ДВУХПОТОЧНЫЙ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ЦИЛИНДР ТУРБИНЫ Российский патент 1994 года по МПК F01D1/02 F01D25/24 

Изобретение относится к паротурбиностроению.

Известен двухпоточный цилиндр низкого давления паровой турбины мощностью 1200000 кВт с пятью осевыми ступенями на поток, с рабочей лопаткой последней ступени 1200 мм и отборами пара из проточной части на регенерацию [1].

Недостатком конструкции цилиндра является большое число (пять на поток) ступеней. Анализ многочисленных опытных данных свидетельствует, что экономичность проточной части турбины уменьшается с ростом числа ступеней из-за накопления отклонений потока. Это общий недостаток всех чисто осевых многоступенчатых цилиндров.

Известен также принятый за прототип двухпоточный радиально-осевой цилиндр турбины, содержащий корпус с камерами отбора пара, в котором установлена многопоточная радиально-осевая ступень, состоящая из спиральной камеры подвода пара, направляющего аппарата и рабочего колеса меандрообразного типа с основными и с сообщенными с камерами отбора дополнительными каналами, а также соединенные с основными каналами осевые ступени, имеющие направляющие и рабочие лопатки активного типа со степенью реактивности и корневой обвод, образующая которого продолжает образующую корневого обвода рабочего колеса радиально-осевой ступени [2].

В рабочем колесе меандрообразного типа имеет место парциальность потока, которая приводит к снижению экономичности многопоточной радиально-осевой ступени и цилиндра в целом.

В проточной части цилиндра с осевыми ступенями неизбежны радиальные составляющие потока, особенно значительные на режимах малых расходов пара. Чтобы избежать при этом отрыва потока в прикорневой зоне рабочей лопатки последней ступени, прибегают к повышению в прикорневом сечении ступени степени реактивности вплоть до 40%. Повышение степени реактивности в корневом сечении ступени приводит к большому ее значению в периферийных сечениях, что приводит к возрастанию в периферийной области M_w2 - числа Маха по скорости потока на выходе из рабочего колеса, возникновению скачков уплотнения и, как следствие, к дополнительным потерям энергии рабочего тела, снижению экономичности и надежности цилиндра.

Отрыв потока в прикорневой зоне рабочей лопатки последней ступени на режимах малых расходов пара снижает маневренные качества цилиндра и всей установки.

В цилиндре по прототипу не предусмотрено регулирование расхода пара на регенерацию, что также снижает экономичность установки.

Цель изобретения - повышение экономичности, надежности и маневренности цилиндра и всей паротурбинной установки.

Указанная цель достигается тем, что рабочее колесо радиально-осевой ступени выполнено с профилем, касательная к которому в корневой точке выходного сечения наклонена к оси турбины под углом от минус 15 до плюс 15^о, образующая корневого обвода осевых ступеней в меридиональной плоскости сечения совпадает с упомянутой касательной, направляющие и рабочие лопатки последней осевой ступени снабжены разделителями, установленными к образующей под углом 10-15^о, причем прикорневой участок рабочей лопатки под разделителем выполнен со степенью реактивности от минус 5 до плюс 5%, а корневой участок рабочей лопатки над разделителем - со степенью реактивности от 0 до 5%.

Направляющий аппарат радиально-осевой ступени снабжен поворотными лопатками, установленными на входе в дополнительные каналы рабочего колеса.

Лопатка с разделителем потока известна. Это двухъярусная лопатка в ступенях типа Баумана (Кириллов И.И. и др. Паровые турбины и паротурбинные установки. Л.: Машиностроение, 1978, с. 31 и 44).

Для двухъярусной рабочей лопатки в ступенях типа Баумана характерно применение разделителя потока в средней части лопатки (ближе к периферии). При этом профилирование лопатки по высоте выполняется по законам профилирования обычной закрученной лопатки переменного профиля.

В предлагаемой же конструкции прикорневой участок рабочей лопатки последней ступени под разделителем выполнен со степенью реактивности от минус 5 до плюс 5%, а корневой участок лопатки над разделителем - со степенью реактивности от 0 до 5%. Таким образом, разделенная лопатка имеет две ярко выраженные различные части: прикорневую (мощная несущая часть) и периферийную (жесткая в основании, переходящая в легкое перо).

В предлагаемом устройстве направляющий аппарат радиально-осевой ступени снабжен поворотными лопатками.

Применение поворотных лопаток известно. Однако в предлагаемом цилиндре поворотные лопатки входят как автономные элементы в состав общего регулируемого направляющего аппарата многопоточной радиально-осевой ступени.

На фиг.1 представлен схематически продольный разрез двухпоточного радиально-осевого цилиндра турбины с отрицательным углом наклона образующей корневого обвода осевых ступеней, где К - корневая точка выходного сечения радиально-осевого колеса; О - образующая корневого обвода осевых ступеней; на фиг. 2 - то же, с углом наклона образующей корневого обвода осевых ступеней, равным нулю; на фиг.3 - то же, с положительным углом наклона образующей корневого обвода осевых ступеней.

Цилиндр содержит корпус 1 с камерами 2 отбора пара. В корпусе установлены осевые ступени 3 и 4 и многопоточная радиально-осевая ступень 5, состоящая из спиральной камеры 6 подвода пара, направляющего аппарата 7 и рабочего колеса с основными каналами 8 и дополнительными каналами 9.

Основные каналы 8 рабочего колеса сообщены с осевыми ступенями, а дополнительные каналы 9 рабочего колеса сообщены с камерами отбора пара.

Направляющий аппарат 7 радиально-осевой ступени 5 снабжен автономными решетками поворотных лопаток 10, установленными на входе в дополнительные каналы рабочего колеса.

Рабочее колесо радиально-осевой ступени выполнено с профилем, касательная к которому в корневой точке К выходного сечения наклонена к оси турбины под углом от минус 15 до плюс 15^о, а образующая О корневого обвода осевых ступеней в меридиональной плоскости сечения совпадает с упомянутой касательной.

Направляющие и рабочие лопатки последней осевой ступени снабжены разделителями потока 11 и 12, установленными под углом 10-15^о к образующей корневого обвода осевых ступеней, причем прикорневой участок рабочей лопатки под разделителем выполнен со степенью реактивности от минус 5 до плюс 5%, а прикорневой участок рабочей лопатки над разделителем - со степенью реактивности от 0 до 5%.

Образующая корневого обвода осевых ступеней отражает лишь тенденцию раскрытия проточной части. С учетом технологических возможностей корневое сечение и разделитель рабочей лопатки последней ступени могут быть выполнены как параллельными, так и наклонными к оси цилиндра во всех схемах проточной части, что не влияет на работоспособность турбины и достижение цели, решаемой изобретением.

В лопатках предельной веерности в корневом сечении выгодно применять минимальную степень реактивности. Однако малая и особенно отрицательная степени реактивности легко приводят к отрыву потока в корневом сечении. В предлагаемой же конструкции при наличии разделителя потока корневая часть лопатки имеет настолько малую веерность, что можно применить даже небольшую отрицательную степень реактивности, которую в соответствии с опытами следует ограничить 5%.

Цилиндр работает следующим образом.

Пар из спиральной камеры 6 поступает в направляющий аппарат 7 и далее тремя разделенными (изолированными) потоками поступает в основные каналы 8 и дополнительные каналы 9 рабочего колеса.

В дополнительные каналы рабочего колеса пар поступает через автономные решетки поворотных лопаток 10 общего направляющего аппарата.

Совершив полезную работу, пар из дополнительных каналов 9 рабочего колеса поступает в камеры 2 его отбора и далее к потребителю, а пар из основных каналов 8 рабочего колеса поступает в осевые ступени 3 и 4.

Прижатие потока пара с помощью специального профилирования радиально-осевого рабочего колеса к прикорневому обводу проточной части осевых ступеней и выполнение в последней ступени разделителей 11 и 12 препятствуют отрыву потока в области корневых сечений рабочей лопатки последней ступени на режимах малых расходов пара.

Применение в предлагаемом цилиндре многопоточной радиально-осевой ступени с направляющим аппаратом, снабженным двумя автономными решетками с поворотными лопатками, позволяет регулировать расход пара на регенерацию и другие цели, что повышает экономичность цилиндра и всей паротурбинной установки.

Применение разделителей потока в последней ступени позволяет существенно снизить веерность рабочих лопаток последней ступени на обоих участках.

Применение активного профиля на части лопатки и разделителя потока повысит жесткость лопатки и ее прочность. Становится возможным разработать лопатку последней ступени на 3000 об/мин длиной 1500 мм и более. Увеличение длины лопатки последней ступени позволяет сократить число осевых ступеней.

Предлагаемый цилиндр содержит только две осевые ступени на поток. Уменьшение числа осевых ступеней приведет к повышению КПД цилиндра из-за уменьшения отклонений потока в проточной части, а также к сокращению длины его ротора, что повысит жесткость ротора и вибрационную надежность цилиндра.

Прижатие потока к корневым сечениям осевых ступеней за счет специального профилирования известными способами двухпоточного радиально-осевого рабочего колеса и применение разделителей потока в последней ступени ослабят радиальные течения пара в осевых ступенях. Эти технические решения будут препятствовать отрывам потока в прикорневой области последней ступени, особенно на режимах частичных нагрузок, что приведет к расширению области устойчивых режимов последней ступени и повышению маневренности цилиндра, а также к повышению его экономичности.

Выполнение рабочей лопатки последней ступени с малой реактивностью в корневой части позволит снизить реактивность и в периферийных сечениях, снизить числа M_w2 - числа Маха по скорости потока у периферии на выходе из рабочего колеса. Снижение чисел Маха ослабит скачки уплотнения, повысит экономичность и надежность последней ступени и всего цилиндра.

Таким образом, предлагаемое устройство цилиндра в целом охватывает новые принципиальные связанные между собой решения, обеспечивающие высокие маневренные качества турбины.

Использование: в паротурбостроении, на тепловых электрических станциях. Сущность изобретения: цилиндр содержит корпус с камерами отбора пара, в нем установлена многопоточная радиально-осевая ступень с основными и дополнительными каналами и осевые ступени, рабочее колесо радиально-осевой ступени выполнено с профилем, касательная к которому в корневой точке выходного сечения наклонена к оси турбины под углом от минус 15 до плюс 15°, образующая корневого обвода осевых ступеней совпадает с упомянутой касательной, рабочая лопатка последней ступени снабжена разделителем потока, направляющий аппарат радиально-осевой ступени снабжен поворотными лопатками, установленными на входе в дополнительные каналы рабочего колеса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВУХПОТОЧНЫЙ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ЦИЛИНДР ТУРБИНЫ, содержащий корпус с камерами отбора, в котором установлены многопоточная радиально-осевая ступень, состоящая из спиральной камеры подвода пара, направляющего аппарата и рабочего колеса с основными и с сообщенными с камерами отбора дополнительными каналами, а также соединенные с основными каналами осевые ступени, имеющие направляющие и рабочие лопатки активного типа со степенью реактивности и корневой обвод, образующая которого продолжает образующую корневого обвода рабочего колеса радиально-осевой ступени, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, надежности и маневренности, рабочее колесо радиально-осевой ступени выполнено с профилем, касательная к которому в точке выходного сечения наклонена к оси турбины под углом от минус 15 до плюс 15^o, образуюшая корневого обвода осевых ступеней в меридиональной плоскости сечения совпадает с упомянутой касательной, направляющие и рабочие лопатки последней осевой ступени снабжены разделителями, установленными к образующей под углом 10 - 15^o, причем прикорневой участок рабочей лопатки под разделителем выполнен со степенью реактивности от минус 5 до плюс 5 %, а участок рабочей лопатки над разделителем - от 0 до 5%. 2. Цилиндр турбины по п.1, отличающийся тем, что направляющий аппарат радиально-осевой ступени снабжен поворотными лопатками, установленными на входе в дополнительные каналы рабочего колеса.