Двухъярусная ступень двухъярусного цилиндра низкого давления Российский патент 2017 года по МПК F01D9/04 F01D5/14 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и связано с созданием нового двухъярусного цилиндра низкого давления с повышенным предельным пропуском пара в конденсатор, позволяющим увеличить мощность быстроходной конденсационной паровой турбины без увеличения длин рабочих лопаток последних ступеней.

Известна двухъярусная ступень осевой турбомашины A.M. Репина [Патент RU №2072428, опубл. 27.01.1997, МПК F01D 1/04], содержащая диафрагму с двухъярусным сопловым аппаратом и двухъярусное рабочее колесо, облопачивание которого выполнено в два радиальных ряда с промежуточным цельным кольцом между рядами, лопатки внутреннего ряда с помощью усиленных полок-фланцев соединены сваркой с промежуточным кольцом, а лопатки внешнего ряда, выполненные из прочных легких материалов, установлены на промежуточном кольце.

Основной недостаток данного технического решения заключается в сложности изготовления рабочих лопаток предлагаемой двухъярусной ступени и низких прочностных характеристиках, поскольку единый толстый промежуточный бандаж с глубокими пазами для хвостовиков лопаток верхнего яруса трудно (почти невозможно) скрепить с лопатками нижнего яруса.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является двухъярусная ступень двухъярусного цилиндра низкого давления паровой турбины [Заявка RU №2008111360, опубл. 10.10.2009, МПК F01D 5/00], содержащая двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо, выполненное из соединенных между собой разъемным шлицевым соединением рабочего колеса верхнего яруса и рабочего колеса нижнего яруса, периферийный обвод нижнего яруса, а также корневой и периферийный обводы верхнего яруса.

Основной недостаток рассматриваемого прототипа состоит в том, что при выделении с помощью кольцевых перегородок лопаточных аппаратов ступени при сохранении больших значений хорд профилей сопловых и рабочих лопаток происходит снижение абсолютных и относительных длин сопловых и рабочих лопаток , как в нижнем, так и в верхних ярусах двухъярусной ступени ( - высота лопаток нижнего яруса, b^I - хорда лопаток нижнего яруса, , b^II - высота и хорда лопаток верхнего яруса соответственно). Поскольку концевые потери в лопаточных аппаратах обратно пропорциональны относительным высотам лопаток [А.Е. Зарянкин Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей. Издательский дом МЭИ. 2014. С. 502-511], то в верхнем ярусе двухъярусной ступени происходит рост концевых потерь энергии в каналах сопловых и рабочих решеток, что приводит соответственно к уменьшению кпд ступени верхнего яруса. Снизить концевые потери энергии в лопаточных аппаратах верхнего яруса возможно за счет сокращения хорд этих профилей, однако в конструктивном плане это ведет к сильному увеличению осевого зазора между сопловым аппаратом и рабочим колесом верхнего яруса двухъярусной ступени, что станет причиной увеличения потерь кинетической энергии с выходной скоростью из соплового аппарата. Кроме этого к недостатку прототипа необходимо отнести низкие прочностные характеристики двухъярусной рабочей лопатки, поскольку шлицевое соединение не позволяет обеспечить надежное крепление верхнего и нижнего яруса лопаток между собой.

Таким образом, техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в уменьшении осевого зазора между сопловым аппаратом и рабочим колесом верхнего яруса двухъярусной ступени и соответственно уменьшении потерь кинетической энергии с выходной скоростью из соплового аппарата; в сохранении прочностных характеристик диафрагмы; в выравнивании неравномерного поля скоростей, гашении пульсаций скорости перед сопловым аппаратом второго яруса ступени на переменных нагрузках паровой турбины, а так же в увеличении запаса прочности двухъярусной рабочей лопатки.

Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности двухъярусных ступеней перспективного двухъярусного ЦНД и достигается тем, что известная двухъярусная ступень двухъярусного цилиндра низкого давления, содержащая двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо, выполненное из соединенных между собой разъемным шлицевым соединением рабочего колеса верхнего яруса и рабочего колеса нижнего яруса, периферийный обвод нижнего яруса, а также корневой и периферийный обводы верхнего яруса, содержит сопловой аппарат, выполненный в виде единой неразборной конструкции с цилиндрической и конической перегородкой, разделяющей сопловые лопатки верхнего яруса от сопловых лопаток нижнего яруса, причем хорды профилей лопаток в корневых сечениях верхнего яруса выполняются по меньшей мере на 30% меньше, чем хорды профилей в периферийных сечениях нижнего яруса, при этом лопатки соплового аппарата верхнего яруса смещены относительно лопаток соплового аппарата нижнего яруса в сторону рабочего колеса двухъярусной ступени, кроме этого перед сопловым аппаратом верхнего яруса имеется аэродинамический фильтр, состоящий из плоских радиально установленных перфорированных пластин, непрерывно расположенных с угловым шагом, не превышающим 5°, а рабочее колесо ступени изготавливается из двухъярусных рабочих лопаток, представляющей собой единую неразборную конструкцию.

Перечень фигур:

На фиг. 1 представлен продольный разрез двухъярусной ступени двухъярусного цилиндра низкого давления.

На фиг. 2 для справки приведена аксонометрия двухъярусного рабочего колеса, входящего в состав предлагаемой двухъярусной ступени двухъярусного цилиндра низкого давления.

Двухъярусная ступень представлена на фиг. 1 и содержит двухъярусный сопловой аппарат 1 двухъярусное рабочее колесо 2, выполненное из соединенных между собой рабочего колеса верхнего яруса 3, рабочего колеса нижнего яруса 4, периферийный обвод нижнего яруса 5, являющимся также корневым обводом для верхнего яруса 6. Сопловой аппарат двухъярусной ступени представляет собой единую неразборную конструкцию с конической перегородкой 7, разделяющей сопловые лопатки верхнего яруса 8 от сопловых лопаток нижнего яруса 9, причем перед сопловыми лопатками верхнего яруса устанавливается аэродинамический фильтр 10, состоящий из плоских радиально установленных перфорированных пластин, непрерывно расположенных с угловым шагом, не превышающим 5°.

Двухъярусная ступень паровой турбины работает следующим образом. Пар подводится к сопловым аппаратам верхнего и нижнего ярусов с разными начальными параметрами, где происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергии, причем в верхнем ярусе пар первоначально взаимодействует с аэродинамическим фильтром, обладающим малым аэродинамическим сопротивлением и не пропускающим крупные дискретные вихревые образования к входному сечению соплового аппарата верхнего яруса. Наличие аэродинамического фильтра оправдана не только с аэродинамической точки зрения, но и с точки зрения сохранения прочностных характеристик диафрагмы. В сопловом аппарате верхнего яруса пар ускоряется до скорости c_1в, а в сопловом аппарате нижнего яруса до скорости c_1н. 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.

Двухъярусная ступень паровой турбины содержит двухъярусный сопловой аппарат и двухъярусное рабочее колесо. Сопловой аппарат ступени выполнен в виде единой неразборной конструкции с конической перегородкой, разделяющей сопловые лопатки верхнего яруса от сопловых лопаток нижнего яруса. Хорды профилей лопаток в корневых сечениях верхнего яруса выполняются по меньшей мере на 30% меньше, чем хорды профилей в периферийных сечениях нижнего яруса. Лопатки соплового аппарата верхнего яруса смещены относительно лопаток соплового аппарата нижнего яруса в сторону рабочего колеса двухъярусной ступени. Перед сопловым аппаратом верхнего яруса имеется аэродинамический фильтр, состоящий из плоских радиально установленных перфорированных пластин, непрерывно расположенных с угловым шагом, не превышающим 5°. Рабочее колесо ступени изготавливается из двухъярусных рабочих лопаток, представляющих собой единую неразборную конструкцию. Достигается повышение эффективности и надежности. 2 ил.

Двухъярусная ступень паровой турбины, содержащая 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, а также корневой и периферийный обводы верхнего яруса, отличающаяся тем, что сопловой аппарат ступени выполнен в виде единой неразборной конструкции с конической перегородкой, разделяющей сопловые лопатки верхнего яруса от сопловых лопаток нижнего яруса, причем хорды профилей лопаток в корневых сечениях верхнего яруса выполняются по меньшей мере на 30% меньше, чем хорды профилей в периферийных сечениях нижнего яруса, при этом лопатки соплового аппарата верхнего яруса смещены относительно лопаток соплового аппарата нижнего яруса в сторону рабочего колеса двухъярусной ступени, а перед сопловым аппаратом верхнего яруса имеется аэродинамический фильтр, состоящий из плоских радиально установленных перфорированных пластин, непрерывно расположенных с угловым шагом, не превышающим 5°, а рабочее колесо ступени изготавливается из двухъярусных рабочих лопаток, представляющих собой единую неразборную конструкцию.