - ПК; 7 - паропровод острого пара; 8.1, 8.2 - линии промежуточного перегрева пара; 9 - линия возврата конденса- та в ПК; 10 - соединительная муфта; 10.1, 10.2 - полумуфты; 10.3, 10.4 - цилиндрическая и торцевая части внешней поверхности полумуфт; 10.5,

10.6 - опорный и упорный элементы (вкладыши) подшипника скольжения;

10.7 - стяжная шпилька крепления полумуфт; 10.8 - нарезной хвостовик стяжной шпильки; 10.9 -гайка; 10.10 - промежуточная распорная втулка; 10.11 - защитные колпачки; 10.12 - нарезное осевое сверление для крепле- ния захвата домкрата; 11-15 - подшипниковые опоры, в том числе 11,15 - стандартные, 12-14 - совмещенные с муфтовыми соединениями.

Подробное описание изобретений

Валопровод 1 турбоагрегата согласно изобретению содержит роторы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 многоцилиндровой ПТ соответственно с ЦВД 2, ЦСД 3, двух- поточным ЦНД 4 и ЭГ5 (фиг.1-4). ПТ включена в контур циркуляции ра- бочего тела с ПК 6, паропроводом 7 острого пара, линиями 8.1 8.2 проме- жуточного перегрева пара и линией 9 возврата конденсата в ПК 6. Роторы 1.1-1.4 скреплены между собой соединительными муфтами, каждая - с двумя ответными полумуфтами 10.1, 10.2 (фиг.1-5). При этом каждый из указанных роторов 1.1-1.4 должен быть установлен на двух подшипнико- вых опорах, но с учетом использования в качестве опорных или опорно- упорных подшипниковых элементов вала внешних поверхностей соответ- ственно цилиндрической и торцевой части полумуфт 10.3, 10.4, число подшипниковых опор сокращается с восьми до пяти за счет совмещения промежуточных опор смежных роторов. Соответственно опоры 11 и 12 предназначены для ротора 1.1 ЦВД 2, опоры 12 и 13- для ротора 1.2 ЦСД 3, опоры 13 и 14 - для ротора 1.3 ЦНД 4, опоры 14 и 15 - для ротора 1.4 ЭГ 5. Как уже отмечалось, внешние цилиндрические поверхности 10.3 всех указанных муфт используются в качестве опорных элементов вала в опор- ных или опорно-упорном подшипниках скольжения подшипниковых опор 11-15. Возможно использование также внешней торцевой поверхности 10.4 указанной муфты в качестве упорных элементов вала в опорно-упорном подшипнике скольжения подшипниковой опоры 12 (фиг.1,2). В каждом подшипнике скольжения подшипниковых опор 12-14, совмещенных с муфтовыми соединениями роторов валопровода, предусмотрены опорные вкладыши 10.5 (фиг.1-4), а при использовании совмещенного с муфтовым соединением опорно-упорного подшипника - упорные вкладыши 10.6 (фиг.1,2).

В муфтовом соединении, входящем в состав подшипника скольжения со- гласно изобретению (фиг.5), разность диаметров AD стягиваемых шпиль- ками 10.7 ответных полумуфт 10.1, 10.2 муфты 10 составляет не более 10 мкм. Стяжные шпильки 10.7 с двумя нарезными хвостовиками 10.8 и гай- ками 10.9 на каждом из хвостовиков выполнены легкосъемными в соответ- ствии с [3]. Для этого тело шпильки 10.7 выполнено слегка конусообраз- ным, и помещено в промежуточную упругую металлическую распорную втулку 10.10 с ответной обратной конусностью. В торцевой части одного из хвостовиков 10.8 предусмотрено нарезное осевое сверление 10.12 для крепления не показанного на чертеже захвата специализированного домкрата, с помощью которого шпилька 10.7 в пределах упругой деформа- ции растягивается, плотно обжимая благодаря своей конусности промежу- точную втулку 10.10, затем на данном хвостовике подвинчивается гайка 10.9, после чего домкрат снимают. При необходимости разборка муфты легко осуществляется в обратном порядке без риска повреждения ее кон- тактных по отношению к подшипниковой опоре поверхностей. Для предотвращения повреждения торцов шпилек 10.7 и гаек 10.9 стыкуемые отверстия полумуфт 10.1, 10.2 закрыты заподлицо с торцами полумуфт защитными колпачками 10.1 1.

Работа турбоагрегата с водопроводом согласно изобретениям

Пример фиг.1. Пар, проходя через проточную часть ЦВД 2 и ЦСД 3, по- мимо передачи на валопровод 1 крутящего момента, создает встречно направленные осевые усилия, благодаря чему большая часть крутящего момента передается за счет трения прижатых друг к другу торцов полу- муфт 10.1, 10.2 соединительной муфты 10, а не за счет стяжных шпилек 10.7. Это дает возможность максимально сократить диаметр муфты. Так как осевые усилия от ЦВД 2 и ЦСД 3 уравновешивают друг друга, то при такой конструктивной схеме возможно уменьшение размеров думмисов (утолщения на роторе, предназначенные для компенсации осевых усилий) вплоть до полного отказа от них. Уменьшение же размеров думмисов означает минимизацию утечек через них пара. Данная конструктивная схема обеспечивает увеличенную экономичность проточной части, так как при ней отсутствует поворот потока пара в ЦВД, и нет необходимости предпринимать дополнительные меры для снижения осевых усилий при стационарной работе турбоагрегата.

Пример фиг.2. Пар, проходя через проточную часть ЦВД 2 и ЦСД 3, по- мимо передачи на валопровод 1 турбоагрегата крутящего момента, создает разнонаправленные осевые усилия, совпадающие с направлением тепло- вых расширений роторов цилиндров, благодаря чему исключаются осевые задевания между рабочими и сопловыми лопатками одной ступени при различных скоростях прогрева ротора и корпуса цилиндра, что позволяет увеличить скорость изменения нагрузки турбоагрегата, не вводя дополни- тельных ограничений по величине допустимых относительных расшире- ний ротора и статора. Такая конструктивная схема оптимальна для энерго- блоков с высокими требованиями к маневренности. Но осевые усилия в данном случае необходимо уравновешивать для каждого цилиндра отдель- но.

В примерах фиг.1 и фиг.2 полумуфты 10.1, 10.2 соединительной муфты 10 подшипниковой опоры 12 одновременно выполняют функцию опорных 10.3 и упорных элементов 10.4 валопровода 1 , взаимодействующих с от- ветными неподвижными опорно-упорными элементами (вкладышами) 10.5, 10.6 подшипниковой опоры. В совмещенных опорных подшипниках опор 13, 14 соответственно осуществляется аналогичное взаимодействие только внешних цилиндрических поверхностей 10.3 полумуфт 10.1 , 10.2 с ответными опорными вкладышами 10.5 соответствующих опор.

В примерах фиг.3,4 предполагается, что муфты 10 совмещаются только с опорными подшипниками, а осевые усилия воспринимаются традицион- ным опорно-упорным подшипником, установленным крайним либо со сто- роны ЦВД 2 (фиг.З, опора 1 1), либо со стороны ЭГ 5 (фиг.4, опора 15). В этих случаях осевые усилия также необходимо уравновешивать для каждо- го цилиндра отдельно. Таким образом, дополнительно к отмеченным выше техническим резуль- татам, выполнение валопровода 1 согласно изобретению в примерах фиг.1, фиг.З, фиг.4 изобретения обеспечивают повышение экономичности и надежности работы, а в примере согласно фиг.2 - повышение маневрен- ности турбоагрегата.