ДВУХЪЯРУСНАЯ СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ А.М.РЕПИНА Российский патент 1997 года по МПК F01D1/04 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в турбинах с большим объемным расходом пара.

Известно, что объемный пропуск пара через последние ступени современных ЦНД, т. е. их предельная мощность, ограничивается длиной лопаток последней ступени, которая зависит от прочности и плотности материала лопаток.

Для увеличения пропуска пара через ЦНД при максимально возможной длине лопаток нашла применение известная двухъярусная ступень Баумана (Щегляев А. В. Паровые турбины. Энергия 1967, с. 202), являющуюся аналогом изобретения.

Лопатки рабочего колеса указанной ступени изготовляются двухъярусными, в связи с чем делится поток пара на два потока. Наружный поток пара срабатывает в ступени до давления в конденсаторе, а внутренний поток срабатывает еще одну ступень.

Однако ступени Баумана присущи следующие недостатки:
сохраняется большая веерность лопаток и потери, связанные с веерностью;
большая сложность и трудоемкость изготовления лопаток;
плохая вибрационная характеристика и сложность отстройки;
пониженный КПД по сравнению со ступенью с длинными лопатками на тот же расход пара;
отсутствует возможность ликвидации перетекания пара между потоками;
при эрозионном износе подлежат замене лопатки целиком.

Технической задачей изобретения является создание более экономичной и технологичной ступени паровой турбины с меньшей веерностью и менее трудоемкой при ремонте.

Указанная задача достигается за счет разделения облопачивания рабочего колеса на самостоятельные внешний и внутренний ряды с помощью цельного промежуточного кольца, закрепленного на вершинах шинах лопаток внутреннего ряда, и несущего внешний ряд лопаток, а также соответствующего колесу разделения облопачивания диафрагмы.

На фиг. 1 показана двухрядная ступень, продольный разрез; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение В-С на фиг. 2.

Рабочее колесо 1 ступени турбины состоит из диска 2, закрепленных на диске усиленных рабочих лопаток 3 с выполненными заодно фланцами 4 на их вершинах, образующих внутренней ряд рабочих лопаток. К фланцам 4 внутреннего ряда лопаток закреплено, например, сваркой, цельное промежуточное кольцо 5, на котором установлены рабочие лопасти 5 наружного ряда.

Облопачивание диафрагмы 7 выполнено также в два самостоятельных ряда. Диафрагмы 7 состоит из тела 8 диафрагмы, лабиринтного уплотнения 9 зазора у ротора, сопловых лопаток 10 образующих первый ряд облопачивания, разделительных полуколец 11, сопловых лопаток 12, образующих второй ряд облопачивания, и наружных полуободов 13.

В зазоре между разделительными полукольцами 11 диафрагмы и промежуточным кольцом 5 колеса установлено лабиринтное уплотнение 14.

Вариант крепления лопаток 3 с помощью фланцев 4 к промежуточному кольцу 5 показан на фиг. 3. Фланцы 4 прочно крепятся, например, привариваются, каждый в отдельности к промежуточному кольцу 5 по контуру фланца.

Усиленные лопасти 3 внутреннего ряда выполняют функции рабочих лопаток и спиц, удерживающих промежуточное кольцо 5 через фланец 4.

Приваренный по контуру фланец 4 к промежуточному кольцу 5 представляет собой жестко-упругую демпфирующую диафрагму.

Такое соединение лопаток 3 внутреннего ряда к промежуточному кольцу 5 способно упруго передать часть усилий, возникающих в кольце 5 от действия центробежных сил и потока пара, через лопатки 3 внутреннего ряда диску 2, а также компенсировать тепловые расширения, не вызывая чрезмерных напряжений.

Для рационального использования несущей способности промежуточного кольца и получения большой пропускной площади ступени лопатки 3 внутреннего ряда и промежуточное кольцо 5 выполнены из прочной стали, а лопатки наружного ряда выполнены из легких и прочных материалов, например, титановых сплавов.

В описанной ступени паров турбины рабочее колесо и диафрагма облопачены двумя самостоятельными рядами лопаток, а получающиеся два потока пара имеют свои параметры и скорости.

Тепловой расчет, выбор шага сопловых и рабочих лопаток, необходимая закрутка ведутся независимо для каждого потока пара.

Работа ступени.

Пар, выходящий из предыдущей ступени в диафрагме 7 разделительными полукольцами 11 делится на два потока, работающие как самостоятельные ступени на лопатках 3 и 6 колеса 1.

При вращении под действием пара рабочего колеса 1 возникают следующие основные силы, действующие на промежуточное кольцо 5:
а) от центробежных сил наружного ряда лопаток 6;
б) от центробежных сил собственной массы кольца 5;
в) от удерживающего действия внутреннего ряда лопаток 3;
г) от действия потока пара на колесо 1.

Под действием сил, указанных в пп. а) и б), промежуточное кольцо растягивается, увеличивая свой диаметр, в то же время лопатки 3 внутреннего ряда, будучи спицами, через фланцы 4 приваренные к кольцу 5, препятствуют такому растяжению, воспринимая на себя часть усилий, и передают их диску 2.

При этом с ростом усилий на кольцо возрастает и доля передаваемых усилий от кольца через лопатки диску.

Силы от действия потока пара на колесо по п. г) значительно меньше рассмотренных и не меняют действия рассмотренных сил в принципе, хотя и усложняют картину нагрузок на рабочее колесо.

При установившемся режиме наступит равновесие системы: диск лопатки внутреннего ряда промежуточное кольцо лопатки наружного ряда, т.е. для определенных рабочих условий ступени обеспечивается возможность с помощью конструктивных методов и расчетов создать двухрядное рабочее колесо с оптимально необходимым запасом прочности всех элементов, входящих в рассматриваемую cистему.

Предлагаемая двухрядная ступень паровой турбины имеет меньшую веерность рабочего колеса и диафрагмы, а отсюда и меньшие потери, связанные с веерностью.

В такой ступени имеется возможность изготовления лопаток наружного ряда рабочего колеса из легких и прочных материалов (например, титан и другие) большой длины при сохранении допустимых напряжений в промежуточном кольце, т. е. возможно изготовление ступени с большей пропускной площадью, чем существующие.

Применение двухрядной ступени позволит или уменьшить выходную скорость потока и потере с ней, или увеличить предельную мощность ЦНД.

При эрозионном износе подлежат замене только лопатки наружного ряда, имеющие малую массу и небольшую трудоемкость. Такая замена проста и возможна в условиях станции.

Вибрационная устойчивость двухрядного колеса выше, чем колеса с длинными лопатками и двухъярусного колеса ступени Баумана, и проще в отстройке.

Использование: турбостроение. Сущность изобретения: облопачивание как рабочего колеса, так и диафрагмы ступени с помощью промежуточных колец выполнено в два самостоятельных радиальных ряда. Лопатки наружного ряда рабочего колеса исполнены из легких и прочных материалов. 3 ил.

Двухъярусная ступень осевой турбомашины, содержащая диафрагму с двухъярусным направляющим аппаратом и двухъярусное рабочее колесо, отличающаяся тем, что облопачивание рабочего колеса выполнено в два радиальных ряда с промежуточным цельным кольцом между рядами, при этом лопатки внутреннего ряда с помощью усиленных полок-фланцев, выполненных за целое с телом лопаток, соединены, например, сваркой, с промежуточным кольцом, а лопатки внешнего ряда выполнены из прочных легких материалов, например титановых сплавов, установлены на промежуточном кольце.