Рабочая лопатка высоконагруженной ступени паровой турбины Российский патент 2024 года по МПК F01D5/14 F01D5/16 

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

Актуальной задачей паротурбиностроения в настоящее время является повышение относительного внутреннего КПД паровых турбин, а также повышение надежности рабочих лопаток ступеней паровой турбины в условиях повышенной нагрузки вследствие увеличенного массового расхода пара, что достигается, в том числе, путем совершенствования аэродинамического профиля рабочих лопаток.

Аэродинамический профиль рабочей лопатки должен быть спроектирован таким образом, чтобы минимизировать профильные потери энергии и обеспечить необходимые прочностные характеристики лопатки.

В процессе расширения пара от первой до последней ступени паровой турбины происходит увеличение объемного расхода пара, а также перераспределение термодинамических параметров пара по высоте аэродинамического профиля рабочих лопаток, что вызывает необходимость прибегать к проектированию рабочих лопаток с большой степенью закрутки.

В условиях малой нагрузки и малых массовых расходов пара аэродинамический профиль, удовлетворяющий необходимому уровню надежности, может иметь более тонкие входные и выходные кромки, а также меньшую толщину и хорду, что приведет к уменьшению потерь энергии, и, тем самым, к увеличению относительного внутреннего КПД ступени и паровой турбины в целом. Но, в свою очередь, в условиях повышенной нагрузки и больших массовых расходов пара, аэродинамический профиль с тонкими входной и выходной кромками и малыми толщиной и хордой не удовлетворяет условиям прочности. Таким образом, проектирование рабочих лопаток с применением большой степени закрутки аэродинамического профиля, минимальными потерями и одновременным удовлетворением критериям надежности в условиях изменяющейся нагрузки, является сложной инженерной задачей.

Известно изобретение «Рабочая лопатка предпоследней ступени и группа рабочих лопаток» (патент CN 112253260; F01D 5/14; F01D 5/28; дата публикации 25.11.2022 г.). Изобретение относится к рабочей лопатке и группе рабочих лопаток последних и предпоследних ступеней. Рабочая лопатка паровой турбины имеет аэродинамический профиль переменного по высоте сечения с входной и выходной кромками, выполненный как единое целое с хвостовиком елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем по его корневому сечению и бандажной полкой, соединенной с аэродинамическим профилем по его периферийному сечению.

Аэродинамический профиль имеет высоту 528 мм и корневой диаметр 1344 мм, при этом от корневого сечения до периферийного осевая ширина аэродинамического профиля монотонно уменьшается с 140,8 мм до 60,9 мм, максимальная толщина сечения аэродинамического профиля снижается с 28,6 мм до 10,7 мм, а длина хорды поперечного сечения монотонно уменьшается с 146,3 мм до 139,9 мм. Общая толщина бандажной полки составляет 22 мм, а осевая ширина бандажной полки составляет 58,4 мм.

Недостатком известного технического решения является то, что значительная толщина бандажной полки рабочей лопатки увеличивает напряжение в сечениях аэродинамического профиля рабочей лопатки в результате действия центробежной силы, что приводит к необходимости увеличивать максимальную толщину и радиусы входной и выходной кромок каждого сечения аэродинамического профиля, что, в свою очередь, увеличивает профильные потери энергии и соответственно снижает относительный внутренний КПД паровой турбины.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является полезная модель «Рабочая лопатка последней ступени для промышленной паровой турбины с площадью выхлопа 2,5 м²» (патент CN 216691182; F01D 5/14, F01D 5/30; дата публикации 07.06.2022 г.). Рабочая лопатка паровой турбины имеет аэродинамический профиль переменного по высоте сечения с входной и выходной кромками, выполненный как единое целое с хвостовиком елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем по его корневому сечению и бандажной полкой, соединенной с аэродинамическим профилем по его периферийному сечению. В каждом сечении по высоте аэродинамического профиля имеется наибольшая вписанная окружность, соответствующая максимальной толщине сечения аэродинамического профиля. Ортогональная проекция центра наибольшей вписанной окружности на хорду аэродинамического профиля задает точку проекции. При этом, рабочая лопатка имеет длину от 500 до 550 мм и обладает площадью выхлопа 2,5 м². Ширина рабочей лопатки в осевом направлении изменяется по высоте аэродинамического профиля от корневого до периферийного сечения в диапазоне от 130-145 мм до 60-75 мм, длина хорды варьируется в диапазоне от 135-150 мм до 115-130 мм, максимальная толщина профиля изменяется от корневого до периферийного сечения в диапазоне от 19,56 мм до 6,61 мм. Также аэродинамический профиль выполнен с учетом соотношений: отношение шага к максимальной толщине сечения находится в диапазоне от 2,59 до 15,57 в каждом сечении от корневого до периферийного по высоте аэродинамического профиля, отношение шага к хорде находится в диапазоне от 0,36 до 0,83 в каждом сечении от корневого до периферийного по высоте аэродинамического профиля, а отношение шага к ширине аэродинамического профиля в осевом направлении находится в диапазоне от 0,37 до 1,51 в каждом сечении от корневого до периферийного по высоте аэродинамического профиля.

Радиусы входной и выходной кромок изменяются по высоте аэродинамического профиля, причем радиус входной кромки от корневого сечения до периферийного изменяется в диапазоне от 2,4 мм до 1,49 мм, а радиус выходной кромки изменяется от 2,28 мм до 0,92 мм.

Недостатком данного решения является то, что уменьшение радиуса выходной кромки аэродинамического профиля от корневого сечения к периферийному, ведет к снижению прочностных характеристик аэродинамического профиля, а именно к снижению момента сопротивления выходной кромки аэродинамического профиля, что в условиях работы паровой турбины на режимах, вызывающих обратное течение пара в последних ступенях цилиндров в части низкого давления приводит к снижению эксплуатационной надежности паровой турбины.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности паровой турбины при одновременном обеспечении повышения относительного внутреннего КПД паровой турбины.

Для достижения указанного выше технического результата рабочая лопатка паровой турбины имеет аэродинамический профиль переменного по высоте сечения с входной и выходной кромками, выполненный как единое целое с хвостовиком елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем по его корневому сечению и бандажной полкой, соединенной с аэродинамическим профилем по его периферийному сечению. В каждом сечении по высоте аэродинамического профиля имеется наибольшая вписанная окружность, соответствующая максимальной толщине сечения аэродинамического профиля. Ортогональная проекция центра наибольшей вписанной окружности на хорду аэродинамического профиля задает точку проекции.

При этом, согласно заявляемому изобретению, радиус выходной кромки постоянен по всей высоте аэродинамического профиля.

Отношение максимальной толщины каждого сечения монотонно убывает.

Отношение максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения находится в диапазоне от 10 до 20.

Отношение максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения находится в диапазоне от 2,5 до 5,0.

Выполнение радиуса выходной кромки постоянным по всей высоте аэродинамического профиля позволяет повысить ее момент сопротивления по сравнению с прототипом, так как выходная кромка является наиболее тонкой, а равно наиболее напряженной частью аэродинамического профиля, что в условиях работы паровой турбины на режимах высокой нагрузки с максимальным расходом пара приводит к повышению эксплуатационной надежности паровой турбины.

Диапазон от 27 до 88 отношения максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду выбран авторами расчетно-экспериментальным способом для обеспечения эксплуатационной надежности рабочей лопатки ступени цилиндров в части низкого давления с одновременным обеспечением высоких показателей относительного внутреннего КПД паровой турбины.

В случае, если значение отношения максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду больше 88, то либо максимальная толщина профиля рассматриваемого сечения аэродинамического профиля становится избыточной, что ведет к увеличению профильных потерь и, как следствие, к снижению относительного внутреннего КПД, либо максимальная толщина профиля сдвигается к входной кромке, что приводит к увеличению угла раскрытия входной кромки и, следовательно, к увеличению толщины аэродинамического профиля, что, в свою очередь, приводит к росту профильных потерь и снижению относительного внутреннего КПД паровой турбины.

В случае, если значение отношения максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду меньше 27, то либо максимальная толщина сечения аэродинамического профиля уменьшается до значений, которым соответствует момент сопротивления, не обеспечивающий на режимах с максимальным расходом пара необходимые прочностные характеристики, и, следовательно, эксплуатационную надежность рабочей лопатки и паровой турбины в целом. Либо максимальная толщина профиля сдвигается к выходной кромке, что приводит к изменению формы межлопаточного канала, а, следовательно, к смене характера течения в нем, что ведет к росту профильных потерь и снижению относительного внутреннего КПД паровой турбины.

Монотонное возрастание отношения максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду по высоте аэродинамического профиля и достижение наибольшего значения на участке, высота которого составляет 0,6-0,75 высоты аэродинамического профиля, а далее, до периферийного сечения, монотонное убывание, характеризуют оптимальное распределение максимальной толщины по высоте аэродинамического профиля, для обеспечения высоких показателей относительного внутреннего КПД паровой турбины на всех режимах ее работы, а также определяют прочностные характеристики аэродинамического профиля, необходимые и достаточные для обеспечения эксплуатационной надежности рабочей лопатки и паровой турбины в целом. При этом последовательность {X_n} называется монотонно возрастающей, если X_m≤X_n всякий раз, когда m<n, и монотонно убывающей если X_m≥X_n всякий раз, когда m<n (С.М. Львовский «Основы математического анализа», Москва, Издательский дом высшей школы экономики, 2021 г., стр. 13), где X_m и X_n члены последовательности {X_n}, a m и n - порядковый номер члена последовательности {X_n}.

Значение верхней границы диапазона высоты участка аэродинамического профиля обусловлено тем, что дальнейшее увеличение значения верхней границы указанного диапазона приводит к увеличению максимальной толщины аэродинамического профиля в зоне больших скоростей и максимальных расходов, что, в свою очередь, ведет к росту профильных потерь и снижению относительного внутреннего КПД паровой турбины, а также к увеличению массы аэродинамического профиля на этом участке, что может привести к изменению собственных частот рабочей лопатки и следовательно к снижению ее вибронадежности, и, тем самым, к снижению прочностных характеристик, а, значит, и к снижению эксплуатационной надежности рабочей лопатки и паровой турбины в целом.

Значение нижней границы диапазона высоты участка аэродинамического профиля обусловлено тем, что дальнейшее уменьшение значения нижней границы диапазона приводит к уменьшению максимальной толщины аэродинамического профиля в зоне больших скоростей и максимальных расходов, что снижает прочностные характеристики, а именно аэроупругость аэродинамического профиля, а, значит, снижает эксплуатационную надежность рабочей лопатки и паровой турбины.

Диапазоны отношений максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения и максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения выбраны авторами расчетно-экспериментальным способом для повышения эксплуатационной надежности рабочей лопатки ступени цилиндров в части низкого давления с одновременным обеспечением высоких показателей относительного внутреннего КПД паровой турбины.

В случае, если значения отношений максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения меньше 10 и максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения меньше 2,5, то либо максимальная толщина сечения аэродинамического профиля уменьшается до значений, которым соответствует момент сопротивления, не обеспечивающий на режимах с максимальным расходом пара необходимые прочностные характеристики, либо толщина выходной кромки становится избыточной, что приводит к увеличению кромочных потерь, которые снижают относительный внутренний КПД паровой турбины.

В случае, если значения отношений максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения больше 20 и максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения больше 5, то либо максимальная толщина профиля рассматриваемого сечения аэродинамического профиля становится избыточной, что ведет к увеличению профильных потерь и, как следствие, к снижению относительного внутреннего КПД паровой турбины, либо толщина выходной кромки уменьшается до значений, которым соответствует недостаточный уровень момента сопротивления для обеспечения прочностных характеристик профиля, что может привести к повреждению рабочей лопатки, а равно к снижению эксплуатационной надежности паровой турбины.

Таким образом, предлагаемая конструкция рабочей лопатки паровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить эксплуатационную надежность паровой турбины при одновременном обеспечении повышения относительного внутреннего КПД паровой турбины за счет постоянства радиуса выходной кромки и оптимального распределения геометрических параметров по высоте аэродинамического профиля, таких, как максимальная толщина аэродинамического профиля и ее расположение относительно входной кромки.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения рабочей лопатки высоконагруженной ступени паровой турбины.

На фиг. 1 представлен общий вид рабочей лопатки; на фиг. 2 - произвольное сечение А-А по высоте аэродинамического профиля; на фиг. 3 - график распределения отношения максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции по высоте аэродинамического профиля.

Рабочая лопатка паровой турбины (фиг. 1) имеет аэродинамический профиль 1 переменного по высоте сечения с входной 2 и выходной 3 кромками. Аэродинамический профиль 1 выполнен как единое целое с хвостовиком 4 елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем 1 по его корневому сечению 5, и бандажной полкой 6, соединенной с аэродинамическим профилем 1 по его периферийному сечению 7.

Аэродинамический профиль 1 переменного по высоте сечения рассчитывается и проектируется таким образом, чтобы обеспечить безотрывный режим течения в канале рабочей решетки с минимальным уровнем потерь энергии. Проектирование аэродинамического профиля переменного по высоте сечения осуществляется в современных программных комплексах с применением сплайнов высокого порядка. Расчеты проточной части, проектирование профилей и оценка их прочности производится в едином замкнутом цикле. При профилировании сечений аэродинамического профиля, в результате расчетно-экспериментальных исследований производится подбор оптимальной закрутки аэродинамического профиля, учитывающий влияние распределения массового расхода пара, а также скорости пара и окружной скорости вращения аэродинамического профиля по его высоте. В процессе профилирования производится оценка геометрических параметров, влияющих на прочностные характеристики аэродинамического профиля, таких, как радиусы входной и выходной кромок, а также распределение максимальной толщины профиля по его высоте. Проектирование аэродинамического профиля переменного по высоте сечения производится в CAD-системе, или в специализированных программных комплексах, а прочностные и аэродинамические расчеты осуществляются в коммерческих программных CAE-пакетах, методом конечных элементов и конечных объемов.

Хвостовик 4 елочного типа обеспечивает возможность крепления рабочей лопатки в пазах диска ротора (на фиг. не показан), при этом хвостовик елочного типа способствует достижению наибольшей несущей способности по сравнению с другими типами хвостовиков. Хвостовик 4 может быть выполнен, например, 3-х опорным, прямым, с осевой заводкой под углом к оси X паровой турбины, или соосно с ней.

Бандажная полка 6 выполняется с ответным сопряжением и может быть выполнена, например, с торцами контактной поверхности z-образной конфигурации для более надежного сопряжения.

Радиус R₂ выходной кромки 3 постоянен по всей высоте Н аэродинамического профиля 1.

В каждом сечении по высоте Н аэродинамического профиля 1 имеется наибольшая вписанная окружность 8, соответствующая максимальной толщине сечения C_max аэродинамического профиля 1.

Ортогональная проекция центра Р наибольшей вписанной окружности 8 на хорду 9 аэродинамического профиля 1, имеющую длину b, задает точку проекции Р'. Отношение максимальной толщины каждого сечения C_max аэродинамического профиля 1 к расстоянию b₁ от входной кромки 2 до точки проекции Р' находится в диапазоне от 27 до 88. В конкретном примере выполнения значение C_max/b₁ находится в указанном диапазоне.

C_max/b₁ монотонно возрастает от корневого сечения 5 по высоте Н аэродинамического профиля 1 и достигает наибольшего значения на участке h₁, высота которого составляет 0,6-0,75 высоты Н, а далее, до периферийного сечения 7, монотонно убывает.

На фиг. 3 показана зависимость распределения отношения C_max/b₁ по высоте Н. Из приведенной зависимости следует, что наибольшее значение C_max/b₁ находится в указанном диапазоне 0,6-0,75 высоты Н.

Отношение максимальной толщины C_max корневого сечения 5 к радиусу R₂ выходной кромки 3 корневого сечения 5 находится в диапазоне от 10 до 20.

Отношение максимальной толщины C_max периферийного сечения 7 к радиусу R₂ выходной кромки 3 периферийного сечения 7 находится в диапазоне от 2,5 до 5,0.

В конкретном примере выполнения значения C_max/R₂ находятся в указанных диапазонах.

Рабочая лопатка, включающая аэродинамический профиль 1, выполненный как единое целое с хвостовиком 4 и бандажной полкой 6, обычно изготавливается из единой штампованной заготовки. Для изготовления рабочих лопаток паровой турбины применяют материалы, обладающие высокой прочностью, например, 20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

В процессе работы паровой турбины в высоконагруженной ступени в цилиндре в части низкого давления поток пара, сформированный направляющим аппаратом (на фиг. не показаны) этой ступени, натекает на входную кромку 2 аэродинамического профиля 1 рабочей лопатки и попадает в межлопаточный канал, образованный соседними рабочими лопатками. В каждом межлопаточном канале рабочей решетки, пар, согласно режиму работы паровой турбины и окружной скорости вращения, изменяет свои термодинамические параметры, а также направление и скорость. На режимах с повышенной нагрузкой, вследствие увеличенного массового расхода пара в зоне периферийного сечения 7, при обтекании аэродинамического профиля 1, пар достигает сверхзвуковой скорости за выходной кромкой 3 постоянного радиуса R₂. Оптимальное распределение соотношения C_max/b₁ по высоте Н аэродинамического профиля 1 позволяет пару на режиме максимальной нагрузки сохранить безотрывное обтекание по всем сечениям аэродинамического профиля 1. Также, на вышеуказанном режиме при обтекании аэродинамического профиля 1, пар создает усилие, направленное на изменение положения каждого сечения по высоте Н аэродинамического профиля 1, а выполнение выходной кромки 3 постоянного радиуса R₂ по его высоте Н, компенсирует это усилие.

Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков обеспечивает прирост относительного внутреннего КПД паровой турбины до 0,4%.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности паротурбиностроения, и может быть использовано при проектировании рабочих лопаток высоконагруженных ступеней цилиндров осевых паровых турбин в части низкого давления. Рабочая лопатка паровой турбины имеет аэродинамический профиль переменного по высоте сечения с входной и выходной кромками, выполненный как единое целое с хвостовиком елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем по его корневому сечению и бандажной полкой, соединенной с аэродинамическим профилем по его периферийному сечению. В каждом сечении по высоте аэродинамического профиля имеется наибольшая вписанная окружность, соответствующая максимальной толщине сечения аэродинамического профиля, причем ортогональная проекция центра наибольшей вписанной окружности на хорду аэродинамического профиля задает точку проекции. Радиус выходной кромки постоянен по всей высоте аэродинамического профиля. Отношение максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду находится в диапазоне от 27 до 88, причем монотонно возрастает от корневого сечения по высоте аэродинамического профиля и достигает наибольшего значения на участке, высота которого составляет 0,6-0,75 высоты аэродинамического профиля, а далее, до периферийного сечения, монотонно убывает. Отношение максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения находится в диапазоне от 10 до 20, а отношение максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения находится в диапазоне от 2,5 до 5,0. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности паровой турбины при одновременном обеспечении повышения относительного внутреннего КПД паровой турбины. 3 ил.

Рабочая лопатка паровой турбины, имеющая аэродинамический профиль переменного по высоте сечения с входной и выходной кромками, выполненный как единое целое с хвостовиком елочного типа, соединенным с аэродинамическим профилем по его корневому сечению и бандажной полкой, соединенной с аэродинамическим профилем по его периферийному сечению, при этом в каждом сечении по высоте аэродинамического профиля имеется наибольшая вписанная окружность, соответствующая максимальной толщине сечения аэродинамического профиля, причем ортогональная проекция центра наибольшей вписанной окружности на хорду аэродинамического профиля задает точку проекции, отличающаяся тем, что радиус выходной кромки постоянен по всей высоте аэродинамического профиля, отношение максимальной толщины каждого сечения аэродинамического профиля к расстоянию от входной кромки до точки проекции на хорду находится в диапазоне от 27 до 88, причем монотонно возрастает от корневого сечения по высоте аэродинамического профиля и достигает наибольшего значения на участке, высота которого составляет 0,6-0,75 высоты аэродинамического профиля, а далее, до периферийного сечения, монотонно убывает, при этом отношение максимальной толщины корневого сечения к радиусу выходной кромки корневого сечения находится в диапазоне от 10 до 20, а отношение максимальной толщины периферийного сечения к радиусу выходной кромки периферийного сечения находится в диапазоне от 2,5 до 5,0.