ВЫХЛОПНОЙ ПАТРУБОК ЧАСТИ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2006 года по МПК F01D25/30 

Изобретение относится к области энергетики, к паровым турбинам, и может быть использовано при конструировании и модернизации выхлопных патрубков паровых турбин.

Известны конструкции выхлопных патрубков паровых турбин, снабженных диффузором, наличие которого позволяет более рационально реализовать основную функцию выхлопного патрубка - отвод рабочего тела от последней ступени в конденсатор с минимальными потерями энергии, что достигается в основном более эффективным использованием кинетической энергии потока, покидающего последнюю ступень (Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. - М.: Энергия, 1970. С.281. Рис.7-2).

Недостатком известного выхлопного патрубка является его высокая эффективность только в идеальных условиях - при достаточно равномерном поле параметров во входном сечении (например, при аэродинамических испытаниях на моделях). В реальных условиях входа потока, характерных наличием высокоскоростного участка потока на периферии последней ступени (М>1), зоны пониженных скоростей в корневой области, значительных радиальных и окружных составляющих скоростей, эффективность работы патрубка существенно снижается.

Известен выхлопной патрубок части низкого давления паровой турбины, включающий диффузор, образованный внешним и внутренним обводами, и направляющее кольцевое ребро, образующее с внутренним обводом дополнительный канал, при этом внешний обвод выполнен с отрицательной перекрышей по отношению к рабочему колесу последней ступени, а направляющее кольцевое ребро выполнено таким образом, что выходная площадь образованного им с внутренним обводом канала не превышает 10% от выходной площади рабочего колеса. В данном техническом решении в диффузор, встроенный в выхлопной патрубок, поступает лишь часть потока, выходящего из последней ступени, представляющая собой "ядро" потока с незначительной пространственной неравномерностью параметров. Периферийная часть потока с кольцевой закрученной сверхзвуковой струей, образовавшейся при истечении пара из радиального зазора над рабочими лопатками последней ступени, отсекается от "ядра" и протекает с наружной стороны периферийного обтекателя диффузора. Корневая часть потока, представляющая собой область низких скоростей и имеющая склонность к образованию отрыва от стенки патрубка, также отсекается от "ядра" потока. Таким образом, периферийная и корневая части потока оказываются за пределами проточной части диффузора, не создавая отрицательного воздействия на поток, движущийся в проточной части диффузора с незначительными потерями энергии (RU 2050440, МПК F 01 D 25/30, опубл. 20.12.1995 г.).

По совокупности признаков это техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что входные кромки периферийного и корневого обтекателей ориентированы произвольно, их расположение зафиксировано только радиусом их установки и никак не привязано к выходным кромкам рабочих лопаток последней ступени и не согласовано с углами потока в меридиональной плоскости. Это приводит к натеканию потока на периферийный и корневой обтекатели с углами атаки, вызывающими повышенные потери энергии в диффузоре, кроме того, в результате неправильного выбора перекрыши периферийного обтекателя относительно рабочих лопаток последней ступени может быть ошибочно установлена граница периферийной части потока, имеющего большую пространственную неравномерность параметров, при этом недостаточное удаление обтекателей от рабочих лопаток последней ступени отрицательно сказывается на надежности, а избыточное удаление - на эффективности известного устройства.

Заявляемое решение позволяет улучшить аэродинамические характеристики выхлопного патрубка, это достигается правильным расположением периферийного и корневого обтекателей в его паровом пространстве, что позволяет повысить экономичность турбины, а снижение уровня динамических нагрузок на рабочие лопатки последней ступени приводит к повышению надежности турбины.

Предложен выхлопной патрубок части низкого давления паровой турбины, включающий диффузор, образованный периферийным и корневым обтекателями, установленными с перекрышами по отношению к рабочим лопаткам последней ступени и отделяющими от входного сечения патрубка часть его площади в периферийной и корневой зонах, при этом входные кромки периферийного и корневого обтекателей расположены под углами к оси турбины, равными меридиональному углу потока в местах их установки, и удалены от выходных кромок рабочих лопаток на расстояние, равное

z=С·δ, где:

С=5÷10 - коэффициент воздействия на рабочие лопатки;

δ - толщина входных кромок обтекателей,

а перекрыши периферийного и корневого обтекателей по отношению к рабочим лопаткам определяются по формулам

Δп=-(А·L-z·tgγ_п),

Δk=(В·L+z·tgγ_k), где:

L - высота рабочих лопаток;

z - расстояние от обтекателей до выходных кромок рабочих лопаток;

γ_п, γ_k - меридиональные углы потока в местах установки периферийного и корневого обтекателей;

А=0,05÷0,10 - коэффициент доли высоты лопаток в периферийной зоне;

В=0,10÷0,15 - коэффициент доли высоты лопаток в корневой зоне.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид выхлопного патрубка в продольном разрезе, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - сечения Б-Б и В-В фиг.2, на фиг.4 - распределение скорости потока за рабочими лопатками последней ступени.

Выхлопной патрубок включает диффузор 1, образованный периферийным обтекателем 2, установленным с перекрышей Δп по отношению к рабочим лопаткам 3 последней ступени и корневым обтекателем 4, установленным с перекрышей Δk по отношению к рабочим лопаткам 3 последней ступени. Периферийный 2 и корневой 4 обтекатели выполнены из секторов цилиндрической формы и снабжены стяжками 5, соединяющими их с внутренними стенками патрубка 6 и расположенными за пределами проточной части диффузора 1. Периферийный 2 и корневой 4 обтекатели отделяют от входного сечения патрубка 6 часть его площади в периферийной и корневой зонах. Входные кромки 7 периферийного 2 и корневого 4 обтекателей расположены под углами к оси турбины, равными меридиональному углу потока в местах их установки, и удалены от выходных кромок рабочих лопаток на расстояние z, равное

z=С·δ, где:

С=5÷10 - коэффициент воздействия на рабочие лопатки, выбираемый из условия отсутствия "обратного" импульса.

δ - толщина входных кромок обтекателей.

Из экспериментальных данных известно, что повышение давления в потоке перед обтекаемым телом зависит от его формы и скорости набегающего потока и пренебрежимо мало на относительном расстоянии C=z/δ=3÷12, где δ - поперечный размер обтекаемого тела (Лагун В.П., Симою Л.Л. Методика газодинамических исследований проточной части низкого давления натурных паровых турбин. Теплоэнергетика. М.: Энергоиздат, 1967, №11, с.25). В предлагаемой конструкции выхлопного патрубка при уровне скорости С₂=120-250 м/с (фиг.4) в местах установки обтекателей с цилиндрической формой входной кромки коэффициент С изменяется в пределах 5÷10. Перекрыши Δп периферийного и Δk корневого обтекателей по отношению к рабочим лопаткам 3 определяются по формулам

Δп=-(A·L-z·tgγ_п),

Δk=(В·L+z·tgγ_k), где:

L - высота рабочих лопаток;

z - расстояние от обтекателей до выходных кромок рабочих лопаток;

γ_п, γ_k - меридиональные углы потока в местах установки периферийного и корневого обтекателей;

А=0,05÷0,10 - коэффициент доли высоты лопаток в периферийной зоне, определяющий протяженность зоны влияния периферийной высокоскоростной струи, зависящий от типа последней ступени, величины радиального зазора, наличия или отсутствия бандажа;

В=0,10÷0,15 - коэффициент доли высоты лопаток в корневой зоне, характеризующий корневую зону ступени резкой радиальной неравномерностью распределения скоростей, зависящий от типа ступени.

На фиг.4 представлено распределение скорости потока по высоте за рабочими лопатками на входе в патрубок по результатам расчета пространственного потока в ступенях различного типа с обандаженными и необандаженными рабочими лопатками при различных радиальных зазорах, применяемых в конструкциях паровых турбин 5, 10, 15 мм. Минимальные величины коэффициентов А=0,05 и В=0,10 относятся к ступени с обандаженными рабочими лопатками при радиальном зазоре 5 мм. Максимальные А=0,10 и В=0,15 - к ступени с необандаженными рабочими лопатками при радиальном зазоре 15 мм.

Установка периферийного и корневого обтекателей под углами к оси турбины, равными меридиональному углу потока в местах их установки, на заданном расстоянии от выходных кромок рабочих лопаток последней ступени и с определенной перекрышей, позволяет оптимально разграничить поток на "ядро", область большой периферийной неравномерности параметров, корневую область низких скоростей, направив в диффузор максимальную часть массового расхода пара, истекающего из рабочих лопаток последней ступени, одновременно обеспечив течение в диффузоре с минимальными потерями энергии, кроме того, позволяет избежать углов атаки и вызываемых ими дополнительных потерь энергии, возникающих при натекании потока на входные кромки обтекателей.

Снижение уровня динамических нагрузок на рабочие лопатки последней ступени турбины достигается за счет уменьшения обратных импульсов на лопатки от обтекателей, которые возникают при малых расстояниях от обтекателей до выходных кромок рабочих лопаток и усиливаются из-за углов атаки при натекании потока на входные кромки обтекателей.

Испытания предлагаемого устройства, проведенные на одной из паровых турбин, показали, что повышение эффективности его работы достигается снижением полных потерь энергии на величину 0,16 на номинальном режиме работы, что соответствует снижению сопротивления выхлопного патрубка более чем на 30%.

Выхлопной патрубок работает следующим образом.

Поток пара, поступающий в выхлопной патрубок 6 из рабочих лопаток 3 последней ступени, разделяется на три части. Первая часть потока, представляющая собой область большой периферийной неравномерности параметров, отделяется периферийным обтекателем 2 от основного потока и направляется в пространство между периферийным обтекателем 2 и периферийным обводом патрубка 6. Вторая часть потока, представляющая собой корневую область низких скоростей, отделяется от основного потока корневым обтекателем 4 и направляется в пространство между обтекателем 4 и корневым обводом выхлопного патрубка 6. Третья часть потока, представляющая собой область незначительной пространственной неравномерности параметров ("ядро"), направляется в диффузор 1, в котором кинетическая энергия потока эффективно преобразовывается в энергию давления.

Изобретение относится к области энергетики, к паровым турбинам, и может быть использовано при конструировании и модернизации выхлопных патрубков паровых турбин.

Выхлопной патрубок части низкого давления паровой турбины включает диффузор, образованный периферийным и корневым обтекателями, установленными с перекрышами по отношению к рабочим лопаткам последней ступени и отделяющими от входного сечения патрубка часть его площади в периферийной и корневой зонах, при этом входные кромки периферийного и корневого обтекателей расположены под углами к оси турбины, равными меридиональному углу потока в местах их установки, и удалены от выходных кромок рабочих лопаток на расстояние, равное z=C·δ, где С=5÷10 - коэффициент воздействия на рабочие лопатки; δ - толщина входных кромок обтекателей, а перекрыши периферийного и корневого обтекателей по отношению к рабочим лопаткам определяются по формулам Δп=-(A·L-z·tgγ_п) и Δk=(B·L+z·tgγ_k), где L - высота рабочих лопаток; z - расстояние от обтекателей до выходных кромок рабочих лопаток; γ_п, γ_k - меридиональные углы потока в местах установки периферийного и корневого обтекателей; А=0,05÷0,10 - коэффициент доли высоты лопаток в периферийной зоне; В=0,10÷0,15 - коэффициент доли высоты лопаток в корневой зоне. Данное решение позволяет улучшить аэродинамические характеристики выхлопного патрубка, это достигается правильным расположением периферийного и корневого обтекателей в его паровом пространстве, что позволяет повысить экономичность турбины, а снижение уровня динамических нагрузок на рабочие лопатки последней ступени приводит к повышению надежности турбины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Выхлопной патрубок части низкого давления паровой турбины, включающий диффузор, образованный периферийным и корневым обтекателями, установленными с перекрышами по отношению к рабочим лопаткам последней ступени и отделяющими от входного сечения патрубка часть его площади в периферийной и корневой зонах, отличающийся тем, что входные кромки периферийного и корневого обтекателей расположены под углами к оси турбины, равными меридиональному углу потока в местах их установки, и удалены от выходных кромок рабочих лопаток на расстояние, равное

z=C·δ, где

С=5÷10 - коэффициент воздействия на рабочие лопатки;

δ - толщина входных кромок обтекателей,

а перекрыши периферийного и корневого обтекателей по отношению к рабочим лопаткам определяются по формулам:

Δп=-(A·L-z·tgγ_п),

Δk=(B·L+z·tgγ_k), где

L - высота рабочих лопаток;

z - расстояние от обтекателей до выходных кромок рабочих лопаток;

γ_п, γ_k - меридиональные углы потока в местах установки периферийного и корневого обтекателей;

А=0,05÷0,10 - коэффициент доли высоты лопаток в периферийной зоне;

В=0,10÷0,15 - коэффициент доли высоты лопаток в корневой зоне.