ДВУХЪЯРУСНАЯ СТУПЕНЬ ДВУХЪЯРУСНОГО ЦИЛИНДРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2010 года по МПК F01D1/04 F01D5/12 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению.

Известна двухъярусная ступень Баумана, состоящая из диафрагмы с сопловыми лопатками и рабочего колеса с рабочими лопатками. Лопаточный аппарат этой ступени разделен перегородками на две части (см. Щегляев А.В. Паровые турбины. Издательство «Энергия», 1976, стр.180-182). В результате нижняя часть (нижний ярус) и верхняя часть (верхний ярус) могут работать при разных перепадах давления, срабатывая разные перепады энтальпий.

Рассматриваемая ступень используется как предпоследняя ступень в цилиндрах низкого давления (ЦНД) мощных конденсационных турбин для обеспечения пропуска повышенного расхода пара через цилиндр путем отвода его части из верхнего яруса, минуя последнюю ступень, прямо в конденсатор.

В результате в верхнем ярусе одиночной ступени Баумана по сравнению с нижним срабатывается двойной перепад энтальпий, и ступень работает при неоптимальном значении основного кинематического параметра u/с_ф, где u - окружная скорость, а с_ф - фиктивная скорость, эквивалентная располагаемому перепаду энтальпий на всю ступень.

Этот недостаток устранен в двухъярусных ЦНД, где вся проточная часть ЦНД разделена перегородками на две независимые части (см. Нишневич В.И., Бакурадзе М.В., Сафонов Л.П., Храбров П.В. Анализ и перспективы применения двухъярусных выхлопов в проточных частях низкого давления мощных паровых турбин. Труды ЦКТИ, 1978 г., стр. 46-59). При этом сохраняются следующие недостатки такого технического решения:

1. В связи с разными давлениями в верхнем и нижнем ярусах в области перегородок, разделяющих ступени на две части, имеют место недопустимо большие перетечки пара;

2. поскольку верхний ярус ступени является продолжением лопатки нижнего яруса, то при относительно длинных лопатках (т.е. D/1<4, где D - средний диаметр ступени, 1 - длина рабочих лопаток) в связи с большой веерностью таких ступеней, оказывается невозможным выдержать оптимальную форму межлопаточных каналов (шаг между лопатками верхнего яруса всегда оказывается больше оптимального значения, и он непрерывно увеличивается к периферии лопаток).

Известна двухъярусная ступень Шелленса, где над рабочими лопатками нижнего яруса к его верхнему бандажу крепятся рабочие лопатки верхнего яруса, причем верхний ярус такой ступени представляет собой самостоятельную турбинную ступень со своим лопаточным аппаратом, отличным от лопаточного аппарата нижнего яруса (см. Schellens C.A. Elastic Fluid Turbine Patented USA N 1263473 Apr. 23, 1918).

Преимущества этой ступени, принятой нами за прототип, состоит в том, что по сравнению со ступенью Баумана здесь для суммарной высоты рабочих лопаток, превышающей 800-900 мм, резко снижаются потери от веерности.

Однако ступень Шелленса имеет очень серьезный недостаток, практически исключающий возможность ее практического применения. Суть этого недостатка состоит в способе крепления лопаток верхнего яруса. В рассматриваемой ступени лопатки своим хвостовиком входят в фигурный паз, выполненный на верхнем бандаже. Т.е. это крепление аналогично креплению лопаток нижнего яруса к диску ступени. При таком решении бандаж нижнего яруса воспринимает не только крутящий момент верхнего яруса, но и нагружается очень большими добавочными центробежными силами.

Поскольку речь идет о длинных лопатках, где запас прочности обычно малый, то при добавочных центробежных нагрузках обеспечить надежную работу такого рабочего колеса крайне сложно.

Задача изобретения состоит в устранении отмеченного недостатка при сохранении всех преимуществ ступени Шелленса.

Указанная задача достигается тем, что двухъярусная ступень турбомашины содержит двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо. Двухъярусное рабочее колесо выполнено из соединенных между собой рабочего колеса верхнего яруса и рабочего колеса нижнего яруса и включает лопатки верхнего и нижнего ярусов, периферийный обвод нижнего яруса, а также корневой и периферийный обводы верхнего яруса. В соответствии с настоящим изобретением двухъярусный сопловой аппарат выполнен из двух самостоятельных частей, соединенных вместе кольцевыми обводами. Периферийный обвод нижнего яруса и корневой обвод верхнего яруса двухъярусного рабочего колеса выполнены цилиндрическими либо фигурными с цилиндрическими частями. Рабочее колесо верхнего яруса соединено с рабочим колесом нижнего яруса разъемным соединением. Передача крутящего момента с рабочего колеса верхнего яруса на периферийный обвод рабочего колеса нижнего яруса осуществляется с помощью, например, шлицевого соединения или другого передающего лишь момент с лопаток верхнего яруса на лопатки нижнего яруса и выполненного на цилиндрических частях фигурного периферийного обвода нижнего яруса и фигурного корневого обвода верхнего яруса в месте контакта рабочих колес верхнего и нижнего ярусов. В случае цилиндрического периферийного обвода нижнего яруса и цилиндрического корневого обвода верхнего яруса шлицы выполнены по всей ширине этих обводов

Предпочтительно двухъярусная ступень содержит на выступающей части корневого обвода верхнего яруса со стороны соплового аппарата лабиринтовое или сотовое уплотнение.

Таким образом, лопаточный аппарат рабочего колеса верхнего яруса выполняется в виде самостоятельного рабочего колеса, где лопатки располагаются между двумя обводами, причем корневой обвод имеет подвижное разъемное соединение с периферийным обводом нижнего яруса.

На Фиг.1 изображено меридиональное сечение предлагаемой ступени.

На Фиг.2 изображен вид В на фиг.1.

На Фиг.3 показан вид по стрелке А (фиг.1) на лопаточный аппарат рабочего колеса этой же ступени.

На Фиг.4 показана форма профилей в корневых сечениях верхнего яруса.

На Фиг.5 показана форма профилей в периферийном сечении нижнего яруса.

На Фиг.6 приведен разрезы С-С по соединительным поверхностям верхнего и нижнего ярусов.

На Фиг.7 приведен разрез D-D по соединительным поверхностям верхнего и нижнего ярусов.

Турбинная ступень двухъярусного ЦНД (Фиг.1-3) содержит двухъярусный сопловой аппарат 1 с сопловыми лопатками, разделенными кольцевыми обводами 2 на верхнюю 3 и нижнюю 4 части, и двухъярусного рабочего колеса 6 с рабочими лопатками 7 и 8, между которыми располагаются периферийный обвод 9 нижнего яруса и корневой обвод 10 верхнего яруса. Периферийный обвод 9 нижнего яруса является для рабочих лопаток 7 нижнего яруса интегральным бандажом.

Концы рабочих лопаток верхнего яруса соединены между собой сплошным периферийным обводом 11.

Для уплотнения радиального зазора между ярусами со стороны соплового аппарата верхнего яруса установлено лабиринтовое уплотнение 12.

Вид на рабочее колесо со стороны выхода потока (вид по стрелке А), приведенный на фиг.1, дает представление о расположении рабочих лопаток в верхнем и нижнем ярусах. При этом нумерация позиций на фиг.3 соответствует нумерации этих же позиций на фиг.1, поскольку на обеих фигурах изображена одна и та же двухъярусная ступень. Форма межлопаточных каналов в корневом сечении рабочих лопаток 8 верхнего яруса изображена на фиг.4, а в периферийных сечениях рабочих лопаток 7 нижнего яруса показана на фиг.5.

Турбинная ступень двухъярусного ЦНД паровой турбины работает следующим образом.

Пар подводится к сопловым аппаратам верхнего I и нижнего II ярусов (Фиг.1) с разными начальными параметрами. В сопловом аппарате верхнего яруса он ускоряется до скорости с_1в, а в сопловом аппарате нижнего яруса до скорости с_1н. При этом величины указанных скоростей соответствуют оптимальным значениям параметров u_в/с_фв и u/c_фн (здесь и далее индексы 'в' и 'н' обозначают верхний и нижний ярусы соответственно).

При относительных скоростях w_1н и w_1в пар поступает в рабочие лопатки 7 нижнего яруса и в рабочие лопатки 8 верхнего яруса, где происходит преобразование энергии потока в механическую энергию, воспринимаемую, в конечном счете, ротором электрического генератора.

При этом необходимо еще раз отметить, что верхний ярус представляет собой совершенно независимую от ступени нижнего яруса ступень турбины, причем обе ступени турбины связаны между собой только обводами, форма которых может быть как конической, так и цилиндрической, а профили, шаги и степени закрутки лопаточных аппаратов рассматриваемых ступеней проектируются совершенно независимо из условия получения максимального кпд ступени.

Однако в отличие от прототипа корневой обвод верхнего яруса рабочего колеса не имеет жесткого соединения с периферийным обводом нижнего яруса.

Как следует из фиг.1, корневой обвод 10 верхнего яруса и периферийный обвод 9 нижнего яруса выполнены фигурными, а именно из конической части и двух цилиндров. На цилиндрических частях сопрягаемых поверхностей нарезаны, например, конические шлицы так, как это показано на фиг.6 и 7. При сборке верхняя ярус просто надвигается на фигурный периферийный обвод нижнего яруса и зубчатые выступы на цилиндрической части корневого обвода верхнего яруса входят в углубления цилиндрических частей периферийного обвода нижнего яруса. От осевого смещения соединяемых поверхностей предохраняют конические штифты 5 на свободных правых частях периферийного обвода 9 нижнего яруса и корневого обвода 10 верхнего яруса, или они фиксируются каким-либо другим известным способом.

При цилиндрическом корневом обводе верхнего яруса и цилиндрическом периферийном обводе нижнего яруса шлицы могут быть нарезаны по всей их ширине.

При указанном соединении рабочее колесо верхнего яруса не нагружает периферийный обвод нижнего яруса добавочными центробежными силами и обеспечивает передачу на нижний ярус через шлицевое соединение только крутящий момент. Лопатки верхнего яруса не требуют жесткого крепления в корневом обводе 10 и периферийном обводе 11 верхнего яруса (фиг.1, 3), т.к. под действием центробежных сил они прижимаются к периферийному обводу 11 верхнего яруса рабочего колеса 6 и передают на корневой обвод 10 верхнего яруса только крутящий момент, а периферийный обвод 11 верхнего яруса оказывается нагруженным только центробежными силами.

Поскольку цилиндрические части периферийного обвода 9 нижнего яруса и корневой обвод 10 верхнего яруса выходят за пределы пера лопаток, то на выступающей части корневого обвода 10 верхнего яруса рабочего колеса со стороны соплового аппарата появляется возможность установить уплотнение 12, снижающее возможную перетечку пара между верхним и нижним ярусами ступени.

Предлагаемое разъемное соединение лопаточных аппаратов нижнего и верхнего ярусов позволяет в случае эрозийного износа лопаточного аппарата верхнего яруса проводить быструю замену изношенного лопаточного аппарата верхнего яруса на новое рабочее колесо без механических повреждений лопаточного аппарата нижнего яруса.

Двухъярусная ступень турбомашины содержит двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо, выполненное из соединенных между собой рабочего колеса верхнего яруса и рабочего колеса нижнего яруса. Периферийный обвод нижнего яруса и корневой обвод верхнего яруса двухъярусного рабочего колеса выполнены цилиндрическими либо фигурными с цилиндрическими частями. Рабочее колесо верхнего яруса соединено с рабочим колесом нижнего яруса разъемным соединением. Передача крутящего момента с рабочего колеса верхнего яруса на периферийный обвод рабочего колеса нижнего яруса осуществляется с помощью шлицевого соединения или другого передающего лишь момент с лопаток верхнего яруса на лопатки нижнего яруса. Соединение, передающее крутящий момент, выполнено на цилиндрических частях фигурного периферийного обвода нижнего яруса и фигурного корневого обвода верхнего яруса в месте контакта рабочих колес верхнего и нижнего ярусов либо, при цилиндрическом периферийном обводе нижнего яруса и цилиндрическом корневом обводе верхнего яруса, шлицы выполнены по всей ширине этих обводов. Изобретение позволяет не нагружать периферийный обвод нижнего яруса нагрузкой от центробежных сил, действующих на верхний ярус, а также обеспечивает возможность быстрой замены лопаточного аппарата верхнего яруса. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухъярусная ступень турбомашины, содержащая двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо, выполненное из соединенных между собой рабочего колеса верхнего яруса и рабочего колеса нижнего яруса и включающее лопатки верхнего и нижнего ярусов, периферийный обвод нижнего яруса, а также корневой и периферийный обводы верхнего яруса, отличающаяся тем, что двухъярусный сопловой аппарат выполнен из двух самостоятельных частей, соединенных вместе кольцевыми обводами, периферийный обвод нижнего яруса и корневой обвод верхнего яруса двухъярусного рабочего колеса выполнены цилиндрическими либо фигурными с цилиндрическими частями, при этом рабочее колесо верхнего яруса соединено с рабочим колесом нижнего яруса разъемным соединением, а передача крутящего момента с рабочего колеса верхнего яруса на периферийный обвод рабочего колеса нижнего яруса осуществляется с помощью, например, шлицевого соединения или другого передающего лишь момент с лопаток верхнего яруса на лопатки нижнего яруса и выполненного на цилиндрических частях фигурного периферийного обвода нижнего яруса и фигурного корневого обвода верхнего яруса в месте контакта рабочих колес верхнего и нижнего ярусов, а при цилиндрическом периферийном обводе нижнего яруса и цилиндрическом корневом обводе верхнего яруса шлицы выполнены по всей ширине этих обводов.

2. Двухъярусная ступень турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что она содержит на выступающей части корневого обвода верхнего яруса со стороны соплового аппарата лабиринтовое или сотовое уплотнение.