Направляющая лопатка ступени цилиндра низкого давления паровой турбины Российский патент 2023 года по МПК F01D9/04 F01D5/14 

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности, паротурбиностроения, и может быть использовано при проектировании направляющих лопаток, входящих в состав ступеней цилиндров низкого давления осевых паровых турбин.

Актуальной задачей паротурбиностроения в настоящее время является повышение внутреннего относительного КПД паровых турбин. Ступени цилиндра низкого давления паровой турбины работают в условиях повышенных объемных расходов, следовательно, в условиях повышенных скоростей потока пара. В частности, возможно появление сверхзвуковых течений.

Внутренний относительный КПД паровой турбины находится в прямой зависимости от потерь энергии в ступени, содержащей направляющие лопатки и рабочие лопатки. Чем ниже потери энергии, тем выше КПД. Потери энергии в ступени с дозвуковым течением пара подразделяются на следующие виды: профильные, вторичные, потери от утечек. При возникновении сверхзвуковых течений добавляется еще одна составляющая - волновые потери или потери от скачков уплотнений пара. Помимо проблемы снижения потерь энергии, существуют еще следующие проблемы: опасность поломок рабочих лопаток из-за повышенной вибрационной нагрузки и эрозионный износ, снижающий надежность рабочих лопаток в ступенях, работающих на влажном паре.

Существует много различных способов снижения потерь энергии в ступенях цилиндра низкого давления. Некоторые из них: контроль, прогнозирование образования вихревых течений, отрывов потока при проектировании направляющих лопаток применение корневого и периферийного обводов проточной части неосесимметричной формы, осевой и тангенциальный наклоны (изгибы) и многие другие способы. Осевой и тангенциальный наклоны (изгибы) являются одним из наиболее широко применяемых методов в современном турбиностроении. М.Е. Дейч («Газодинамика решеток турбомашин», Москва, Энергоатомиздат, 1996 г., стр. 388-402) предложил концепцию использования саблевидных лопаток как частный случай тангенциального изгиба. Из открытых источников известно, что тангенциальный и осевой изгибы могут значительно влиять на распределение степени реактивности по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток (A. Torre, S. Cecchi «Latest Developments & Perspectives in optimized Design of Low Pressure Steam Turbine», European Turbomachinery Conference, 2007 г., стр. 16). При увеличении диапазона распределения степени реактивности по высоте аэродинамического профиля возрастает степень реактивности на периферийном участке и повышается вибрационная нагрузка на рабочие лопатки (К.Н. Боришанский «Разновидности автоколебаний лопаток паровых турбин и меры борьбы с ними», Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, 2 (171), 2003 г., стр. 60). Для снижения вибрационной нагрузки целесообразно сокращение диапазона изменения степени реактивности по высоте профиля, при этом степень реактивности должна быть по возможности на периферийном участке снижена, а на корневом участке увеличена.

Способы защиты от эрозии рабочих лопаток разделяются на активные и пассивные. Активные влияют на структуру и направление парокапельного потока, попадающего на рабочую лопатку. Пассивные повышают устойчивость к эрозии поверхности рабочих лопаток. К известным активным способам защиты от эрозии относятся уменьшение влажности перед ступенью, применение влагоудаления, увеличение осевого зазора между направляющими и рабочими лопатками. В частности, несколько способов периферийного влагоудаления за направляющей лопаткой описано в учебнике Щегляева А.В. «Паровые турбины» (Москва, «Энергия», 1976 г., стр. 156-157).

Решением вышеуказанных технических проблем является разработка конструкции направляющей лопатки ступени цилиндра низкого давления паровой турбины с комбинацией изгибов входной и выходной кромки в осевом и тангенциальном направлении.

В описании настоящего изобретения используются следующие определения.

Высота аэродинамического профиля направляющей лопатки - спроецированное на меридиональную плоскость расстояние между двумя наиболее удаленными точками аэродинамического профиля, измеренное вдоль радиальной прямой, которая является прямой, перпендикулярной оси паровой турбины и пересекается с ней.

Меридиональная плоскость - плоскость, образованная осью паровой турбины и радиальной прямой.

Тангенциальная плоскость - плоскость, перпендикулярная меридиональной плоскости.

Известно изобретение «Направляющая лопатка для турбомашины, в частности для паровой турбины» (заявка WO 2007113149; F01D 9/02; дата публикации 11.10.2007 г.). Направляющая лопатка имеет следующие геометрические характеристики: аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейными входной и выходной кромками. Согласно изобретению, направляющая лопатка имеет изгиб выходной кромки в тангенциальном направлении и изгиб входной и выходной кромок в осевом направлении по всей высоте аэродинамического профиля. Также лопатка имеет закрутку в радиальном направлении. Наклон в тангенциальном направлении выполнен таким образом, что угол наклона γ между касательной к кривой выходной кромки и радиальной прямой в тангенциальной плоскости изменяется в диапазоне от 0° до 15° в направлении вращения ротора с уменьшением угла γ от корневого торца к периферийному торцу. Изгиб в осевом направлении выполнен таким образом, что углы δ₁ и δ₂ наклона между касательными к входной и выходной кромкам и радиальными прямыми в меридиональной плоскости изменяются в диапазоне от 15° до -20° в направлении, соответствующем направлению потока пара в паровой турбине.

Данное решение направлено на одновременное уменьшение окружных и радиальных градиентов давления по высоте аэродинамического профиля направляющей лопатки с целью снижения потерь энергии. Однако предложенная конструкция не решает двух других проблем - опасности эрозионного износа и поломки рабочих лопаток вследствие повышенных вибраций.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Сопловой аппарат паровой турбины и паровая турбина, использующая его» (патент JP 4184565; F01D 9/02; дата публикации 19.11.2008 г.). Изобретение относится к ступени цилиндра низкого давления паровой турбины. Ступень паровой турбины содержит комплект направляющих лопаток, установленный перед комплектом рабочих лопаток. Каждая направляющая лопатка имеет аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по высоте аэродинамического профиля, имеющего по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними. В известном техническом решении отношение ширины соплового канала S направляющей лопатки к шагу направляющих лопаток Т составляет S/T, отношение S/T имеет, по крайней мере, одно минимальное значение на высоте от 60% до 80% высоты аэродинамического профиля в направлении высоты от корневого торца к периферийному торцу.

В тангенциальном направлении выходная кромка направляющей лопатки может быть изогнута следующим образом:

- выходная кромка изогнута по кривой по всей высоте аэродинамического профиля;

- на корневом участке выходная кромка выполнена по прямой линии, на периферийном участке - изогнута по кривой;

- на корневом и периферийном участках выходная кромка наклонена по прямым линиям и изогнута по кривой на среднем участке;

- на корневом участке выходная кромка изогнута по кривой, на периферийном участке - выполнена по прямой линии;

- выходная кромка является радиальной прямой по всей высоте аэродинамического профиля;

В осевом направлении выходная кромка может быть изогнута следующим образом:

- на корневом участке выходная кромка выполнена по прямой линии, на периферийном участке - изогнута по кривой;

- выходная кромка является прямой по всей высоте аэродинамического профиля;

- выходная кромка изогнута по кривой по всей высоте аэродинамического профиля;

- на корневом участке выходная кромка изогнута по кривой, на периферийном участке - выполнена по прямой линии;

- на корневом и периферийном участках выходная кромка наклонена по прямым линиям и изогнута по кривой на среднем участке.

- выходная кромка направляющей лопатки изогнута на среднем участке по направлению течения пара.

Технический результат, заявленный данным изобретением, заключается в повышении экономичности ступени в результате гашения аэродинамических следов на выходе из каналов направляющих лопаток, и снижении эрозионного износа рабочих лопаток, входящих в состав ступени, вследствие улучшенного разгона капель влаги перед рабочими лопатками.

Недостатком данного решения является то, что в нем не приводится конкретное оптимальное техническое решение, направленное на достижение заявленной оптимальной геометрии ступени - получение необходимого значения S/T на указанном участке высоты аэродинамического профиля направляющей лопатки, и, соответственно, достижение повышения эффективности ступени и снижения эрозионного износа рабочих лопаток, входящих в ступень. Также на корневом участке аэродинамического профиля достигаются наибольшие значения абсолютной скорости пара, что приводит к росту потерь энергии вследствие возникновения волновых эффектов и скачков уплотнений пара, и, соответственно, влияет на снижение внутреннего относительного КПД ступени и ухудшение вибрационного состояния рабочих лопаток, при этом в заявленном решении отдельно не рассматривались мероприятия, направленные на снижение вибрационной нагрузки на рабочую лопатку.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины, сохранении удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток в составе ступени и снижении их эрозионного износа.

Для достижения указанного выше технического результата направляющая лопатка ступени цилиндра низкого давления паровой турбины имеет аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте аэродинамического профиля. Аэродинамический профиль имеет по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними.

При этом, согласно заявляемому изобретению, входная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35° между касательной в меридиональной плоскости к входной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке, имеющем высоту 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, угол α непрерывно возрастает к периферийному торцу, причем входная кромка изогнута в направлении против течения пара на указанном участке.

Выходная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35° между касательной в меридиональной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке угол β непрерывно возрастает от 0° до максимального значения у периферийного торца, причем выходная кромка изогнута в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке, высота которого составляет 0,4-0,45 высоты аэродинамического профиля, а на периферийном участке - в направлении против течения пара.

Выходная кромка изогнута в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε между касательной в тангенциальной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой в точке касания к выходной кромке, причем угол 0°<ε<35° на корневом участке уменьшается от корневого торца к периферийному торцу, а на периферийном участке и среднем участке угол 0°<ε<5°.

Изгиб входной кромки в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35° между касательной в меридиональной плоскости к входной кромке и радиальной прямой, непрерывное возрастание угла α к периферийному торцу на периферийном участке, имеющем высоту 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, а также изгиб входной кромки в направлении против течения пара на указанном участке, обеспечивает повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины за счет уменьшения относительного расхода пара на периферийном участке, который достигается искривлением линий тока пара на этом участке за счет изгиба входной кромки на периферийном участке в направлении против течения пара. Следовательно, увеличивается относительный расход пара на среднем участке, где влияние торцевых вторичных течений и связанные с ними потери энергии незначительны.

По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, диапазон угла α выбран следующим образом:

- при значениях α, меньших -7° чрезмерно увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток, омываемых паром, что приводит к увеличению профильных потерь;

- при значениях α, больших 35° имеет место повышенная степень реактивности на периферийном участке, что приводит к неоправданному увеличению потерь, связанных с протечкой пара над рабочими лопатками, а также к возрастанию усилий, действующих на рабочие лопатки и ухудшению их вибрационного состояния. Соответственно, диапазон угла -7°<α<35° обеспечивает пониженную степень реактивности на указанном участке. Также диапазон угла α обеспечивает приемлемые габариты ступени для компактного размещения элементов проточной части.

Изгиб входной кромки на периферийном участке обеспечивает повышение внутреннего относительного КПД ступени за счет оптимизации течения пара на указанном участке, обеспечивающей минимальные отрывы потока пара у периферийного торца. Для осуществления данной оптимизации наилучшим вариантом является непрерывное возрастание угла α к периферийному торцу на периферийном участке. Значение высоты периферийного участка, равное 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, соответствует оптимальному соотношению относительных расходов пара через различные участки аэродинамического профиля, обеспечивающего с одной стороны увеличенный относительный расход пара через максимально экономичный средний участок, а с другой стороны - максимально безотрывные течения на корневом и среднем участках.

Изгиб выходной кромки в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35° между касательной в меридиональной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой, непрерывное возрастание угла β на периферийном участке от 0° до максимального значения к периферийному торцу, позволяет обеспечить увеличенное расстояние между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток, что способствует выравниванию параметров пара перед рабочими лопатками за счет размывания аэродинамических следов от выходных кромок направляющих лопаток и, соответственно, увеличению вибрационной надежности рабочих лопаток путем предотвращения колебаний рабочих лопаток из-за неоднородности набегающего потока пара. Также увеличение расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток на периферийном участке способствует лучшему дроблению капель влаги, сходящих с выходных кромок направляющих лопаток и, соответственно, снижению эрозии рабочих лопаток, а также повышению экономичности ступени за счет уменьшения торможения рабочих лопаток крупными каплями влаги и предупреждения снижения КПД из-за эрозионного искажения аэродинамических профилей рабочих лопаток. Также увеличение расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток в совокупности с изгибом выходной кромки направляющей лопатки на периферийном участке в направлении против течения пара, способствует максимальному оседанию капель влаги, сходящих с выходных кромок направляющих лопаток на периферийных участках на периферийном обводе ступени, оснащенном влагоприемными желобами для эвакуации влаги из цилиндра низкого давления паровой турбины.

По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, диапазон угла β выбран следующим образом:

- при значениях β, меньших -7° чрезмерно увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток, омываемых паром, что приводит к увеличению профильных потерь;

- при значениях β, больших 35° габариты ступени не позволяют обеспечить компактное размещение элементов проточной части.

Непрерывное увеличение угла β на периферийном участке от 0° до максимального значения у периферийного торца, то есть значения, большего, чем угол β для любой другой точки выходной кромки, обусловлено возрастанием количества влаги, сходящей с выходных кромок направляющих лопаток к периферийному торцу и, соответственно, необходимостью увеличения расстояния от выходных кромок направляющих лопаток до входных кромок рабочих лопаток для лучшего дробления капель влаги и улучшенного осаждения влаги на периферийном обводе ступени.

Изгиб выходной кромки в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке обеспечивает оптимальное значение осевого расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток с точки зрения экономичности применительно к параметрам пара на указанных участках, характеризующихся меньшей степенью влажности по сравнению с периферийным участком.

Улучшенное дробление капель влаги перед рабочими лопатками и оптимизированная эвакуация влаги через влагоприемные желоба способствует сохранению удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток путем предупреждения их эрозионного износа.

Изгиб выходной кромки в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε между касательной в тангенциальной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой в точке касания к выходной кромке, обеспечивает уменьшение различия термодинамических параметров потока пара в радиальном направлении и, соответственно, уменьшение потерь энергии, связанных с неравномерностью потока пара, а также приводит к увеличению степени реактивности у корневого торца в целях исключения обратных потоков пара и влаги на корневом участке.

По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выбор диапазона угла ε 0°<ε<35°, с уменьшением угла ε на корневом участке от корневого торца к периферийному торцу, а на среднем и периферийном участках 0°<ε<5°, обусловлен тем, что при значениях ε, больших 35° на корневом участке, увеличивается относительная высота той части данного участка, на котором имеет место сверхзвуковое течение и, соответственно, дополнительные потери, связанные со скачками уплотнений пара. Также на корневом участке увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток и, соответственно, профильные потери энергии. Также при значениях ε, больших 35° на корневом участке, и значениях ε, больших 5° на среднем и периферийном участках, реактивность ступени возрастает значительно выше значений, необходимых для предотвращения обратных токов пара и влаги, что приводит к неоправданному увеличению потерь, связанных с протечкой пара над рабочими лопатками, а также к возрастанию усилий, действующих на рабочие лопатки и ухудшению их вибрационного состояния.

Таким образом, предлагаемая конструкция направляющей лопатки, предназначенной для функционирования в составе ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины за счет уменьшения относительного расхода пара и оптимизации течения пара на периферийном участке, размывания аэродинамических следов от выходных кромок, уменьшения торможения рабочих лопаток крупными каплями влаги путем улучшенного разгона этих капель, уменьшение потерь энергии, связанных с неравномерностью потока пара, сохранение удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток в составе ступени и снижение их эрозионного износа за счет улучшенного разгона и дробления капель влаги перед рабочими лопатками, оптимизированной эвакуации влаги и исключения обратных потоков пара и влаги на корневом участке, а также за счет достижения оптимальных значений степени реактивности по всей высоте аэродинамического профиля направляющей лопатки.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения направляющей лопатки, входящей в состав ступени цилиндра низкого давления паровой турбины.

На фиг. 1 представлен общий вид направляющей лопатки; на фиг. 2 - виды, находящиеся в проекционной связи: вид А на паровыход в тангенциальной плоскости ступени цилиндра низкого давления паровой турбины с направляющими лопатками и вид Б ступени с направляющей лопаткой и рабочей лопаткой в меридиональной плоскости.

На фиг. 2 показаны только элементы, важные для понимания изобретения. Не представлены детали паровой турбины, например, корпус цилиндра низкого давления, уплотнения и т.д. Направление течения рабочей среды (пара) показано стрелкой.

Ступень цилиндра низкого давления паровой турбины содержит комплект направляющих лопаток 1, установленных перед комплектом рабочих лопаток 2. Каждая направляющая лопатка 1 имеет аэродинамический профиль с корневым 3 и периферийным 4 торцами, криволинейные входную 5 и выходную 6 кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте Н аэродинамического профиля. Профиль входной кромки 5 образован кривой типа В-сплайн, при этом концевые точки данной кривой лежат на корневом 3 и периферийном 4 торцах аэродинамического профиля. Профиль выходной кромки 6 образован кривой типа В-сплайн, концевые точки которой лежат на корневом 3 и периферийном 4 торцах аэродинамического профиля, при этом точке В данной кривой соответствует наибольшая величина координаты по оси X паровой турбины из всех точек данного В-сплайна.

Аэродинамический профиль имеет по высоте корневой h₁ и периферийный h₂ участки, а также средний участок h₃, расположенный между ними. Направляющие лопатки 1 закреплены своими корневыми 3 и периферийными 4 торцами в корневом 7 и периферийном 8 обводе ступени. Корневой 7 и периферийный 8 обводы выполнены коническими, концентричными оси X паровой турбины, имеющими прямолинейные образующие, лежащие в меридиональной плоскости. Меридиональная плоскость образована осью X паровой турбины и радиальной прямой 9.

Входная кромка 5 изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте Н углом -7°<α<35° между касательной 10 в меридиональной плоскости к входной кромке 5 и радиальной прямой 9, с непрерывным возрастанием угла α к периферийному торцу 4 на периферийном участке h₂, имеющем высоту h₂=0,2-0,45 высоты Н. Входная кромка 5 изогнута в направлении против течения пара на периферийном участке h₂. Отрицательные значения угла α соответствуют изгибу входной кромки 5 в осевом направлении по течению пара. Положительные значения угла а соответствуют изгибу входной кромки 5 в осевом направлении против течения пара. В конкретном примере выполнения направляющей лопатки 1 на виде Б, значения угла α находятся в указанном диапазоне и являются положительными по всей высоте Н.

Выходная кромка 6 изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте Н углом -7°<β<35° между касательной 11 в меридиональной плоскости к выходной кромке 6 и радиальной прямой 9, с непрерывным возрастанием угла β от 0° в точке В до максимального значения у периферийного торца 4 на периферийном участке h₂. Выходная кромка 6 изогнута в направлении по течению пара на среднем участке h₃ и корневом участке h₁, высота которого составляет 0,4-0,45 высоты Н. На периферийном участке h₂ выходная кромка 6 изогнута в направлении против течения пара. Отрицательные значения угла β соответствуют изгибу выходной кромки 6 в осевом направлении по течению пара. Положительные значения угла β соответствуют изгибу выходной кромки 6 в осевом направлении против течения пара. На границе среднего h₃ и периферийного h₂ участков в точке В значение угла β всегда равно 0°.

Выходная кромка 6 изогнута в тангенциальном направлении от корневого торца 3 к периферийному торцу 4 в направлении течения пара под переменным по всей высоте Н углом ε между касательной 12 в тангенциальной плоскости к выходной кромке 6 и радиальной прямой 9 в точке касания к выходной кромке 6. Угол 0°<ε<35° на корневом участке h₁ уменьшается от корневого торца 3 к периферийному торцу 4, а на периферийном участке h₂ и среднем участке h₃ угол 0°<ε<5°.

Направляющая лопатка 1, включающая аэродинамический профиль, корневой 7 и периферийный 8 торцы, входную 5 и выходную 6 кромки, обычно изготавливается сварной из деталей, получаемых штамповкой и гибкой из листового материала. Для изготовления направляющих лопаток применяют в качестве материалов высокохромистые стали, например, 08X13, 08Х13Ш.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

При работе паровой турбины водяной пар, поступающий в цилиндр низкого давления, проходит последовательно через ступени цилиндра низкого давления. Пар поступает на входные кромки 5 направляющих лопаток 1, образующих комплект, проходит через каналы между соседними направляющими лопатками 1, при этом пар расширяется, поступает на входные кромки 13 рабочих лопаток 2 и приводит во вращение ротор 14 паровой турбины (направление вращения ротора 14 показано стрелкой). При этом, в отдельных ступенях цилиндра низкого давления пар может быть влажным. В каналах направляющих лопаток 1 имеет место значительная разница термодинамических и газодинамических параметров по высоте Н аэродинамического профиля, что приводит к существенным потерям энергии вследствие появления дополнительных течений, не совпадающих с расчетным течением пара. В частности, по высоте Н может сильно меняться степень реактивности ступени, увеличиваясь от корневых торцев 3 к периферийным 4. У корневого 3 и периферийного 4 торцев имеют место значительные вторичные течения, связанные с отрывом потоков пара от указанных торцев, приводящие к дополнительным потерям энергии. На выходе пара из каналов направляющих лопаток 1 имеют место аэродинамические следы, вызывающие колебания рабочих лопаток 2, что ведет к снижению их надежности. В результате применения изгиба входных 5 и выходных 6 кромок направляющих лопаток 1 в меридиональной плоскости достигается оптимальное направление линий тока пара. Вследствие этого уменьшаются потери от вторичных течений у корневого 3 и периферийного 4 торцев, увеличивается степень реактивности на корневом участке h₁ вблизи корневого торца 3, что предотвращает возникновение обратных токов пара у корневых торцев 3 и снижается степень реактивности на периферийном участке h₂, что снижает вибрационную нагрузку на рабочие лопатки 2.

При работе ступеней цилиндра низкого давления по поверхностям направляющих лопаток 1, главным образом на периферийных участках h₂, движется влага в виде пленок, которые дробятся при сходе с выходных кромок 6, а в потоке пара в каналах соседних направляющих лопаток 1 движутся капли влаги. При соударении капель влаги с рабочими лопатками 2 происходит их эрозия, ведущая к снижению экономичности и вибрационной надежности. Изгиб входных 5 и выходных 6 кромок направляющих лопаток 1 в меридиональной плоскости обеспечивает увеличение осевого зазора между выходными кромками 6 направляющих лопаток 1 и входными кромками 13 рабочих лопаток 2, что способствует размыванию аэродинамических следов от выходных кромок 6 и, соответственно, улучшению вибрационного состояния рабочих лопаток 2, лучшему разгону капель влаги и, соответственно, лучшему дроблению капель влаги на более мелкие, и меньшим значениям скоростей соударения капель влаги с рабочими лопатками 2. Также увеличение осевого зазора между выходными кромками 6 направляющих лопаток 1 и входными кромками 13 рабочих лопаток 2 способствует лучшему оседанию части капельной влаги, сосредоточенной у периферийного торца 4, на периферийном обводе 8 ступени, оснащенном влагоприемными желобами 15 и оптимизированной эвакуации влаги через указанные желоба 15.

Изгиб выходных кромок 6 в тангенциальной плоскости в совокупности с изгибом в меридиональной плоскости обеспечивает при прохождении потоком пара каналов направляющих лопаток 1 оптимальное с точки зрения экономичности распределение термодинамических параметров пара, по высоте Н аэродинамического профиля, в частности, повышения степени реактивности, что позволяет избежать обратных токов пара у корневого обвода 7.

Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков обеспечивает прирост внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины до 0,4%, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины до 0,04%, а также дополнительное снижение темпа эрозионного износа рабочих лопаток в 1,5-1,8 раза.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности паротурбостроения, и может быть использовано при проектировании направляющих лопаток, входящих в состав ступеней цилиндров низкого давления осевых паровых турбин. Направляющая лопатка имеет аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте аэродинамического профиля, имеющего по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними. Входная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35°, при этом на периферийном участке угол α непрерывно возрастает к периферийному торцу, и входная кромка изогнута в направлении против течения пара на указанном участке. Выходная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35°, при этом на периферийном участке угол β непрерывно возрастает от 0° до максимального значения у периферийного торца, и выходная кромка изогнута в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке, а на периферийном участке - в направлении против течения пара. Выходная кромка изогнута также в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε, причем угол 0°<ε<35° на корневом участке уменьшается от корневого торца к периферийному торцу, а на периферийном участке и среднем участке угол 0°<ε<5°. Технический результат - повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины, сохранение удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток в составе ступени и снижение их эрозионного износа. 2 ил.

Направляющая лопатка ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, имеющая аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте аэродинамического профиля, имеющего по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними, отличающаяся тем, что входная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35° между касательной в меридиональной плоскости к входной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке, имеющем высоту 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, угол α непрерывно возрастает к периферийному торцу, причем входная кромка изогнута в направлении против течения пара на указанном участке; выходная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35° между касательной в меридиональной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке угол β непрерывно возрастает от 0° до максимального значения у периферийного торца, причем выходная кромка изогнута в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке, высота которого составляет 0,4-0,45 высоты аэродинамического профиля, а на периферийном участке - в направлении против течения пара; а также выходная кромка изогнута в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε между касательной в тангенциальной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой в точке касания к выходной кромке, причем угол 0°<ε<35° на корневом участке уменьшается от корневого торца к периферийному торцу, а на периферийном участке и среднем участке угол 0°<ε<5°.