Сборная диафрагма паровой турбины Российский патент 2024 года по МПК F01D9/04 F01D25/24 

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности турбостроения, и может быть использовано при проектировании диафрагм паровых турбин.

Современные конструкции диафрагм паровых турбин состоят из двух половин, в каждой из которых закреплены направляющие лопатки. Направляющие лопатки и межлопаточные каналы между ними образуют сопловую решетку. Диафрагмы выполняют несколько функций, таких как подача рабочей среды (пара) на рабочие лопатки ротора под необходимым углом, преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию. В частях высокого и среднего давлений диафрагмы подвергаются значительным перепадам давлений и температур, а также значительным изгибающим напряжениям, даже небольшой осевой прогиб диафрагмы может повлечь за собой серьезную аварию турбины. Воздействие указанных эксплуатационных факторов приводит к частым повреждениям составляющих частей диафрагмы и, следовательно, к недостаточной эксплуатационной надежности конструкции диафрагмы. Эксплуатационная надежность является комплексным свойством, определяющим работоспособное состояние конструкции, и включает такие характеристики, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность. Технические сложности при замене отдельных вышедших из строя элементов, например, направляющих лопаток, влияют на обеспечение удовлетворительной ремонтопригодности диафрагм и, соответственно, в целом на надежность конструкции.

Известным решением для повышения эксплуатационной надежности являются диафрагмы сборной (наборной) конструкции, поскольку только этот тип диафрагм позволяет заменять вышедшие из строя направляющие лопатки. Общей чертой сборных диафрагм можно выделить наличие отдельных направляющих лопаток, которые индивидуально крепятся к ободу и телу диафрагмы. Наиболее распространенным вариантом исполнения сборной конструкции диафрагмы является выполнение направляющей лопатки с двумя хвостовиками, по форме дублирующими ответные пазы в ободе и теле. Также существуют конструкции, в которых направляющая лопатка имеет хвостовик в корневой части, а периферийная часть лопатки образует собой бандажную полку, помещаемую в паз статорной части турбины. Лопатки могут быть закреплены в половинах диафрагмы различными способами, такими как заклепки или приварка. Выбор того или иного способа крепления влияет на конечные жесткостные и прочностные характеристики диафрагмы.

Известно изобретение «Наборная диафрагма паровой турбины» (патент РФ №2793871; F01D 9/04, F01D 5/30, F01D 25/24; опубл. 07.04.2023 г.). Согласно изобретению, наборная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом состоит из верхней и нижней половин. Каждая из половин содержит внутренний и наружный ободья с пазами, в которые установлены неподвижные направляющие лопатки. Каждая направляющая лопатка имеет аэродинамический профиль, при этом за одно целое с ним выполнены бандажная полка с цапфой с периферийной стороны и внутренняя бандажная полка с хвостовиком - с корневой. Цапфы и хвостовики направляющих лопаток могут иметь различные профили сечения (в основном исполнении профили грибовидный и «ласточкин хвост» на периферийном и корневом диаметре соответственно). Несколько направляющих лопаток объединены в пакет и зафиксированы вставками с помощью крепежных элементов. Цапфы направляющих лопаток зафиксированы в наружном ободе установочными элементами.

Для предотвращения осевых и радиальных смещений половин и диафрагмы относительно друг друга в конструкции применяются два типа шпонок: уплотняющие шпонки в установочных пазах на горизонтальном разъеме и вертикальная шпонка в вертикальных совместно выполненных на внутренних ободьях пазах перпендикулярно горизонтальному разъему.

Недостатками известного решения являются:

- необходимость высверливания крепежных и установочных элементов и их замены на новые в случае необходимости замены направляющих лопаток, что приводит к неудовлетворительной ремонтопригодности;

- при установке новых направляющих лопаток взамен изношенных, требуется рассверливание и развертывание существующих отверстий для установки крепежных и установочных элементов, что приводит к ослаблению элементов диафрагмы и снижению долговечности конструкции. Указанные факторы снижают эксплуатационную надежность наборной диафрагмы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является диафрагма с наборными лопатками (А.Н. Смоленский «Конструкция и расчет деталей паровых турбин», Издательство «Машиностроение», Москва, 1964 г., стр. 130, фиг. 63). Сборная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом состоит из верхней и нижней половин. Каждая из половин содержит тело с кольцевой проточкой со стороны паровыхода и установленными в ней неподвижными направляющими лопатками. Каждая направляющая лопатка имеет хвостовик, закрепленный в отверстиях кольцевой проточки с помощью заклепок, аэродинамический профиль с входной и выходной кромками и бандажную полку с пазом. Торцевые контактные поверхности бандажных полок и хвостовиков смежных направляющих лопаток имеют выпуклую форму со стороны разрежения аэродинамического профиля и вогнутую форму со стороны давления аэродинамического профиля, при этом хвостовики выполнены вильчатыми. Для придания большей жесткости направляющие лопатки охватываются бандажной вставкой, размещенной в пазах бандажных полок.

Недостатком известного решения является возможное наличие перетечек пара ввиду отсутствия сопрягаемого соединения между выпуклыми и вогнутыми контактными поверхностями бандажных полок и хвостовиков со стороны входных кромок аэродинамических профилей, которое может привести к эрозионному износу элементов конструкции диафрагмы, а, следовательно, к снижению долговечности и эксплуатационной надежности диафрагмы.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности сборной диафрагмы паровой турбины.

Для достижения указанного выше технического результата сборная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом, состоит из верхней и нижней половин. Каждая из половин содержит тело с кольцевой проточкой со стороны паровыхода и установленными в ней неподвижными направляющими лопатками. Каждая направляющая лопатка имеет хвостовик, закрепленный фиксирующими элементами в отверстиях кольцевой проточки, аэродинамический профиль с входной и выходной кромками и бандажную полку с пазом.

При этом, согласно заявляемому изобретению, хвостовики направляющих лопаток содержат полки, на которых расположены аэродинамические профили, и ножки, при этом со стороны входных кромок полки имеют выступающие части, а ножки имеют плоские контактные поверхности для беззазорного соединения с поверхностью кольцевой проточки.

Хвостовики и бандажные полки снабжены выступами со стороны разрежения аэродинамических профилей и ответными выемками со стороны давления аэродинамических профилей на хвостовиках и бандажных полках смежных направляющих лопаток, с формированием сопрягаемого соединения с плотным прилеганием соответствующих контактных поверхностей со стороны входных кромок и радиальными зазорами со стороны выходных кромок.

Плоские контактные поверхности ножек направляющих лопаток, расположенных на стыках горизонтального разъема, одновременно прилегают к поверхности кольцевой проточки тела верхней и нижней половин диафрагмы таким образом, что совместно с сопрягаемым соединением смежных направляющих лопаток образуют замковое соединение на стыках верхней и нижней половин.

Со стороны паровхода на бандажных полках выполнена проточка, в которой установлены пластины, скрепляющие по меньшей мере две смежные направляющие лопатки.

Направляющие лопатки могут быть выполнены в виде пакетов, каждый из которых содержит хвостовик, по меньшей мере два аэродинамических профиля с входными и выходными кромками и бандажную полку с пазом.

Выполнение хвостовиков направляющих лопаток с полками, имеющими выступающие части со стороны входных кромок, формирует канал течения пара в диафрагме, предотвращая попадание пара в место соединения ножки хвостовика с поверхностью кольцевой проточки. Выполнение ножек, имеющих плоские контактные поверхности для беззазорного соединения с поверхностью кольцевой проточки, также предотвращает перетечку пара в указанную выше зону, позволяя создать плотное и устойчивое соединение лопаток с телом и равномерно распределить нагрузку от парового потока. Тем самым, снижается возможность возникновения критических изгибающих напряжений, приводящих к прогибу диафрагмы, что повышает такую характеристику надежности как долговечность, и, следовательно, в целом повышает эксплуатационную надежность конструкции.

Формирование сопрягаемого соединения выступами со стороны разрежения аэродинамических профилей и ответными выемками со стороны давления аэродинамических профилей на хвостовиках и бандажных полках смежных направляющих лопаток обеспечивает возможность сохранять работоспособное состояние конструкции за счет устранения перетечек пара между смежными лопатками в направлении от паровхода к паровыходу, вызванных перепадом давления пара на диафрагме и, следовательно, повышает эксплуатационную надежность сборной диафрагмы.

Плотное прилегание соответствующих контактных поверхностей только со стороны входных кромок аэродинамических профилей приводит к равномерному распределению напряжений по контактным поверхностям в процессе эксплуатации за счет отсутствия зазора между указанными поверхностями. Наличие радиальных зазоров со стороны выходных кромок обеспечивает повышение ремонтопригодности конструкции за счет возможности извлечения любой направляющей лопатки в радиальном направлении и ее несложной замены, а также за счет отсутствия необходимости пригонки по контактным поверхностям, имеющим зазоры. Как следствие, указанные факторы повышают эксплуатационную надежность конструкции диафрагмы.

Отсутствие осевых перемещений половин диафрагмы относительно друг друга достигается формированием замкового соединения на стыках верхней и нижней половин диафрагмы плоскими контактными поверхностями ножек направляющих лопаток, расположенных на стыках горизонтального разъема и одновременно прилегающих к поверхности кольцевой проточки тела верхней и нижней половин диафрагмы, совместно с сопрягаемым соединением смежных направляющих лопаток. Замковое соединение предотвращает раскрытие горизонтального разъема, тем самым, исключает возникновение перетечек пара между половинами диафрагмы, и, следовательно, предотвращает эрозионный износ поверхностей диафрагмы в зоне горизонтального разъема, что, в свою очередь, приводит к повышению эксплуатационной надежности.

Установка пластин в проточку, выполненную со стороны паровхода на бандажных полках, как упрощает процесс установки диафрагмы в расточку статорной части турбины, позволяя регулировать положение диафрагмы в осевом направлении, так и облегчает процесс демонтажа, поскольку в случае деформации и изменении размеров расточки при извлечении диафрагмы, на вновь устанавливаемой диафрагме пластины могут быть легко заменены и их обработка может быть проведена по новым фактическим размерам расточки. Таким образом, ремонтопригодность сборной диафрагмы повышается. Кроме того, скрепление пластинами по меньшей мере двух смежных направляющих лопаток по бандажным полкам, придает конструкции дополнительную жесткость, увеличивая эксплуатационную надежность диафрагмы.

В частном случае выполнения сборной диафрагмы направляющие лопатки могут быть выполнены в виде пакетов, каждый из которых содержит хвостовик, по меньшей мере два аэродинамических профиля с входными и выходными кромками и бандажную полку с пазом. Указанное выполнение повышает прочностные характеристики пакета направляющих лопаток, его долговечность, и обеспечивает эксплуатационную надежность конструкции в целом.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения сборной диафрагмы паровой турбины.

На фиг. 1 представлена сборная диафрагма паровой турбины с верхней и нижней половинами в изометрической проекции; на фиг. 2 - вид на паровыход диафрагмы в сборе; на фиг. 3 - разрез А-А половины диафрагмы по месту размещения фиксирующих элементов; на фиг. 4 - разрез Б-Б по среднему диаметру аэродинамических профилей направляющих лопаток, сечение В-В по замковому соединению на стыках верхней и нижней половин диафрагмы; на фиг. 5 - направляющая лопатка; на фиг. 6 - пакет направляющих лопаток.

Сборная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом 1 состоит из верхней 2 и нижней 3 половин. Каждая из половин 2 и 3 содержит тело 4 с кольцевой проточкой 5 со стороны паровыхода и установленными в ней неподвижными направляющими лопатками 6. Каждая направляющая лопатка 6 является цельной деталью, имеет хвостовик 7, аэродинамический профиль 8 с входной 9 и выходной 10 кромками и бандажную полку 11 с пазом 12.

Хвостовик 7 имеет отверстия 13 для закрепления фиксирующими элементами 14, например, шпильками и гайками, в отверстиях 15 кольцевой проточки 5. Количество фиксирующих элементов 14 определяется площадью контакта хвостовика 7 и кольцевой проточки 5 и распределением напряжений в хвостовике 7, в конкретном примере выполнения хвостовик 7 закреплен двумя фиксирующими элементами 14. В паз 12 установлена бандажная вставка 16 для придания жесткости по периферийному диаметру диафрагмы и предотвращения осевых смещений бандажных полок 11 направляющих лопаток 6 относительно друг друга.

Хвостовики 7 направляющих лопаток 6 содержат полки 17, на которых расположены аэродинамические профили 8, и ножки 18. Со стороны входных кромок 9 аэродинамических профилей 8 полки 17 имеют выступающие части 19, а ножки 18 имеют плоские контактные поверхности 20 для беззазорного соединения с поверхностью кольцевой проточки 5.

Хвостовики 7 и бандажные полки 11 направляющих лопаток 6 снабжены выступами 21 со стороны разрежения аэродинамических профилей 8 и ответными выемками 22 со стороны давления аэродинамических профилей 8 на хвостовиках 7 и бандажных полках 11 смежных направляющих лопаток 6. Выступы 21 и выемки 22 смежных направляющих лопаток 6 формируют сопрягаемое соединение 23 с плотным прилеганием соответствующих контактных поверхностей со стороны входных кромок 9 аэродинамических профилей 8 и с радиальными зазорами b со стороны выходных кромок 10 аэродинамических профилей 8. Радиальный зазор b, величина которого задается минимально возможной, необходим для обеспечения собираемости конструкции и соблюдения требований, предъявляемых к сопрягаемым контактным поверхностям со стороны входных кромок 9 смежных направляющих лопаток 6.

Плоские контактные поверхности 20 ножек 18 направляющих лопаток 6, расположенных на стыках горизонтального разъема 1, одновременно прилегают к поверхности кольцевой проточки 5 тела 4 верхней 2 и нижней 3 половин диафрагмы, таким образом, что совместно с сопрягаемым соединением 23 смежных направляющих лопаток 6 образуют замковое соединение 24 на стыках верхней 2 и нижней 3 половин.

Со стороны паровхода на бандажных полках 11 выполнена проточка 25, в которой установлены пластины 26. В конкретном примере выполнения пластины 26 скрепляют три смежные направляющие лопатки 6. Количество скрепляемых пластиной 26 лопаток 6 определяется габаритами диафрагмы и величиной изгибных напряжений.

В частном случае выполнения направляющие лопатки 6 могут быть выполнены в виде пакетов, каждый из которых содержит хвостовик 7, по меньшей мере два аэродинамических профиля 8 с входными 9 и выходными 10 кромками и бандажную полку 11 с пазом 12. Количество аэродинамических профилей 8 в пакете определяется расчетным уровнем напряжений. Пакет направляющих лопаток 6 изготавливается как единая цельная деталь. Конфигурация хвостовика 7 и бандажной полки 11 пакета аналогична направляющей лопатке 6 с одним аэродинамическим профилем 8, а также соединение смежных пакетов и их крепление к кольцевой проточке 5 осуществляется аналогичным образом.

В зависимости от температуры эксплуатации и действующих напряжений для изготовления направляющих лопаток 6 могут быть использованы стали 12X13, 15Х11МФ, 18X11МНФБ; для изготовления тела 4 - стали 15Х1М1Ф, 12МХ, сталь 3; для изготовления фиксирующих элементов 14, пластин 26 - стали 12МХ, 18X11МФ; для изготовления бандажной вставки 16 - стали 15Х11МФ, 18X11МФ, 20X13.

Сборная диафрагма паровой турбины работает следующим образом.

В процессе работы паровой турбины водяной пар последовательно проходит через ряд ступеней, образованных совокупностью неподвижной (направляющей) и вращающейся (рабочей) решеток (на фиг. не показаны). Пар, попадая на входные кромки 9 направляющих лопаток 6, обтекает аэродинамические профили 8, выходные кромки 10, выступающие части 19 полок 17, бандажные полки 11. В местах плотного соединения направляющих лопаток 6 с телом 4 и в сопрягаемом соединении смежных направляющих лопаток 6 между собой отсутствуют перетечки пара, и нагрузка от парового потока распределяется равномерно от паровхода к паровыходу. Беззазорное прилегание соответствующих контактных поверхностей со стороны входных кромок 9 аэродинамических профилей 8 способствует равномерному распределению напряжений по контактным поверхностям направляющих лопаток 6 в ходе эксплуатации паровой турбины. Замковое соединение на стыках верхней 2 и нижней 3 половин сборной диафрагмы предотвращает осевое перемещение половин 2 и 3 относительно друг друга и раскрытие горизонтального разъема 1, тем самым, исключает возникновение перетечек пара между половинами 2 и 3, и предотвращает эрозионный износ поверхностей диафрагмы в зоне горизонтального разъема 1. Далее пар, выходящий из диафрагмы, поступает в рабочий венец ступени (на фиг. не показан) и совершает полезную работу согласно расчетным характеристикам для соответствующего режима работы.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности турбостроения, и может быть использовано при проектировании диафрагм паровых турбин. Сборная диафрагма с горизонтальным разъемом состоит из верхней и нижней половин, каждая из половин содержит тело с кольцевой проточкой со стороны паровыхода и установленными в ней неподвижными направляющими лопатками, каждая из которых имеет хвостовик, закрепленный фиксирующими элементами в кольцевой проточке, аэродинамический профиль с входной и выходной кромками и бандажную полку с пазом. Хвостовики содержат полки, на которых расположены аэродинамические профили, и ножки, при этом со стороны входных кромок полки имеют выступающие части, а ножки имеют плоские контактные поверхности для беззазорного соединения с поверхностью кольцевой проточки. Хвостовики и бандажные полки снабжены выступами со стороны разрежения аэродинамических профилей и ответными выемками со стороны давления аэродинамических профилей на хвостовиках и бандажных полках смежных лопаток, с формированием сопрягаемого соединения с плотным прилеганием соответствующих контактных поверхностей со стороны входных кромок и радиальными зазорами со стороны выходных кромок. Плоские контактные поверхности ножек направляющих лопаток, расположенных на стыках горизонтального разъема, одновременно прилегают к поверхности кольцевой проточки тела верхней и нижней половин таким образом, что совместно с сопрягаемым соединением смежных направляющих лопаток образуют замковое соединение на стыках верхней и нижней половин. Со стороны паровхода на бандажных полках выполнена проточка, в которой установлены пластины, скрепляющие по меньшей мере две смежные направляющие лопатки. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности сборной диафрагмы паровой турбины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Сборная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом, состоящая из верхней и нижней половин, каждая из половин содержит тело с кольцевой проточкой со стороны паровыхода и установленными в ней неподвижными направляющими лопатками, каждая направляющая лопатка имеет хвостовик, закрепленный фиксирующими элементами в кольцевой проточке, аэродинамический профиль с входной и выходной кромками и бандажную полку с пазом, отличающаяся тем, что хвостовики направляющих лопаток содержат полки, на которых расположены аэродинамические профили, и ножки, при этом со стороны входных кромок полки имеют выступающие части, а ножки имеют плоские контактные поверхности для беззазорного соединения с поверхностью кольцевой проточки; причем хвостовики и бандажные полки снабжены выступами со стороны разрежения аэродинамических профилей и ответными выемками со стороны давления аэродинамических профилей на хвостовиках и бандажных полках смежных направляющих лопаток, с формированием сопрягаемого соединения с плотным прилеганием соответствующих контактных поверхностей со стороны входных кромок и радиальными зазорами со стороны выходных кромок; при этом плоские контактные поверхности ножек направляющих лопаток, расположенных на стыках горизонтального разъема, одновременно прилегают к поверхности кольцевой проточки тела верхней и нижней половин диафрагмы таким образом, что совместно с сопрягаемым соединением смежных направляющих лопаток образуют замковое соединение на стыках верхней и нижней половин; со стороны паровхода на бандажных полках выполнена проточка, в которой установлены пластины, скрепляющие по меньшей мере две смежные направляющие лопатки.

2. Сборная диафрагма паровой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие лопатки выполнены в виде пакетов, каждый из которых содержит хвостовик, по меньшей мере два аэродинамических профиля с входными и выходными кромками и бандажную полку с пазом.