СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1994 года по МПК F01D11/02 F01D5/06 

Изобретение относится к турбиностроению и может быть использовано в паровых турбинах.

Известны многоступенчатые осевые паровые турбины, ступени давления которых содержат диафрагму и рабочее колесо, в диске которого выполнены цилиндрические разгрузочные каналы.

При вращении диска рабочего колеса под действием сил вязкости рабочее тело в камере между диафрагмой и диском закручивается в окружном направлении и под действием центробежных сил инерции частично отбрасывается в проточную часть. Вбрасываемое в проточную часть рабочее тело, смешиваясь с основным потоком, вызывает рост потерь в корневых сечениях рабочих лопаток. Этот рост обусловлен турбулизацией основного потока, изменением угла его натекания на рабочие лопатки, увеличением толщины и вероятности отрыва пограничного слоя и, следовательно, интенсификацией вторичных перетеканий.

При этом отметим, что разгрузочные каналы в диске обычно выполняются на минимально возможном диаметре и поэтому они не могут предотвратить или заметно уменьшить отмеченное выше выбрасывание рабочего тела в проточную часть.

Поток протечки через цилиндрические разгрузочные каналы, ось которых параллельна оси турбины, закручивается на выходе в окружном направлении, на что расходуется полезная мощность и, следовательно, снижается коэффициент полезного действия.

Кроме того, технология выполнения разгрузочных каналов в дисках цельнокованных роторов не позволяет сделать в дисках каждой ступени оптимальное для данной ступени количество разгрузочных каналов: количество, площадь проходного сечения и диаметр расположения разгрузочных каналов выполняются одинаковыми для целой группы ступеней. Это обстоятельство также вызывает определенные потери, т.е. недобор полезной мощности.

Близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигнутому положительному эффекту является ступень осевой турбины, в которой диск рабочего колеса со стороны диафрагмы снабжен дополнительными лопатками, установленными с углами β_вх <90^о и β_вых > 90^о и расположенными по окружности между корневым сечением рабочих лопаток и разгрузочными каналами, где β_вх и β_вых углы на входе и выходе дополнительных лопаток между направлением вращения диска и касательной к скелетной линии лопатки, ориентированной к центру диска.

Некоторые недостатки, присущие предыдущей конструкции, здесь отсутствуют: так как разгрузочные каналы изогнуты, то поток проходящей через них протечки не разгоняется, не закручивается на выходе и, следовательно, не потребляет полезной мощности; в случае отсоса рабочего тела из межвенцового зазора уменьшается вбрасывание рабочего тела в проточную часть; энергия закрутки отсасываемого из проточной части потока используется в дополнительных лопатках для совершения работы.

Однако рассматриваемой конструкции присущи и определенные недостатки. В частности, при увеличении в процессе работы турбины зазора в диафрагменном уплотнении ступени вместо планируемого отсоса рабочего тела из межвенцового зазора будeт иметь место подсос. В этом случае установка дополнительных лопаток приведет к дополнительным потерям энергии в турбинной ступени.

Другим недостатком рассматриваемой конструкции является понижение надежности турбинной ступени, т.к. при установке на рабочем колесе дополнительных лопаток напряжения в диске рабочего колеса возрастают.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности осевой ступени.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ступени, содержащей диафрагму и рабочее колесо с разгрузочными каналами, имеющее диск и рабочие лопатки, на полках которых со стороны диафрагмы выполнен кольцевой козырек, согласно изобретению и в отличие от известной конструкции разгрузочные каналы выполнены в полках, причем их входы расположены под козырьком на диаметре, близком или совпадающем с диаметром козырька, а выходы - на диаметре, большем диаметра расположения входов.

Изложенное позволяет сделать вывод о новизне предлагаемых отличий.

В доступных авторам источниках научно-технической и патентной литературы не найдены ступени с указанными признаками.

В предлагаемой конструкции разгрузочные каналы, выполненные в полках рабочих лопаток, во-первых, располагаются на максимально возможном диаметре, а во-вторых, по сравнению с разгрузочными каналами в дисках имеют более равномерно распределенную по окружности суммарную площадь проходного сечения. Поэтому все рабочее тело, закрученное под действием сил вязкости и отброшенное центробежными силами к периферии диска под кольцевой козырек, отсасывается из камеры между диафрагмой и диском и не попадает в проточную часть.

Наклон разгрузочных каналов (диаметр расположения их входов меньше диаметра расположения выходов) интенсифицирует транспортировку рабочего тела через них при малом перепаде давлений, т.е. при малой корневой степени реактивности ступени.

Расположение разгрузочных каналов на боковых криволинейных поверхностях полок обеспечивает их изогнутость на выходе в сторону, противоположную вращению, что предотвращает закрутку проходящего через каналы рабочего тела, и, следовательно, предотвращает затрату необходимой для этой закрутки полезной мощности.

Выполнение разгрузочных каналов в полках рабочих лопаток позволяет для каждой ступени реализовать оптимальную площадь их проходных сечений вне зависимости от площади проходных сечений каналов других ступеней. При этом не ослабляется прочность диска и, следовательно, увеличивается надежность, что обеспечивает возможность реализации предложенной конструкции.

Изложенное позволяет сделать вывод о существенности предлагаемых отличий.

Предлагаемые существенные отличия позволяют непосредственно достичь положительного эффекта, а именно увеличить КПД ступени за счет уменьшения дополнительных потерь от вдува рабочего тела в проточную часть и повысить надежность за счет уменьшения уровня напряжений в диске.

На фиг. 1 изображено меридиональное сечение ступени осевой турбины; на фиг. 2 - рабочая лопатка с полкой; на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 2, форма полки в плане.

Ступень осевой турбины содержит диафрагму 1, рабочее колесо 2, имеющее диск 3 и рабочие лопатки 4 с полками 5, имеющими со стороны диафрагмы 1 кольцевой козырек 6. В полках 5 выполнены разгрузочные каналы 7, выходные отверстия 8 которых расположены на большем диаметре D₂, чем диаметр D₁ расположения входных 9. 10 - камера между диафрагмой 1 и диском 3 рабочего колеса 2.

При работе ступени из-за наличия сил вязкости, действующих как внутри рабочего тела в камере 10, так и со стороны вращающегося диска 3 на рабочее тело, последнее закручивается в окружном направлении и под действием центробежных сил частично стекает к наружному диаметру диска 3. Здесь указанный поток G_в тормозится козырьком 6, через отверстие 9 вместе с потоком G_д диафрагменной протечки (при отсутствии в диске 3 разгрузочных каналов) попадает в разгрузочные каналы 7 и далее через выходные отверстия 8 выбрасываются за ступень, таким образом не попадая в проточную часть и не уменьшая КПД ступени.

При этом, если ступень имеет в корне отрицательную или нулевую степень реактивности, то наклон разгрузочных каналов 7 (D₂ > D₁) создает центробежные силы, под действием которых интенсифицируется эвакуация потока G_тр + G_д из камеры 10 за ступень.

Выполнение разгрузочных каналов 7 на боковых криволинейных (см. рис. 3) поверхностях полок 5, являясь простой в технологическом смысле операций, обеспечивает необходимую изогнутость каналов 7 на выходе в сторону, противоположную вращению. При такой форме разгрузочных каналов 7 протечка G_тр + G_д не закручивается на выходе, следовательно, не потребляет полезной мощности, т.е. не снижает КПД ступени.

Отсутствие разгрузочных отверстий и кольцевых пазов, например, типа "ласточкин хвост" в теле диска уменьшает в нем напряжения, в частности, ликвидирует области концентрации напряжений, тем самым повышая надежность работы ступени.

Таким образом предлагаемое изобретение позволяет достичь поставленной цели.

Технико-экономическое преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в увеличении КПД и надежности ступени при упрощении технологии изготовления.

Для оценки ожидаемого экономического эффекта при применении предлагаемого изобретения в турбинах ЛМЗ типа К-300-240 использованы результаты испытаний модельной типовой ступени высокого давления турбин ЛМЗ (D_ср/l_p = 9; α₁ = 11^о40' - испытания ЛМЗ) и модельной типовой ступени среднего давления (D_cp/l_p - 5 - испытания ХПИ, кафедра турбиностроения). В соответствии с этими результатами применение предлагаемой конструкции ступени приводит к увеличению КПД ступени ВД на 0,63% и ступеней СД на 0,49%.

Использование: в турбостроении для осевых ступеней паровых турбин. Сущность изобретения: при работе ступени из - за наличия сил вязкости, действующих как внутри рабочего тела в камере 10, так и со стороны вращающегося диска 3 на рабочее тело, последнее закручивается в окружном направлении и под действием центробежных сил частично стекает к наружному диаметру диска 3. Указанный поток G тормозится козырьком 6, через отверстие 9 вместе с потоком G диафрагменной протечки (при отсутствии в диске 3 разгрузочных каналов) попадает в разгрузочные каналы 7 и далее через выходные отверстия 8 отбрасывается за ступень, таким образом не попадая в проточную часть и не уменьшая КПД ступени. При этом, если ступень имеет в корне отрицательную или нулевую степень реактивности, то наклон разгрузочных каналов 7 (D₂>D₁) создает центробежные силы, под действием которых интенсифицируется эвакуация потока из камеры 10 за ступень. 3 ил.

СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая установленную с зазором относительно вала турбины диафрагму с уплотнением и рабочее колесо, выполненное с разгрузочными профилированными каналами и с козырьком на полках рабочих лопаток, расположенных со стороны диафрагмы, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и КПД, разгрузочные каналы выполнены на боковых поверхностях полок, причем ось каждого канала эквидистантна соответствующей боковой поверхности полки, входные сечения разгрузочных каналов расположены непосредственно под козырьком, а выходные сечения каналов - на диаметре, большем диаметра расположения входных сечений.