Лопатки для паровой установки



Лопатки для паровой установки

Главное меню

Судовые двигатели

Главная Судовые паровые турбины Детали судовых паровых турбин Рабочие и направляющие лопатки турбины

Лопаточный аппарат турбины состоит из неподвижных направ­ляющих и подвижных рабочих лопаток и предназначен для наи­более полного и экономичного преобразования потенциальной энергии пара в механическую работу. Направляющие лопатки, установленные в корпусе турбины, образуют каналы, в которых пар приобретает необходимую скорость и направление. Рабочие лопатки, расположенные на дисках или барабанах ротора тур­бины, находясь под действием давления пара, возникающего в ре­зультате изменения направления и скорости его струи, приводят вал турбины во вращение. Та­ким образом, лопаточный ап­парат является наиболее от­ветственной частью турбины, от которого зависит надеж­ность и экономичность ее ра­боты.

Рабочие лопатки имеют разнообразную конструкцию. Нa рис. 17 показана лопатка простого типа, состоящая из трех частей: хвоста или нож­ки 2, с помощью которых ло­патку крепят в ободе диска 1 , рабочей части 4 , находящейся под действием движущейся струи пара, и вершины 6 для закрепления ленточного бан­дажа 5, которым связывают лопатки с целью создания до­статочной жесткости и обра­зования канала между ними. Между ножками лопаток устанав­ливают промежуточные тела 3. Чтобы предотвратить возникнове­ние температурных напряжений при прогреве и охлаждении тур­бины, бандажом связывают отдельные группы лопаток, оставляя зазор между бандажами 1—2 мм.

Задняя сторона лопатки называется спинкой; грань со стороны входа пара называется входной кромкой, а грань со стороны вы­хода пара — выходной кромкой лопатки. Поперечное сечение ло­патки в пределах ее рабочей части называется профилем лопатки. По профилю различают активные и реактивные лопатки (рис. 18). Угол ? 1 называется входным, а угол ? 2 — выходным углом ло­патки. У активных лопаток турбин прежней постройки (рис. 18, а) профиль почти симметричный, т. е. входной угол мало отличается от выходного. В реактивных лопатках (рис. 18, б ) профиль несим­метричный, выходной угол значительно меньше входного. Для повышения эффективности работы лопаток входные кромки профи­лей закругляют, а каналы, образованные профилями, выполняют сходящимися. Современные профили активной и реактивной ло­паток с обтекаемой входной кромкой показаны на рис. 18, в и г .

Основные характеристики профиля лопаток следующие:

— средняя линия профиля — геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;

— геометрические углы: входа ? 1 л — угол между касательной к средней линии при входе и осью решетки; ? 2 л — то же при вы­ходе;

— углы входа и выхода потока пара: ? 1 — угол между направ­лением потока пара при входе на рабочую лопатку и осью; ? 2 — то же при выходе;

— угол атаки i — угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и касательной к входной кромке по средней ЛИНИИ, Т. е. i = ? – ? 1 ;

— хорда профиля b — расстояние между концами средней линии;

— угол установки ? У — угол между хордой профиля и осm. решетки;

— ширина профиля В — размер лопатки по направлению оси турбины;

— шаг t — расстояние между сходственными точками соседних профилей.

Входная кромка современных профилей направляющих и ра­бочих лопаток малочувствительна к отклонению угла потока на входе. Это позволяет при расчете профиля лопатки допустить углы атаки до 3—5° в любом сечении по высоте лопатки. Входную кромку профилей лопаток при дозвуковой скорости делают тол­стой и тщательно закругляют, что снижает вихревые потери на входе в канал и повышает вибрационную, коррозионную и эрози­онную стойкость лопаток. Такая форма входной кромки обеспе­чивает на переменных режимах меньшее влияние изменения угла атаки на к. п. д. лопатки, а также более полное использование входной энергии ступеней.

Геометрические характеристики активных и реактивных про­филей рабочих и направляющих лопаток приводится в нормалях для лопаток судовых турбин (табл. 1, 2).

Размеры лопаток колеблются в широких пределах. В судовых турбинах высота лопаток первых ступеней ТВД небольшая (от 10 мм), а последних ступеней ТВД достигает 400 мм. Ширина ло­паток может быть 14—60 мм. Для уменьшения веса и снижения напряжений от центробежных сил длинным лопаткам придают ширину и толщину, постепенно уменьшающуюся от ножки к вер­шине. На длинных лопатках бандаж обычно не ставят, а для по­лучения большей жесткости лопатки скрепляют связной проволо­кой в пакеты по 5—10 лопаток.

По способу изготовления лопатки можно разделить на две группы:

1) изготовленные штамповкой из листового материала (тол­щиной 1—2 мм) или из прокатанных профильных полос (светло- катаных профилей); промежуточные вставки для этих лопаток выполняются отдельно;

2) изготовленные как одно целое с промежуточными встав­ками путем фрезерования катаных, тянутых, кованых или литых заготовок.

На рис. 17 показаны лопатки, выполненные из прокатанных профильных полос с отдельными вставками. Механическая обра­ботка таких лопаток сводится к фрезерованию ножки и вершины. Эти лопатки имеют постоянный профиль и применяются для не­больших окружных скоростей. Для повышенных окружных скоро­стей используют полуфрезерованные лопатки из более толстых хо­лоднокатаных профильных полос. В таких лопатках вставка ча­стично выполняется заодно с ними и спинка фрезеруется.

Па рис. 19 изображены различные конструкции цельнофрезерованных лопаток, изготовленных совместно со вставками из горяче­катаной полосовой стали прямоугольного и ромбического сечений. Перевязка лопаток (рис. 19, а) осуществляется бандажной лентой. Для больших окружных скоростей лопатку изготовляют как одно целое с бандажной полкой (рис. 19, б ). Смыкаясь, полки образуют сплошное кольцо—бандаж. Как уже отмечалось выше, ширина и толщина длинных лопаток постепенно уменьшается от ножки к вершине (рис. 19, в). Для обеспечения безударного входа пара по всей высоте длинные лопатки иногда выполняют с пере­менным профилем, у которых угол входа постепенно увеличи­вается. Такие лопатки называются винтовыми.

По способу крепления на дисках или барабанах различают лопатки двух типов:

1) с погруженной посадкой, у которых хвосты заведены внутрь специальных выточек в ободе диска или барабана;

2) с верховой посадкой, у которых хвосты надеты верхом на гребень диска и закреплены.

На рис. 20 показаны наиболее распространенные формы лопа­точных хвостов.

Хвосты 3—11 применяют для крепления направляющих и ра­бочих лопаток. Хвосты типа 6 используют в современных турби­нах сухогрузных судов и танке­ров. Хвост 11 делают примерно такой же ширины, что и рабочую лопатку, его применяют для крепления реактивных лопаток. Крепление с верховой посадкой целесообразно для длинных ло­паток, подвергающихся действию значительных усилий.

Лопатки с погруженной по­садкой крепят также в индиви­дуальных осевых канавках с по­мощью сварки. Эти крепления обеспечивают замену любой из лопаток, а также позволяют по­лучить лучшие вибрационные ха­рактеристики и наименьший вес лопаток и диска. Крепление лопа­ток на диске при помощи сварки показано на рис. 21. Плоский хвост 2 лопатки 1 входит в канавку обода диска и приваривается к нему с двух сторон. Для большей прочности лопатки дополнительно скрепляют с диском заклепками 3 и в верхней части сваривают попарно бандажными полками 4. Крепление при помощи сварки повышает точность установки лопа­ток, упрощает и снижает затраты на их сборку. Приварка лопаток находит применение в газовых турбинах.

Для установки лопаточных хвостов на окружности лопаточ­ного венца обычно делают один-два выреза (замковое отверстие), закрываемые замком. При креплении лопаток с верховыми хво­стами типа ЛМЗ в индивидуальных прорезях и с помощью сварки замковые отверстия и замки не требуются.

Обычно лопатки набирают с двух сторон замкового отверстия независимо от количества замков. На рис. 22 изображены неко­торые конструкции замков.

На рис. 22, а в районе замка срезаны заплечики обода диска (показаны пунктиром), удерживающие Т-образный хвост. Лопатки, примыкающие к замковой вставке, во многих конструкциях прошиты штифтами и припаены к своим промежуточным встав­кам. Замковую вставку забивают между прилегающими ло­патками. Через имеющееся в щеке диска отверстие сверлят отвер­стие в замковой вставке, в которое и забивают заклепку. Концы заклепки расклепывают. На рис. 22, б замок представляет собой вставку 2, закрывающую боковой вырез в ободе диска и прикреп­ленную винтами 1 . На рис. 22, в показан замок двухвенечного колеса. Вырез для установки замковых лопаток 1 делают в сред­ней части обода диска между лопаточными канавками. Замковые лопатки крепят двумя планками 2, разгоняемыми клином 4, кото­рый крепится к ободу винтом 3. К недостаткам приведенных кон­струкций замков следует отнести ослабление обода вырезами и отверстиями для винтов. На рис. 22, г показан замок с расклинкой конструкции ЛМЗ. Замковые лопатки 2 и 3 изготовляют с высту­пами внизу, заходящими под хвосты соседних лопаток 1 и 4. После установки подкладки 7, стального клина 6 и подгонки замковой вставки 5, имеющей вырез в нижней части, вставку загоняют между замковыми лопатками.

Замок, конструкция которого показана на рис. 22, д, приме­няют для реактивных лопаток. Замковый вырез в ободе отсут­ствует. Лопатки с хвостовиками зубчикового типа заводят в паз ротора в радиальном направлении. Затем поворачивают на 90° с таким расчетом, чтобы зубчики входили в соответствующие ка­навки в ободе, и перемещают по окружности до места установки. После установки всех лопаток заводят замковую вставку, состоя­щую из двух частей 1 и 4, разгоняемых клипом 3. Клин удерживается отчеканен­ными выступами 2.

Читайте также:  Установка mf 3110 для windows 7

Хвостовики верхового типа позволяют получить сравнительно простую конструк­цию замков. На рис. 22, е показан замок для хвостовика типа обратный молот. Зам­ковая лопатка 5 имеет хвостовик с плоской прорезью, который надевается на реборд 4 обода 1 диска и крепится к нему, заклеп­ками 3 . В месте установки замковой ло­патки заплечики 2 (показаны штриховой линией) срезаны.

Лопатки турбины под действием паро­вого потока пара из сопел могут совер­шать колебания: 1) в плоскости вращения диска — тангенциальная вибрация; 2) в плоскости, перпендикулярной вращению ди­ска,— осевая вибрация; 3) крутильные. Осевая вибрация лопаток связана с вибра­цией дисков. Крутильные колебания лопа­ток характеризуются интенсивными колеба­ниями их вершин.

Надежность работы лопаточного аппара­та зависит от величины и характера вибра­ций, возникающих как в лопатках, так и в дисках, па которых они закреплены. Кроме того, лопатки, являясь упругими телами, способны вибрировать с собственными часто­тами. Если собственная частота колебаний лопаток равна или кратна частоте внешней силы, вызывающей эти колебания, то воз­никают так называемые резонансные колебания, не затухающие, а непрерывно продолжающиеся до прекращения действия силы, вызывающей резонанс, или до изменения ее частоты. Резонансные колебания могут вызвать разрушение рабочих лопаток и дисков. Чтобы избежать этого, облопаченные диски современных крупных турбин до установки на вал подвергают настройке, посредством которой изменяется частота их собственных колебаний.

В целях борьбы с вибрацией лопатки скрепляют в пакеты бан­дажной лентой или проволокой. На рис. 23 показано крепление лопаток связной проволокой, которую пропускают через отверстия в лопатках и припаивают к ним серебряным припоем. Как и бан­дажная лента, проволока но окружности состоит из отдельных отрезков длиной от 20 до 400 мм, между которыми возникают тепловые зазоры. Диаметр связной проволоки в зависимости от ширины лопатки принимают 4—9 мм.

Для уменьшения амплитуды колебаний пакетов между ними ставят демпферную проволоку 2 (мостик), ее припаивают к двум- трем крайним лопаткам одного пакета, и она свободно проходит через концевые лопатки сосед­него сегмента. Возникающее тре­ние проволоки о лопатки при вибрации пакета уменьшает амп­литуду колебаний. С помощью отверстий 1 упрощается уста­новка мостика. Материал для из­готовления лопаток должен обладать достаточной стойкостью при высокой температуре и хоро­шей механической обрабатываемостью, быть коррозионно и эрозионно устойчивым. Лопатки, работающие при температуре пара до 425° С, изготовляют из хромистых нержавеющих сталей марок 1X13 и 2X13 с содержанием хрома 12,5—14,5%. При более высо­ких температурах (480—500° С) используют хромоникелевые нер­жавеющие стали с содержанием никеля до 14%. Лопатки, рабо­тающие при температуре пара 500—550° С изготовляют из аустенитных сталей ЭИ123 и ЭИ405 с содержанием никеля 12—14% и хрома 14—16%. Литые лопатки выполняют из стали 2X13. Ма­териалом для вставок служит углеродистая сталь марок 15, 25 и 35, для бандажной ленты, связной проволоки, заклепок к лопат­кам и заклепок замков — нержавеющая сталь 1X13.

Для пайки бандажных лент и связной проволоки применяют серебряный припой марок ПС Р 45 и ПС Р 65 с содержанием серебра соответственно 45 и 65%.

Источник

Турбинные лопатки

Лопатка — это рабочая деталь ротора турбины. Ступень надежно фиксируется под оптимальным углом наклона. Элементы работают под колоссальными нагрузками, поэтому к ним предъявляют самые жесткие требования по качеству, надежности и долговечности.

Применение и виды лопаточных механизмов

Лопаточные механизмы широко применяются в машинах различного назначения. Наиболее часто используют их в турбинах и компрессорах.

Турбина — ротационный двигатель, работающий под действием значительных центробежных сил. Основной рабочий орган машины — ротор, на котором по всему диаметру закреплены лопатки. Все элементы помещены в общий корпус специальной формы в виде нагнетающего и подающего патрубков или сопел. На лопатки подается рабочая среда (пар, газ или вода), приводя в движение ротор.

Таким образом, кинетическая энергия движущегося потока преобразуется в механическую энергию на валу.

Различают два основных вида турбинных лопаток:

  1. Рабочие — находятся на вращающих валах. Детали передают механическую полезную мощность на присоединенную рабочую машину (часто это генератор). Давление на рабочих лопатках остается постоянным благодаря тому, что направляющие лопатки всю разность энтальпий преобразуют в энергию потока.
  2. Направляющие — закреплены в корпусе турбины. Данные элементы частично преобразуют энергию потока, благодаря чему вращение колес получает тангенциальное усилие. В турбине разница энтальпий должна быть понижена. Это достигается путем уменьшения числа ступеней. Если установить слишком много направляющих лопаток, то срыв потока будет угрожать ускоренному потоку турбины.

Методы изготовления турбинных лопаток

Турбинные лопатки изготавливают методом литья по выплавляемым деталям из высококачественного металлопроката. Используют полосу, квадрат, допускается применение штампованных заготовок. Последний вариант предпочтителен на крупных производствах, так как коэффициент использования металла достаточно высок, а трудозатраты — минимальны.

Лопасти турбин проходят обязательную термическую обработку. Поверхность покрывается защитными составами против развития коррозионных процессов, а также специальными составами, повышающие прочность механизма при работе в условиях высокой температуры. Например, никелевые сплавы практически не поддаются механической обработке, поэтому методы штамповки для производства лопаток не подходят.

Современные технологии подарили возможность производства турбинных лопаток методом направленной кристаллизации. Это позволило получить рабочие элементы с такой структурой, которую практически невозможно сломать. Внедряется метод изготовления монокристальной лопасти, то есть из одного кристалла.

Этапы производства турбинных лопаток:

  1. Литье или поковка. Литье позволяет получать лопатки высокого качества. Поковка производиться по спец заказу.
  2. Механическая обработка. Как правило, для механической обработки применяются токарно-фрезерные автоматизированные центры, например, японский комплекс Mazak или же на фрезерные обрабатывающие центра, такие как MIKRON швейцарского производства.
  3. В качестве финишной обработки применяют только шлифование.

Требования к лопаткам турбин, применяемые материалы

Лопатки турбины эксплуатируются в условиях агрессивной среды. Особо критична высокая температура. Детали работают под напряжением на растяжение, поэтому возникают высокие деформирующие усилия, растягивающие лопатки. Со временем детали касаются корпуса турбины, машина блокируется. Все это обуславливает применение материалов высочайшего качества для изготовления лопаток, способные выдерживать значительные нагрузки при крутящем моменте, а также любые усилия в условиях высокого давления и температуры. Качеством лопаток турбины оценивается общая эффективность агрегата. Напомним, что высокая температура необходима для повышения КПД машины, работающей по циклу Карно.

Лопатки турбины — ответственный механизм. Благодаря нему обеспечивается надежность работы агрегата. Выделим основные нагрузки во время работы турбины:

  • Возникают большие окружные скорости в условиях высокой температуры в паровом или газовом потоке, которые растягивают лопатки;
  • Формируются значительные статические и динамические температурные напряжения, не исключая и вибрационные нагрузки;
  • Температура в турбине достигает 1000-1700 градусов.

Все это предопределяет применение высококачественных жаропрочных и нержавеющих сталей для производства лопаток турбин.

Например, могут быть использованы такие марки как 18Х11МФНБ-ш, 15Х11МФ-ш, а также различные сплавы на основе никеля (до 65%) ХН65КМВЮБ.

В качестве легирующих элементов в состав такого сплава дополнительно вводят следующие компоненты: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения.

Лопаточный механизм должен обладать определенной теплостойкостью. Для этого в турбине делают сложные системы охлаждающих каналов и выходных отверстий, которые обеспечивают создание воздушной пленки на поверхности рабочей или направляющей лопатки. Раскаленные газы не касаются лопасти, поэтому происходит минимальный нагрев, но сами газы не остывают.

Все это повышает КПД машины. Охлаждающие каналы формируются при помощи керамических стержней.

Для их производства применяют оксид алюминия, температура плавления которого достигает 2050 градусов.

Если вы хотите заказать изготовление турбинных лопаток, перейдите по этой ссылки

Источник

ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК F01D5/20

Настоящее изобретение относится к вращающейся лопатке для паровой турбины и, в частности, к вращающейся лопатке для паровой турбины с оптимизированной геометрией, способной обеспечить повышенные рабочие скорости.

Путь потока пара паровой турбины формируют посредством неподвижного цилиндра и ротора. При этом к цилиндру крепят множество неподвижных лопаток в виде идущего по окружности ряда, причем они проходят вовнутрь к пути прохождения пара (см., например, Трухний А.Д., Ломакин Б.В., Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: Учебное пособие для вузов, Москва, изд. МЭИ, 2002, стр.65-71). Подобным же образом множество вращающихся лопаток крепят и к ротору в виде идущего по окружности ряда, при этом они проходят наружу к пути прохождения пара. Неподвижные лопатки и вращающиеся лопатки располагают чередующимися рядами, так что ряд неподвижных лопаток и непосредственно ниже по потоку расположенный ряд вращающихся лопаток образуют ступень. Неподвижные лопатки служат для придания направления потоку пара таким образом, чтобы он входил в находящийся ниже по потоку ряд вращающихся лопаток под правильным углом. Аэродинамические профили вращающихся лопаток забирают энергию от пара, развивая при этом энергию, необходимую для приведения в движение ротора и прикрепленной к нему нагрузки.

Читайте также:  Установку обеззараживания воды ультрафиолетом

Количество энергии, забираемой каждым рядом вращающихся лопаток, зависит от размера и конфигурации аэродинамических профилей этих лопаток, а также от количества вращающихся лопаток в ряду. Таким образом, конфигурации аэродинамических профилей лопаток представляют собой важный фактор в отношении термодинамической эксплуатационной характеристики турбины, а определение геометрии аэродинамических профилей вращающихся лопаток составляет важную часть конструирования турбины.

Когда пар течет через турбину, его давление падает на каждой последующей ступени, пока не будет достигнуто желаемое выпускное давление. Таким образом, свойства пара, то есть его температура, давление, скорость и содержание влаги, изменяются от ряда к ряду, когда пар расширяется на пути его прохождения. Поэтому в каждом ряду вращающихся лопаток применяют лопатки, имеющие конфигурацию аэродинамического профиля, которая оптимизирована для условий пара, связанных с этим рядом. Однако в пределах данного ряда конфигурации аэродинамического профиля вращающихся лопаток идентичны, за исключением некоторых турбин, в которых конфигурации аэродинамического профиля изменяются среди лопаток, находящихся в пределах одного ряда, чтобы изменять резонансные частоты.

Аэродинамические профили вращающихся лопаток проходят от корня (или хвостовика) лопатки, используемого для крепления лопатки к ротору. Обычно это выполняют посредством придания корню формы "елки" путем формирования приблизительно проходящих в осевом направлении чередующихся выступов и канавок вдоль боковых сторон корня вращающейся лопатки. В диске ротора формируют пазы, имеющие сопрягающиеся выступы и канавки. Когда корень вращающейся лопатки со скольжением заходит в паз диска, центробежная нагрузка на вращающуюся лопатку, которая весьма высока вследствие высокой скорости вращения ротора, будет распределена вдоль частей выступов, у которых корень и диск находятся в контакте. Из-за высокой центробежной нагрузки напряжения в корне вращающейся лопатки и пазе диска весьма высоки. Поэтому важно довести до минимума концентрации напряжений, образуемые посредством выступов и канавок, и довести до максимума опорные площади, по которым действуют силы контакта между корнем вращающейся лопатки и пазом диска. Это особенно важно для последних рядов паровой турбины низкого давления вследствие значительного размера и веса вращающихся лопаток в этих рядах и наличия коррозионных напряжений вследствие влаги в потоке пара.

Кроме постоянной центробежной нагрузки вращающиеся лопатки также будут подвержены вибрации.

Вращающиеся лопатки турбины на участке низкого давления обычно конструируют и оптимизируют для охвата заданной рабочей скорости, которая необходима при различных применениях. Основными рабочими параметрами являются кольцевая площадь, скорость вращения, способность пропускания расхода и давление конденсации для вращающейся лопатки последней ступени.

Затруднения, связанные с конструированием вращающейся лопатки паровой турбины, усиливает то обстоятельство, что конфигурация аэродинамического профиля в значительной степени определяет как силы, воздействующие на лопатку, так и ее механическую прочность, и резонансные частоты, а также термодинамическую эксплуатационную характеристику лопатки. Эти соображения налагают ограничения на выбор конфигурации аэродинамического профиля вращающейся лопатки, так что в силу необходимости оптимальная конфигурация аэродинамического профиля лопатки для данного ряда представляет собой компромисс между ее механическими и аэродинамическими свойствами.

Таким образом, желательно создать ряд лопаток паровой турбины, который обеспечивает оптимальную термодинамическую эксплуатационную характеристику с доведением при этом до минимума напряжений на аэродинамический профиль лопатки и на ее корень вследствие воздействия центробежных сил, а также избежать воздействия резонанса.

Согласно первому объекту настоящего изобретения создана вращающаяся лопатка для паровой турбины, содержащая: корневой участок; участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком и имеющий такую форму, чтобы оптимизировать аэродинамическую характеристику с обеспечением при этом оптимального распределения потока и минимальных центробежных и изгибающих напряжений; верхушечный участок, смежный с участком аэродинамического профиля; и крышку, выполненную в виде части верхушечного участка и образующую радиальное уплотнение, которое доводит до минимума верхушечные потери; при этом выходная кольцевая площадь вращающейся лопатки составляет 0,143 м 2 .

Предпочтительно, диапазон рабочих скоростей вращающейся лопатки составляет от 5625 до 11250 оборотов в минуту.

Предпочтительно, вращающаяся лопатка обеспечивает максимальный массовый расход порядка 30,9 кг/с.

Предпочтительно, диапазон рабочих скоростей вращающейся лопатки составляет от 5625 до 11250 оборотов в минуту.

Предпочтительно, вращающуюся лопатку используют в качестве лопатки для второй — последней ступени.

Предпочтительно, крышка имеет такие размеры, чтобы на скорости она взаимодействовала со смежной крышкой смежной лопатки.

Предпочтительно, крышка составляет единое целое с верхушечным участком.

Предпочтительно, радиальное уплотнение содержит, по меньшей мере, одно верхушечное уплотнение.

Согласно второму объекту изобретения создана вращающаяся лопатка для паровой турбины, содержащая: корневой участок; участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком и имеющий такую форму, чтобы оптимизировать аэродинамическую характеристику с обеспечением при этом оптимального распределения потока и минимальных центробежных и изгибающих напряжений; верхушечный участок, смежный с участком аэродинамического профиля и имеющий ширину верхушки; и крышку, выполненную в виде части верхушечного участка и образующую радиальное уплотнение, которое доводит до минимума верхушечные потери, причем ширина крышки превышает ширину верхушки, так что на скорости крышка взаимодействует со смежной крышкой смежной лопатки; при этом выходная кольцевая площадь лопатки составляет 0,143 м 2 , диапазон рабочих скоростей лопатки составляет от 5625 до 11250 оборотов в минуту, а максимальный массовый расход для лопатки составляет 30,9 кг/с.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 — вид спереди вращающейся лопатки паровой турбины;

Фиг.2 — вид в перспективе;

Фиг.3 — вид сверху крышки лопатки; и

Фиг.4 — верхушка и крышка лопатки.

Как показано на фиг.1 и 2, вращающаяся лопатка для паровой турбины включает в себя корневой участок 2, соединенный с осевой входной частью 3 типа ласточкиного хвоста для подсоединения к ротору турбины. Как показано, часть 3 типа ласточкиного хвоста имеет конфигурацию "елки" с двумя крючками. Согласно предмету изобретения одновременно находящейся на рассмотрении заявки на патент США геометрия осевой входной части типа ласточкиного хвоста оптимизирована для обеспечения распределения среднего и локального напряжения, которое гарантирует требуемую защиту при избыточной скорости и малоцикловой усталости.

Аэродинамический профиль 10 проходит от корневого участка 2, а верхушечный участок 4 является смежным с аэродинамическим участком 10. Как показано на фиг.3 и 4, крышка 5 образована в виде части верхушечного участка 4.

Чтобы согласовать рабочие скорости, которые находятся в диапазоне от 5625 до 11250 оборотов в минуту, с максимальным расходом, составляющим порядка 30,9 кг/с, и с выходной кольцевой площадью, составляющей порядка 0,143 м 2 , были выполнены расчеты, касающиеся динамики текучей среды, для оптимизации геометрии аэродинамического профиля. Расход и кольцевая площадь представляют собой важные конструктивные параметры, оцениваемые специалистами в этой области. «Выходная кольцевая площадь» представляет собой площадь кольцевой формы, образованную снизу посредством верхней части той части лопатки, которая имеет форму ласточкиного хвоста, и сверху посредством нижней стороны крышки. Оптимизированная геометрия может обеспечить более высокие рабочие скорости с возможностью устранения при этом связанных с ними увеличений напряжения и частоты. В частности, участок 10 аэродинамического профиля выполняют с оптимальным отношением шага к ширине. Кроме того, распределение толщины вдоль участка 10 аэродинамического профиля изменено с обычной конструкции на оптимальное исполнение. Далее, кривизна участка 10 аэродинамического профиля отрегулирована на пониженное давление и на ударные потери в результате работы на высокой скорости. Пакетирование аэродинамических участков оптимизировано для доведения до минимума локального напряжения корня лопатки, вызываемого центробежным скручиванием лопатки.

На фиг.3 и 4 показана крышка 5 лопатки соответственно на виде сверху и боковом виде. Крышку 5 предпочтительно подвергают механической обработке совместно с лопаткой и, следовательно, заодно с верхушечным участком 4. Крышка 5 включает в себя, по меньшей мере, одно, а предпочтительно два верхушечных уплотнения 12 и цилиндрические поверхности, механически обработанные на лопатке для обеспечения контроля утечек.

Как показано на фиг.4, крышка 5 имеет большую ширину, чем верхушечная часть 4. Эта конструкция совместно со скручиванием лопатки определяет начальный зазор между контактными сторонами крышек смежных лопаток. Такой зазор будет сомкнут на скорости как следствие поворота крышки, вызываемого раскручиванием лопатки. Как только крышки смежных лопаток входят в зацепление друг с другом, лопатки ведут себя подобно постоянно соединенной конструкции, которая имеет более высокие характеристики жесткости и демпфирования по сравнению с самостоятельной конструкцией, приводя к весьма низким вибрационным напряжениям. То есть, находящиеся в зацеплении крышки между смежными лопатками формируют крышечный пояс или бандаж вокруг внешней периферии колеса турбины для ограничения рабочей текучей среды в пределах вполне определенного пути и для увеличения жесткости лопаток.

Читайте также:  Иж ода установка передней стойки

Описанная здесь вращающаяся лопатка паровой турбины обеспечивает значительно повышенные аэродинамическую и механическую характеристики и эффективность, при этом лопатки включают в себя крышки, имеющие радиальное уплотнение для доведения до минимума потерь на верхушках, позволяют получить минимальные напряжения от центробежного воздействия и изгибающего воздействия пара, имеют конструкцию непрерывно соединенных крышек для доведения до минимума вибрационных напряжений, обеспечивают уменьшенные потери эффективности и оптимизированное распределение потока. Лопатки турбины как таковые могут эффективно функционировать при повышенных рабочих скоростях.

Хотя изобретение описано применительно к тому, что в настоящее время можно считать наиболее практичными и предпочтительными вариантами его осуществления, следует иметь в виду, что изобретение не ограничено описанными вариантами, напротив, оно предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных компоновок, входящих в объем прилагаемой формулы изобретения.

Похожие патенты RU2472944C2

  • Муйезинович Амир
  • Слепски Джонатан
  • Делессио Стивен
  • Демания Алан Ричард
  • Риаз Мухаммад Сакиб
  • Риаз Мухаммад Сакиб
  • Статопулос Димитриос
  • Барб Кевин Джозеф
  • Муежинович Амир
  • Мартин Николас Фрэнсис
  • Хофер Дуглас Карл
  • Слепски Джонатон И.
  • Макмюррей Тимоти С.
  • Холлер Брайан Роберт
  • Монтес Парра Рохер Фелипе
  • Кожанд Прасад
  • Бхокардоле Прашант
  • Мишрикоткар Прасад
  • Блак Ричард
  • Батлер Дэвид
  • Магглстоун Джонатан
  • Овертон Дэвид
  • Хаимов Вячеслав Аркадьевич
  • Кокин Виктор Николаевич
  • Пузырев Евгений Иванович

Иллюстрации к изобретению RU 2 472 944 C2

Реферат патента 2013 года ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)

Вращающаяся лопатка для паровой турбины содержит корневой участок, участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком, верхушечный участок и крышку. Участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком, имеет такую форму, чтобы оптимизировать аэродинамическую характеристику с обеспечением при этом оптимального распределения потока и минимальных центробежных и изгибающих напряжений. Верхушечный участок, смежный с участком аэродинамического профиля, имеет ширину верхушки. Крышка выполнена в виде части верхушечного участка и образует радиальное уплотнение, которое доводит до минимума верхушечные потери. Ширина крышки превышает ширину верхушки, так что на скорости крышка взаимодействует со смежной крышкой смежной лопатки. Выходная кольцевая площадь лопатки составляет 0,143 м 2 . Диапазон рабочих скоростей лопатки составляет от 5625 до 11250 оборотов в минуту. Максимальный массовый расход для лопатки составляет 30,9 кг/с. В результате лопатки турбины могут эффективно функционировать при повышенных рабочих скоростях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 472 944 C2

1. Вращающаяся лопатка для паровой турбины, содержащая:
корневой участок;
участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком и имеющий такую форму, чтобы оптимизировать аэродинамическую характеристику с обеспечением при этом оптимального распределения потока и минимальных центробежных и изгибающих напряжений;
верхушечный участок, смежный с участком аэродинамического профиля; и
крышку, выполненную в виде части верхушечного участка и образующую радиальное уплотнение, которое доводит до минимума верхушечные потери;
при этом выходная кольцевая площадь вращающейся лопатки составляет 0,143 м 2 .

2. Вращающаяся лопатка по п.1, диапазон рабочих скоростей которой составляет от 5625 до 11250 об/мин.

3. Вращающаяся лопатка по п.2, обеспечивающая максимальный массовый расход порядка 30,9 кг/с.

4. Вращающаяся лопатка по п.1, используемая в качестве лопатки для второй — последней ступени.

5. Вращающаяся лопатка по п.4, в которой крышка имеет такие размеры, чтобы на скорости она взаимодействовала со смежной крышкой смежной лопатки.

6. Вращающаяся лопатка по п.4, диапазон рабочих скоростей которой составляет от 5625 до 11250 об/мин.

7. Вращающаяся лопатка по п.1, в которой крышка составляет единое целое с верхушечным участком.

8. Вращающаяся лопатка по п.1, в которой радиальное уплотнение содержит, по меньшей мере, одно верхушечное уплотнение.

9. Вращающаяся лопатка для паровой турбины, содержащая:
корневой участок;
участок аэродинамического профиля, смежный с корневым участком и имеющий такую форму, чтобы оптимизировать аэродинамическую характеристику с обеспечением при этом оптимального распределения потока и минимальных центробежных и изгибающих напряжений;
верхушечный участок, смежный с участком аэродинамического профиля и имеющий ширину верхушки; и
крышку, выполненную в виде части верхушечного участка и образующую радиальное уплотнение, которое доводит до минимума верхушечные потери, причем ширина крышки превышает ширину верхушки, так что на скорости крышка взаимодействует со смежной крышкой смежной лопатки;
при этом выходная кольцевая площадь лопатки составляет 0,143 м 2 , диапазон рабочих скоростей лопатки составляет от 5625 до 11250 об/мин, а максимальный массовый расход для лопатки составляет 30,9 кг/с.

Источник

Конструкции рабочих лопаток паровых турбин

Конструктивное выполнение рабочих лопаток паровых турбин зависит от условий их работы в многоступенчатой турбине и отличается большим разнообразием.

В основе разработки конструкции лопаток лежит требование обеспечения высокой надежности, экономичности и технологичности изготовления.

Основными элементами рабочей лопатки являются профильная или рабочая часть, обтекаемая паром, и хвостовик, с помощью которого лопатка крепится на диске. Бандажом или проволочными связями лопатки объединяются в пакеты.

Конструкция рабочей части лопатки зависит от ее длины, или, точнее, от отношения среднего диаметра ступени к ее длине dср/l. При dср/l > 10-15 лопатки обычно выполняются с постоянным по высоте профилем.

Лопатка постоянного сечения

В турбинах АЭС большой мощности это лопатки первых ступеней ЦВД. При dср/l < 10 профильная часть лопатки выполняется закрученной, переменного поперечного сечения, обычно плавно утоняющегося от корня к периферии. Для последних ступеней ЦНД паровых турбин большой мощности отношение площадей корневого сечения к периферийному достигает 7—10, закрутка профиля (разность между углами установки периферийного и корневого сечений) 65—70 °. Разработка и изготовление таких лопаток представляют большие трудности. Поэтому на базе созданной лопатки предельной длины строится серия турбин различных мощности и назначения.

Выбор типа хвостовика определяется нагрузками, действующими на лопатку, которые воспринимаются хвостовиком и передаются им на диск. Конструктивные формы хвостовиков зависят также от используемой на заводе технологии изготовления.

Достаточно простыми по конструкции и технологии изготовления являются Т-образный и одноопорный грибовидный хвостовики. Для уменьшения изгибающих напряжений в хвостовике и щеках диска на лопатках или диске выполняются заплечики. Для посадки лопаток на диск обычно в двух диаметрально противоположных местах обода диска выполяются замковые колодцы (для лопаток с Т-образиым хвостовиком) или замковые вырезы (для лопаток с грибовидным хвостовиком). Послс набора лопаток и плотной пригонки их хвостовиков в замковые колодцы или вырезы устанавливаются специальные замковые лопатки, которые крепятся к ободу диска одним или двумя штифтами.

Преимуществами вильчатого хвостовика являются отсутствие специальных замковых лопаток и возможность частичной замены поврежденных лопаток при ремонте ротора без перелопачивания всего диска. Достоинством вильчатого хвостовика является также и то, что центробежные силы, действующие па лопатку, не создают в ободе диска изгибающих напряжений.

Хвостовики рабочих лопаток турбин

Несущая способность рассмотренных типов хвостовиков сравнительно невелика, и они могут быть применены лишь для лопаток умеренной длины. Хвостовики длинных лопаток для увеличения их несущей способности выполняются многоопорпыми или с большим числом вилок. Несущая способность вильчатого хвостового соединения может быть дополнительно повышена, если вилки хвостовика и гребня обода диска выполнить ступенчатыми, т. е. приблизить конструкцию соединения к равнопрочной.

Наибольшую несущую способность имеют хвостовики елочного типа с торцевой заводкой, применяемые для самых длинных и нагруженных лопаток последних ступеней.

Эти хвостовики часто выполняют (в плане) по дуге окружности, что позволяет избежать свисания кромок профиля корневого сечения за пределы хвостовика и облегчает заводку лопаток в диск.

Хвостовики лопаток паровых турбин повышенной несущей способности

Рабочие лопатки паровых турбин в подавляющем большинстве случаев соединяются в пакеты бандажами или проволочными связями. Объединение лопаток в пакеты увеличивает прочность и вибрационную надежность лопаточного аппарата. Бандаж образует периферийную стенку капала рабочих лопаток и уменьшает утечку пара. Бандаж выполняется либо в виде ленты, приклепываемой к лопатке, либо в виде полки, фрезеруемой заодно с лопаткой. Объединение лопаток с цельно-фрезерованным бандажом в пакеты осуществляется сваркой или приклепыванием дополнительного накладного ленточного бандажа. Для длинных лопаток последних ступеней цельнофрезерованные бандажные полки входят в контакт друг с другом по поверхностям «выступ — паз», образуя замкнутую кольцевую связь. Под действием центробежных сил периферийные сечения лопаток стремятся повернуться, чему препятствует бандаж. Трение на контактных поверхностях бандажа обеспечивает его высокие демпфирующие свойства.

Для повышения вибрационной надежности длинных лопаток часто применяются проволочные связи. Сегменты проволоки пропускаются через отверстия в лопатках и либо припаиваются к лопаткам, либо устанавливаются свободно. В последнем случае проволока под действием собственной центробежной силы прижимается к лопаткам и является гасителем колебаний лопаток (демпферная связь).

Полуавтомат инверторный Ростов для качественной сварки в тяжелых и стесненных условиях.

Источник

Adblock
detector