СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F01D11/08 

Изобретение относится к области турбиностроения, а его объектом является ступень осевой паровой или газовой турбины, состоящая из соплового аппарата и рабочего колеса.

Известна ступень осевой турбины с обандаженным рабочим колесом и надбандажным уплотнением, служащим для ограничения протечек рабочего тела через надбандажный зазор. Ограничение протечки рабочего тела осуществляется путем дросселирования в кольцевых гребешках, установленных на статорной части ступени или на бандаже рабочего колеса [1]. Однако даже при наличии уплотнения в такой ступени, величина надбандажной протечки в ней относительно велика, что снижает мощность ступени из-за уменьшения количества рабочего тела, проходящего через ее рабочие лопатки. При этом поток в надбандажном пространстве и на выходе сохранияет в основном закрутку, определяемую закруткой потока в сопловом аппарате этой ступени. Его отклонение от осевого направления может достигнуть 70^o [2]. В результате этого поток надбандажной протечки натекает на сопловую решетку последующей ступени под большим углом атаки, что приводит к снижению ее экономичности.

Недостаточная эффективность указанных надбандажных уплотнений привела к разработке новых решений, направленных как на уменьшение величины самой надбандажной проточки, так и на уменьшение ее негативного влияния на экономичность последующих ступеней турбины. Так, известна ступень осевой турбины с надбандажным уплотнением, в котором помимо кольцевых гребешков на внешней периферии каждой лопатки установлен профилированный выступ, который отклоняет рабочее тело, протекающее через надбандажное уплотнение, обратно в сторону высокого давления [3]. Такое решение позволяет сократить надбандажную протечку. Однако его использование требует дополнительных затрат энергии, связанных с работой профилированных выступов, величина которой может оказаться больше, чем увеличение выработки энергии благодаря уменьшению величины протечки.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения по конструкционным признакам является ступень проточной части осевой турбины, которая содержит сопловый аппарат турбины, рабочее колесо с бандажом, надбандажное уплотнение с кольцевыми гребешками и установленную за ними решетку дефлекторных пластин [4] . В таком известном устройстве решетка дефлекторных пластин, установленных между рабочим колесом одной ступени и сопловым аппаратом последующей ступени, выполняет, по существу, функцию направляющего аппарата, обеспечивающего безударный вход потока надбандажной протечки в сопловый аппарат последующей ступени. Влияние же указанной решетки на величину надбандажной протечки незначительно, т. к. на пути от усика надбандажного уплотнения до входа в решетку дефлекторных пластин, расположенных за бандажом рабочего колеса, струя потока надбандажной протечки расширяется, скорость ее падает, а потому потери давления в потоке протечки при обтекании им этой решетки дефлекторных пластин малы. Кроме того, поскольку в ближайшем аналоге диаметр внутреннего обвода решетки дефлекторных пластин задан в диапазоне, при котором она входит в зону, занятую основным потоком рабочего тела, возможно негативное воздействие этой решетки на основной поток.

В основу настоящего изобретения была поставлена задача создания ступени осевой турбины, в которой было бы обеспечено увеличение сопротивления в тракте надбандажной протечки и тем самым уменьшение ее величины.

Эта задача решается в ступени осевой турбины, содержащей сопловый аппарат, рабочее колесо с бандажом, надбандажное уплотнение с кольцевыми гребешками и установленную за ним решетку дефлекторных пластин, в которой, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, решетка дефлекторных пластин выполнена и установлена так, что передние кромки ее пластин расположены в надбандажном пространстве возможно ближе к заднему по ходу потока кольцевому гребешку надбандажного уплотнения, а внутренний диаметр части решетки, расположенной за бандажом, находится в пределах между наружным диаметром рабочих лопаток и наружным диаметром бандажа.

При таком выполнении ступени турбомашины поток надбандажной протечки с высокой скоростью, близкой к скорости его прохождения над задним кольцевым гребешком надбандажного уплотнения, и под большим углом атаки входит в решетку дефлекторных пластин, а поэтому прохождение через эту решетку сопровождается большими затратами энергии потока надбандажной протечки. В результате этого увеличивается сопротивление в тракте прохождения надбандажной протечки, а следовательно уменьшается и ее величина. При этом такой результат достигается при указанном внутреннем диаметре решетки дефлекторных пластин, что устраняет негативное влияние этой решетки на основной поток рабочего тела.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующим далее подробным описанием одного из примеров его реализации, изображенного на прилагаемых чертежах, на которых:
- фиг. 1 показывает продольный разрез ступени осевой паровой турбины, выполненной согласно изобретению;
- фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1 решетки дефлекторных пластин;
- фиг. 3 - график, показывающий изменение величины надбандажной протечки в зависимости от расстояния между задним кольцевым гребешком уплотнения и передней кромкой пластин дефлекторной решетки.

На чертежах - фиг. 1 и 2 изображена ступень осевой паровой турбины, которая содержит последовательно расположенные сопловой аппарат 1 и рабочее колесо 2 с бандажом 3. На бандаже 3 выполнены кольцевые гребешки 4, образующие надбандажное уплотнение. За этим уплотнением расположена установленная в обойме 5 решетки дефлекторных пластин 6.

Решетка дефлекторных пластин 6 расположена так, чтобы передние кромки пластин 6 располагались в надбандажном пространстве рабочего колеса 2 возможно ближе к заднему по ходу потока кольцевому гребешку 4. Указанная возможность коррелируется как с величинами относительных продольных тепловых расширений ротора и статора цилиндра паровой турбины, так и с общеизвестными конструктивными требованиями.

При этом, как и в ближайшем аналоге, достаточно существенное значение имеет шаг решетки дефлекторных пластин 6, который должен обеспечить эффективное взаимодействие потока надбандажной протечки с этой решеткой. По результатам экспериментальных исследований на модели типовых конструкций надбандажных уплотнений турбин АО ЛМЗ с установленными за ними решетками дефлекторных пластин согласно изобретению установлено, что оптимальным соотношением между шагом t решетки дефлекторных пластин 6 и их длиной b является следующее:
t/b < tgα,
где α - угол отклонения потока надбандажной протечки от осевого направления.

Диаметр внутреннего обвода части решетки дефлекторных пластин, расположенной за рабочим колесом 2, в иллюстрируемом примере соответствует наружному диаметру лопаток рабочего колеса. Однако указанный диаметр может быть и несколько больше, однако не превышающим наружный диаметр бандажа 3 рабочего колеса 2.

Работа описанной ступени осевой паровой турбины осуществляется в соответствии с общеизвестными физическими законами. Вместе с тем в соответствии с изобретением происходит обтекание потоком надбандажной протечки решетки дефлекторных пластин 6, что сопровождается значительными потерями энергии этого потока, т. е. увеличенным сопротивлением тракта его прохождения, а следовательно, и уменьшением величины потока надбандажной протечки.

На фиг. 3 представлены результаты экспериментального исследования, проведенного на модели, имитирующей в масштабе 2:1 типовую конструкцию надбандажного уплотнения турбин АО ЛМЗ с использованием настоящего изобретения при указанном выше оптимальном шаге t решетки дефлекторных пластин 6.

На графике, помещенном на фиг. 3, представлена в относительных величинах зависимость расхода β рабочего тела, протекающего через надбандажное уплотнение, от расстояния между задним по ходу потока рабочего тела кольцевым гребешком 4 и передней кромкой дефлекторных пластин 6. Величина относительного расхода β представлена в виде отношения расхода G_упл. pабочего тела через надбандажное уплотнение с использованием настоящего изобретения к расходу G_o через такое же уплотнение без решетки дефлекторных пластин. Величина относительного расстояния представлена в виде отношения абсолютного расстояния передних кромок дефлекторных пластин 6 от заднего кольцевого гребешка 4 к радиальному зазору δ_p в надбандажном уплотнении.

Представленный график демонстрирует существенность влияния положения передних кромок дефлекторных пластин 6 на величину протечки через надбандажное уплотнение.

Источники информации
1. Трухний А.Д., Лосев С.М. Стационарные паровые турбины. - М.: 1981, с. 46-47, рис. 2.19.

2. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин. - Л.: 1980, с. 187, рис. VI.12.

3. Патент США N 3575523, F 01 D 5/20, 1971.

4. Акц. заявка Японии N 61-33968, F 01 D 11/08, 1986.

Ступень осевой турбины содержит сопловый аппарат, рабочее колесо с бандажом, надбандажное уплотнение с кольцевыми гребешками. За кольцевыми гребешками установлена решетка дефлекторных пластин. Передние кромки пластин решетки расположены в надбандажном пространстве возможно ближе к заднему по ходу потока кольцевому гребешку надбандажного уплотнения. Внутренний диаметр части решетки, расположенной за бандажом, находится в пределах между наружным диаметром лопаток рабочего колеса и наружным диаметром бандажа. Такое выполнение ступени осевой турбины уменьшает надбандажные протечки. 3 ил.

Ступень осевой турбины, содержащая сопловый аппарат, рабочее колесо с бандажом, надбандажное уплотнение с кольцевыми гребешками и установленную за ними решетку дефлекторных пластин, отличающаяся тем, что решетка дефлекторных пластин выполнена и установлена так, что передние кромки ее пластин расположены в надбандажном пространстве возможно ближе к заднему по ходу потока кольцевому гребешку надбандажного уплотнения, а внутренний диаметр части решетки, расположенной за бандажом, находится в пределах между наружным диаметром лопаток рабочего колеса и наружным диаметром бандажа.