Регулирующая ступень турбомашины Советский патент 1984 года по МПК F01D9/02 F01D5/16 

2. Ступень по п. 1, отличаю щ а я с я тем, что расстояние Тз между соседними сегментами определяется из соотношения

Ca-0,6)i-(oi-q,4,

где t - шаг сопловых лопаток;

а - целое число, при этом IfoiilO.

1. РЕГУЛИРУКЩАЯ СТУПЕНЬ ТУРБОМАШИНЫ, преимущественно паровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закреплвннь1е в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках, отличающаяся тем, что, с целью повышения вибрационной надежности рабочих лопаток, сопловые лопатки на границах сегментов вьшолнены с высотой меньшей, чем в средней части сегментов, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения jf ,m+i:a f , где m - число лопаток с меньшей высотйй на каждой границе сегмента; 1 - порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитьгеаемой от каждой границы сегмента. уменьшенная высота -и лопатки; е постоянная высота лопаток в средней части сегмента, при этом Umi5,t$m. 00 о о. о

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано преимущественно в паровых турбинах.

Известна дроссельная система паро- 5 распределения для регулирования расхода рабочего тела (для паровой турбины - расхода пара) с помощью одного или нескольких регулирукмцих- клапанов, причем после прохождения клапа- ю нов рабочее тело направляется одновременно ко всем равномерно расположенным по окружности сопловым лопаткам,, а затем к рабочим лопаткам турбины .. . 15

Недостатком такой дроссельной системы парораспределения является снижение экономичности турбины при частичных нагрузках из-за дополнительных потерь в неполностью открытых 20 регулирующих клапанах.

Известна также регулирующая ступень турбомашины, преимущественно паровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, 25 и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках. Это так называемое сопловое парораспределение, при котЪром пар от каждого из регулирующих клапанов подводится зо к само.стоятельному, не связанному с другими, сегменту сопловых лопаток, причем открытие клапанов производится постепенно, по мере возрастания мощности турбины. Сопловые лопатки, принадлежащие различным сегментам, расположены последовательно по окружности на одном и том же радиусе, в результате чего рабочие лопатки при вращении ротора проходят Q поочередно мимо сопловых лопаток разичных сегментов. Потери в регулирующих клапанах в случае соплового парораспределения оказываются значительно меньшими, чем при дроссельном д парораспределении 2 .

Однако при сопловом парораспределении оказываются более тяжелыми условия эксплуатации вращающихся рабочих лопаток, проходящих поочередно то мимо сегментов сопловых лопаток, в которые пар подается, то мимо сегментов, в которые пар не поступает. В результате рабочие лопатки подвергаются значительным переменным во времени усилиям, обусловленным поочередной нагрузкой и разгружением лопаток при прохождении мимо различных сегментов. Так как время нагружения и разгрузки рабочих лопаток весьма мало, то в них могут возникнуть значительные динамические напряжения, приводящие в некоторьгх случаях к усталостньм поломкам лопаток регулирующей ступени. Для повышения вибрационной надежности рабочие лопатки соединяются в пакеты, чт приводит к возрастанию времени нагружения и разгрузки и, тем самым, к снижению уровня динамических напрякений в лопатках. Кроме того, динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени возникают и из-за неравномерности потока пара, создаваемой потенциальными возмущениями и вязкими следами сопловых лопаток. Возникающие при этом максимальные по величине возмущающие силы действующие на рабочие лопатки, имеют частоты, близкие к п, где п частота вращения турбины; z - число соплойых лопаток (условное), которое разместилось бы по окружности при установке с равномерным шагом (t), равным фактическому шагу сопловых лопаток .

Цель изобретения - повьшзение вибрационной надежности рабочих лопаток регулирующей ступени турбомашины.

Указанная цель достигается тем, что в регулирующей ступени турбомаши.3 ны, преимущественно паровой турбины содержащей рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках, сопловые лопатки на границах сегментов выполнены с высотой меньшей, чем в средней час ти сегментов, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношенияi -/m-H 2 е Л) где m - число лопаток с меньшей высо той на каждой границе сегмен та; V 1 - порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитываемой от каждой границы сегмен р 5 .. i - уменьшенная высота i -и лопат постоянная высота лопаток в средней части сегмента, при этом ,ii m. Расстояние b между соседними сегментами определяется из соотношения (a-0,6)|i(a-0,4), где t - шаг сопловых лопаток; а - целое число, при этом UatlO На фиг. 1 изображен один из сегментов регулирукнцей ступени, продоль ный разрез; на фиг. 2 - поперечньй разрез А-А сегмента с шагами сопловых лопаток, равными t; на фиг.З то же, с одной лопаткой уменьшенной высоты на каждой границе; на фиг.4 то же, с шагами сопловых лопаток t отличными от t; на фиг. 5 - то же, с двумя лопатками уменьшенной высот на каждой границе; на фиг. 6 - попе речный разрез двух соседних сегментов; на фиг. 7 - зависимость относи тельной величины возмущающей силы о расстояния между сегментами. Регулирующая ступень турбомашины содержит рабочие лопатки 1, закрепленные в диске 2 ротора 3, и сегмен ты 4 сопловых лопаток 5 установлен ные в сопловых коробках. Перед сегментами 4 установлен регулирующий клапан. Сопловые лопатки на границах сегментов 4 выполнены меньшей высоты, чем высота лопаток 5 в сред ней части сегментов 4, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения ; .т+1Гг Т 04 где m - число лопйток с меньшей высотой на каждой границе сег мента 4; 1 - порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитываемой от каждой границы сегмента 4; tj- уменьшенная высота i -и сопловой лопатки; 2 - постоянная высота сопловых лопаток 5 в средней части . сегментов, при этом ,1 $ т. Сегменты расположены друг от дру га на расстоянии Ь, определяемом соотношением (a-0,6)ii(a-0,4); где t - шаг сопловых лопаток; а - целое число, причем UailO. Сопловые лопатки в сегментах 4 установлены с различными шагами, причем разница в величинах шагов д t At S+1 определяется соотношением - , t Z где S - число сегментов 4; Z - общее число сопловых лопаток ступени при установке их с одинаковым шагом t. Регулирующая ступень турбомашины (паровой турбины) работает следующим образом. При вращении ротора 3 турбины рабочие лопатки 1 поочередно проходят то мимо сегментов 4, в которые пар поступает, то мимо других сегментов 4, в которые пар не подается Рабочие лопатки 1 подвергаю тся при . этом переменным во времени усилиям, вызывающим в них динамические напряжения. Снижение уровня динамических напряжений в рабочих лопатках 1 и повьш1ение вибрационной надежности даи- ной регулирующей ступени объясняются следующими причинами. При выборе меньшей высоты сопловых лопаток на границах сегментов нагружение и разгрузка рабочих лопаток происходит медленнее, что приводит к повьш1ению их вибрационной надежности. Это объясняется тем, что динамические напряжения в рабочих лопатках пропорциональны напряжениям парового изгиба и уменьшаются при возрастаг НИИ времени нагружения и разгрузки. Так как напряжения парового изгиба в рабочих лопатках пропорциональны квадрату высоты сопловых лопаток, то при меньших высотах сопловых лопаток на границах сегментов время полного нагружения и разгрузки рабо чих лопаток возрастет. Например, , с, 1 р при условий -г- 7дГ где С, , е 2 Е - высота соответстве но первой, второй, третьей сопловых лопаток на границах сегментов: В постоянная высота сопловых лопу1ток в средней части сегментов, нагрузка на рабочие лопатки за время прохождения первого шага сопловых лопаток возрастает до 1/2 от номинальной (сегмент 4 на фиг. 3), а при услови 6 1 1 Ф р р о Т ° Т Иэ 4-V- нагрузка за время прохождения перво го шага возрастает до 1/3, а второго шага - до 2/3 от номинальной (сегмент 4 на фиг. 5). В общем слу ..m+lri (--) . где га - числ если -рлопаток с меньшей высотой на каждой границе сегментас, то нагрузка на рабочие лопатки за время прохождения первого шага сопловых лопаток составляет 12 - от номинальной, второго шага - гаmи т.д. Динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени при резонансных колебаниях I тона определяются формулой S I, . f(Fo:5). где k - число колебаний рабочей лопатки за оборот ротора турб ны; о - декремент колебаний; S - число сегментов сопловых ло паток ; j - число целых колебаний рабочей лопатки за время нагружения или разгрузки; (jy,c- напряжения парового изгиба в рабочих лопатках. Так как при колебаниях рабочих лопаток регулирующей ступени величи на декремента может быть весьма мала 50 (55:0,01-0,02), то второе слагаемое в формуле (1) много больше первого и именно оно определяет величину динамических напряжений. Поэтому увеличение времени нагружения и разгрузки сопровождается возрастанием величины j, и в соответствии с формулой (1) приводит к снижению уровня динамических напряжений в рабочих лопатках. Дополнительное снижение динамических напряжений в рабочих лопатках достигается выбором рационального расстояния между сегментами, обеспечивающим сдвиг по фазе и частичную компенсацию возмущающих сил с частотами fsnz, действующих на рабочие лопатки от сопловых лопаток, расположенных в разных сегментах. Зависимость относительной амплитуды возмущающей силы (F ) от расстояния (Ь) между сегментами, показанными на фиг. 6, в случае открытия всех регулирующих клапанов и при одинаковьк расстояниях между сегментами приведена на фиг. 7. Как видно из фиг. 7,.если расстояние между сегментами заключено в диапазоне (a-0,6)(a-0,4), где а - целое число, то относительная величина возмущающих сил с частотами fcnz уменьшается на 25-35% по сравнению со случаем - а. Дополнительное снижение уровня динамических напряжений в рабочих лопатках достигается также и за счет выбора различных шагов сопловых лопаток в сегментах, т.е., например, при условии , где t и t шаги сопловых лопаток в сегментах на фиг. 2 и 4. В том случае, когда аги сопловых лопаток во всех S сегментах различны, амплитуды возмуающих сил с частотами fxnz могут ыть уменьшены в S раз за счет величения числа отличных от нуля гармоник возмущающих сил.