паровые и газовые турбины для электростанций

тельно, увеличения потерь с выходной скоростью из-за большой неравномерности эпюры скоростей

c = f (r); из-за неоптимальных относительных шагов

2

профилей в корневых и периферийных сечениях решеток и т.п.

2. Ступень с незакрученными сопловыми лопатками и профилированными по высоте рабочими лопатками при θ > 4 … 6 существенно не снижает экономичности по сравнению со ступенью, выпол-

ненной по методу c u r = const или по методу посто-

1

янного удельного расхода.

3.Ступень, спроектированная по методу постоянного удельного расхода, обладает малыми потерями энергии для всего практического диапазона ступеней большой веерности 10 > θ > 2,5. Это наиболее распространенный метод закрутки ступеней с длинными лопатками.

4.С целью повышения изгибной прочности корневых сечений рабочей лопатки прикорневой угол

αпоследних ступеней с предельной длиной рабо-

1э

чей лопатки целесообразно уменьшить.

Как показывает анализ изменения параметров в зазоре между сопловой и рабочей решетками ступеней, спрофилированных по различным методам

закрутки (c u r = const, α = const, G = const),

1 1

изменение степени реактивности по высоте лопаток слабо зависит от закона закрутки.

Для разных методов закрутки степень реактивности по высоте лопаток можно определять по следую-

Здесь ρ — степень реактивности в корневом сече-

к

нии ступени; r = r / r — относительный радиус

к

сечения ступени, в котором вычисляется степень реактивности.

Для ступеней с лопатками постоянного профиля (незакрученные ступени) степень реактивности по высоте лопаток приближенно соответствует зависимости (3.61). В этих ступенях при вычислении степени реактивности на среднем диаметре и для периферийного сечения часто пользуются упрощенными

Рис. 3.41. Расчетная схема ступени большой веерности по

методу струек:

I — V — номера струек

Просто и практично профилировать ступени с длин-

ными лопатками с помощью метода расчета по элемен-

тарным струйкам. По этому методу проточную часть сту-

пени, предварительно рассчитанную по параметрам в

сечении на среднем диаметре, разделяют по высоте лопа-

ток на несколько кольцевых струек (рис. 3.41), каждую из

которых рассчитывают как ступень с короткими лопат-

ками по одномерной схеме. Распределение степени реак-

тивности по струйкам можно определять по уравнению

(3.61). При этом вначале выбирают степень реактивности

в корневой струйке ρ = 0,1 … 0,3. Для обеспечения

к

повышенного момента сопротивления корневого сечения

рабочей лопатки необходимо выбирать малые степени

реактивности, т.е. в корневом сечении необходимо полу-

чать профиль активного типа. Для улучшения работы сту-

пени в условиях переменного режима следует выбирать

повышенные значения степени реактивности у корня

рабочих лопаток.

В случаях, когда требуется сработать большой тепло-

перепад в ступени, необходимо корневую степень реак-

тивности уменьшать до нуля или небольшого отрица-

тельного значения, чтобы обеспечить пониженные

значения оптимального отношения скоростей u/ c .

ф

По рассчитанным значениям степени реактивности

определяют характеристики потока в каждой кольцевой

струйке, как и в обычной ступени. Коэффициенты скоро-

сти ϕ и ψ, а также коэффициент расхода μ принимают

переменными по высоте лопаток на основе данных экс-

перимента. При этом учитывают изменение чисел М и

1t

Мпо высоте лопаток, изменение степени влажности,

2t

отклонение в косом срезе решеток.

При построении треугольников скоростей угол

выхода потока находят из уравнения расхода для

v

1t

Суммируя расходы по всем струйкам ступени, сравни-

вают полученную сумму с заданным расходом пара через

ступень. При несовпадении полученной суммы с задан-

ным расходом корректируют высоты лопаток. По значе-

рают профили сопловой и рабочей лопаток. При этом

в соплах последних ступеней конденсационных турбин

поток в корневых сечениях сверхзвуковой, в средних

сечениях околозвуковой и в периферийных сечениях дозву-

ковой, и соответственно профили лопаток для этих сече-

ний подбирают по типам В, Б и А.

При выборе профилей для рабочих лопаток кроме

технологии необходимо учитывать условия прочности.

Размер хорды профиля у корня лопатки турбин большой

– 1

мощности с n = 50 с достигает 120—250 мм. Относи-

тельный шаг рабочих лопаток в корневом сечении

составляет t = 0,45 … 0,55 для θ > 3 и уменьшается до

к

t = 0,25 … 0,35 для θ < 3. В периферийных сечениях

к

профили рабочих лопаток слабо изогнуты, имеют вид

крылообразных профилей (рис. 3.42). Для надежного

определения расхода пара через эти сечения, а также для

обеспечения устойчивости характеристик решетки в

переменных режимах работы необходимо, чтобы между

соседними профилями образовывался небольшой протя-

женности канал, в котором ограничивающими поверхно-

стями служили бы стенки соседних профилей.

Коэффициент полезного действия ступени с длин-

ными лопатками может быть найден суммированием по

высоте мощностей, развиваемых на рабочих лопатках

122

потоком каждой струйки, и последующим делением на

располагаемую мощность ступени:

Изложенный расчет ступени с длинными лопатками

на основе упрощенного уравнения радиального равнове-

сия может быть использован как первое приближение.

Для отработки высокоэкономичных ступеней в настоящее время используются методы расчета, основанные на полных (трехмерных) уравнениях потока вязкого газа в ступенях и отсеках турбин. Профилирование ступеней при таком подходе позволяет формировать оптимальную проточную часть, соответствующую наибольшей экономичности.

Поскольку участки ступени вблизи корня и на периферии имеют низкие КПД, то стремятся при

Рис. 3.42. Профили сопловых и рабочих лопаток в различ-

ных сечениях по высоте для ступени большой веерности

профилировании сопловых и рабочих лопаток обеспечивать вблизи концов малые погонные (на единицу длины) расходы среды, и при этом бóльшие расходы приходятся на среднюю, наиболее экономичную часть лопаток.

Одним из эффективных средств повышения экономичности ступени большой веерности (малого d / l ) является применение «саблевидных» сопловых лопаток. Так названы лопатки с криволинейной осью, устанавливаемые с переменным навалом (рис. 3.43) — углом между касательной к выходной кромке сопловой лопатки и направлением радиуса, проведенного через кромку лопатки в точке наибольшей выпуклости выходной кромки. На рис. 3.43 ука-

зан навал γ в корневом сечении сопловой лопатки.

к

Ступени с «саблевидными» сопловыми лопатками были предложены и испытаны в экспериментальной турбине в МЭИ группой работников кафедры ПГТ МЭИ в 1962 г., результаты опубликованы не только на русском, но и на немецком языке. В конце 80-х годов прошлого века без ссылки на авторство подобные ступени были применены фирмой «Сименс» как собственное изобретение. В настоящее время ступени с саблевидными лопатками применяют все ведущие зарубежные фирмы-произ-

водители турбин («Сименс», «Мицубиси», «Альстом»).

Повышение эффективности ступеней с саблевидными лопатками обеспечивается следующими особенностями. Выравнивается (уменьшается различие) степень реактивности по высоте лопаток. Увеличивается степень реактивности в корневых сечениях и уменьшается — в периферийных сечениях.

Увеличение степени реактивности в корневых сечениях обусловлено тем, что при навале в зоне корня со стороны сопловой лопатки на поток действует дополнительная радиальная сила, направленная к центру, которая и увеличивает давление в корневой зоне, уменьшает интенсивность поперечных и радиальных вторичных течений и связанных с ними вторичных (концевых) потерь.

Снижение периферийной степени реактивности способствует уменьшению периферийных утечек через надбандажные уплотнения рабочих лопаток.

Как правило, происходит выравнивание поля выходных скоростей, что снижает потери с выходной скоростью и улучшает условия работы выходного патрубка, т.е. также ведет к повышению экономичности последней ступени.

По разным оценкам (расчетным и экспериментальным) применение саблевидных лопаток,

5

4

25

¾1100

б)

а также лопаток с постоянным по их высоте навалом (γ = const) дает повышение КПД ступени на 1,5—2,5 % (абс.).

В вариантах модернизированных ЧНД турбин К-300-23,5 и в новых турбинах ЛМЗ также применяются сопловые саблевидные лопатки.

3.6.КОНСТРУКЦИИ СОПЛОВЫХ

ИРАБОЧИХ ЛОПАТОК

Конструктивное исполнение сопловых и рабочих лопаток существенно зависит от их назначения. Следует рассмотреть сопловые и рабочие лопатки регулирующих ступеней, нерегулируемых ступеней с относительно короткими лопатками, ступеней с длинными лопатками.

На рис. 3.44 показана проточная часть одновенечной регулирующей ступени турбины сверхкритического давления (СКД) ЛМЗ.

Сопловые лопатки 1 изготовлены как одно целое с нижней частью сегмента 2, сварены поверху с промежуточным бандажом и верхней частью сегмента. Сегменты 2 вставляются в пазы сопловых коробок, заводятся в них в окружном направлении. Всего применяются четыре сопловые коробки, попарно вваренные в верхнюю и нижнюю части внутреннего корпуса ЦВД турбины (см. гл. 11); в каждую сопловую коробку заводятся по одному сегменту, закрепляемому в коробке штифтом.

На рис. 3.44, б изображены профили сопловой и рабочей лопаток, как они видны в цилиндрической развертке по среднему радиусу ступени.

На рис. 3.45 представлена регулирующая ступень турбины К-800-23,5 ЛМЗ. Сопловые лопатки 1 объединены в сопловые сегменты 2 подобно предыдущему. Рабочие лопатки 3 выполнены из высокохромистой нержавеющей стали цельнофрезерованными с периферийным бандажом 5. Лопатки соединяются в пакеты сваркой по бандажам и хвостовикам по две для турбин К-300-23,5 и по три для турбин К-500-23,5 и К-800-23,5. Сварка лопаток осуществляется с помощью электронного луча.

Сварная конструкция пакетов лопаток применена в связи с необходимостью обеспечения достаточной вибрационной надежности при специфических условиях их эксплуатации — высоких переменных нагрузках в регулирующих ступенях при парциальном подводе пара (см. гл. 14).

Пакеты связаны между собой демпферными вставками 4, обеспечивающими существенное снижение вибрационных напряжений, обусловленных высокими динамическими нагрузками от переменного парового потока.

Поверхности сопловых и рабочих решеток подвергают упрочнению специальным покрытием из нитридов циркония и титана для уменьшения изнашивания от эрозии поверхностей каналов и в особенности тонких выходных кромок.

Двухвенечная регулирующая ступень в исполнении ТМЗ представлена на рис. 3.46. Ступень разработана МЭИ, характерной особенностью ее является сопловая решетка с меридиональным профилированием, что дает повышение экономичности ступени на 1,5—2,0 %.

Примеры проточных частей промежуточных ступеней с относительно короткими лопатками представлены на рис. 3.27 и 3.28. На первом из них изображена активная промежуточная ступень высокого давления, диафрагма которой сделана с узкими сопловыми лопатками 1 и стойками (ребрами жесткости) 2, выполненными заодно с ободом 3 и телом диа-

фрагмы 4. Такие диафрагмы нашли применение в первых ступенях некоторых турбин. Вследствие больших разностей давлений в первых ступенях ЦВД диафрагмы выполняют большой толщины. Ширина сопловых лопаток выбирается намного меньше, чем ширина диафрагмы. Это сделано для уменьшения концевых потерь, зависящих от отношения длины лопатки к размеру хорды профиля. Использование узких сопловых лопаток позволяет увеличить их относительную высоту. Однако на цилиндрических поверхностях входного канала между ребрами жесткости и на самих ребрах образуется пограничный слой относительно большой тол-

щины, который снижает общую эффективность соплового аппарата.

Ребра жесткости необходимы для обеспечения достаточной жесткости диафрагмы, так как узкие сопловые лопатки не позволяют иметь достаточную жесткость (достаточно малый прогиб) диафрагмы при больших разностях давлений в первых ступенях турбин.

Альтернативным решением является применение для сопловых решеток профилей с удлиненной входной кромкой.

Пример такой диафрагмы представлен на рис. 3.47. Сопловые лопатки выполнены большой ширины, соизмеримой с толщиной диафрагмы, за счет удлинения входной части профиля.

Такой профиль имеет достаточную жесткость и обеспечивает необходимую жесткость всей диафрагмы. При этом, однако, снижается экономичность сопловой решетки за счет возникающего на входной части профиля пограничного слоя и его утолщения на выходе из сопловых каналов. Поэтому экономичность решеток обоих видов (с узкими лопатками и широкой диафрагмой и с широкими лопатками за счет удлинения входной кромки) оказывается примерно одинаковой.

Диафрагмы с узкими лопатками в настоящее время применяются редко. Технология изготовления диафрагм с широким профилем сопловых лопа-

7a)

5

б)

Рис. 3.47. Сварная диафрагма:

а — продольный разрез; б — готовая решетка половины диа-

фрагмы

ток несколько проще, а экономичность их примерно та же, что и у первых.

В конструкции сварной диафрагмы на рис. 3.47 сопловой венец (решетка) образуется лопатками 2, вставленными в просеченные отверстия двух полукольцевых бандажей 5. С наружной стороны лопатки и бандажи обварены по контуру каждой просечки. Получающуюся таким образом сопловую решетку (рис. 3.47, б) приваривают к телу 1 и ободу 3 половины диафрагмы сварными швами 6. Диафрагмы, как правило, имеют горизонтальный разъем.

Вместо электродуговой сварки, дающей сравнительно массивные (объемные) швы, вызывающие проблемы коробления сварной диафрагмы, на передовых предприятиях, например на КТЗ, для приваривания решетки к ободу и телу диафрагмы применяют электронно-лучевую сварку, дающую тонкий и качественный сварной шов и не вызывающую осложнений с короблением готовой диафрагмы.

К ободу приваривают козырек 4, на котором размещают периферийные (надбандажные) уплотнения. На внутренней расточке тела диафрагмы предусмотрен кольцевой паз 7 для размещения в нем сегментов диафрагменных уплотнений.

Примеры конструктивного исполнения рабочих лопаток промежуточных активных ступеней ВД и СД представлены на рис. 3.48 и 3.49.

Рабочая лопатка (см. рис. 3.48, а) имеет профильную часть 1, Т-образный хвостовик 2 и накладной приклепанный бандаж 3, который объединяет несколько лопаток в пакет. Число лопаток в пакете может быть от 2 до 20 и больше и выбирается по условиям вибрационной надежности (см. гл. 14). На хвостовике лопатки имеются выступы 4, которые охватывают подобные выступы на ободе диска 5. Такая конструкция служит для уменьшения изгибаю-

Рис. 3.48. Рабочая лопатка промежуточной ступени:

а — меридиональная проекция; б — крепление замковой

лопатки в расширенном входном пазе

4

A 3

Место чеканки

Рис. 3.49. Рабочая лопатка промежуточной ступени с цель-

нофрезерованным бандажом и косоугольным хвостовиком:

1 — профильная часть; 2 — хвостовик; 3 — бандаж; 4 —

демпферные вставки

щих напряжений в щеках обода диска. Приклепанная бандажная лента имеет в данной лопатке два радиальных и один осевой усик для уменьшения периферийной утечки. На хвостовике выполнены два усика, уплотняющих корневой зазор между диафрагмой ступени и лопаткой.

В последних усовершенствованных конструкциях под свисающей выходной кромкой профиля выполняется «балкончик» 6, который существенно уменьшает концентрацию напряжений под свисающей кромкой и тем самым повышает усталостную прочность рабочих лопаток. Для заводки хвостовиков лопаток в кольцевой паз обода в нем предусмотрены расположенные противоположно расширенные входные пазы, через которые лопатки заводят в паз радиально, а затем подводят одну к другой в тангенциальном направлении.

При сборке лопатки плотно подгоняют по поверхностям D. В местах расширенных входных пазов установлены так называемые замковые лопатки 7, которые имеют иной хвостовик и которые крепятся заклепками 8 (см. рис. 3.48, б).

На рис. 3.49 представлена более совершенная конструкция лопаток промежуточных ступеней, имеющая цельнофрезерованный бандаж. Эта конструкция широко применяется при модернизации проточных частей турбин, а также для вновь изготавливаемых современных типов турбин.

В теле цельнофрезерованного бандажа 3 установлены демпферные вставки 4, замыкающие на круг все лопатки и повышающие вибрационную надежность рабочего венца. Для предотвращения свисания кромок хвостовик лопатки выполнен косоугольным, что позволяет разместить весь корневой профиль лопатки на хвостовике без свисания кромок.

На рис. 3.28 представлена проточная часть реактивной ступени высокого давления. Как уже отме-

чалось, периферийные и диафрагменные (корневые) уплотнения выполнены однотипными в виде разношаговых многогребенчатых уплотнений, обеспечивающих свободные относительные осевые (и радиальные) перемещения ротора и статора. Рабочие и направляющие лопатки выполнены с цельнофрезерованными бандажами.

Для повышения вибронадежности в бандажах размещены демпферные вставки 1, объединяющие несколько лопаток в пакеты. Особенностью конструкции является организация так называемой направленной корневой утечки 2. Поток корневой

утечки G подмешивается к основному потоку за

д.у

соплами под некоторым углом (< 90°), что снижает потери при смешении и позволяет повысить КПД реактивной ступени.

Активная промежуточная ступень части среднего давления турбины мощностью 300 МВт представлена на рис. 3.50. Ступень имеет сварную диафрагму, выполненную по традиционной технологии. При

отношении θ = d / l = 4,16 ступень имеет перемен-

c

ные по высоте формы и размеры профилей сопловых и рабочих лопаток, кроме того, обе лопатки выполняются закрученными. В последних модификациях рабочие лопатки имеют цельнофрезерованный бандаж с демпферными вставками, промежуточные проволочные связи отсутствуют.

22-я ступень

Рис. 3.50. Активная промежуточная ступень среднего давле-

ния, d /l = 4,16

с

Для ступеней, работающих в области невысоких температур пара, например в части низкого давления турбин небольшой мощности, применяются литые диафрагмы. Сопловые лопатки выполняются штампованными из стального листа. Своими концевыми частями они заливаются в тело и обод диафрагмы (рис. 3.51), отливаемые из чугуна или стали. Литые диафрагмы рассмотренной конструкции не обеспечивают высокого аэродинамического совершенства сопловых каналов по следующим причинам: поверхности меридиональных отводов имеют высокую шероховатость из-за литья; по условиям технологии невозможно обеспечить высокую точность установки лопаток и размеров межлопаточных каналов; нельзя создать высокоэффективный профиль сопловой лопатки из листовой стали. В последних ступенях мощных конденсационных турбин, в которых диафрагмы выполнены литыми, применяются фрезерованные или сварные сопловые лопатки (рис. 3.52).

В ступенях ЦНД, работающих влажным паром, иногда предусматривается внутриканальное влагоудаление. В этом случае диафрагма имеет каналы в ободе и теле, а сопловые лопатки выполняются с щелями на поверхности и с внутренней полостью для отвода влаги. Пример сварной диафрагмы ЦНД

Рис. 3.52. Сварно-штампованная сопловая лопатка ХТЗ

(сечение лопатки)

с внутриканальным влагоудалением представлен на рис. 3.53.

Примеры конструктивного исполнения рабочих лопаток большой длины представлены на рис. 3.54 и 3.55. Как уже отмечалось, для снижения уровня напряжений от центробежных сил длинные лопатки выполняют с уменьшением площади поперечного сечения от корня к периферии. Отношение площади

корневого сечения F к площади периферийного

к

сечения F для лопаток последних ступеней паро-

п

вых турбин достигает 8—10 (иногда выше).

А—А

2

3

1

Рис. 3.53. Диафрагма с полыми лопатками:

1 — влагозаборные щели; 2 — влагоотводящие каналы; 3 —

влагоприемный паз

Длинные лопатки выполняют с переменным профилем по радиусу, при их изготовлении применяют фрезерование на копировально-фрезерных станках или станках с числовым программным управлением (станках с ЧПУ). При их производстве требуются бóльшие трудовые затраты, в особенности при использовании для рабочих лопаток титановых сплавов, по сравнению с лопатками постоянного профиля.

Приведенные на рис. 3.54 длинные лопатки выполнены без бандажа на периферии, что ведет к потерям энергии в потоке у периферии. В целях улучшения вибрационных характеристик лопаточных венцов в длинных лопатках часто применяют (применяли) проволочные связи между соседними лопатками. Эти проволочные связи выполняют жесткими (см. рис. 3.54, а), когда проволока или трубка припаивается к каждой лопатке, или демпферными (см. рис. 3.54, б), когда проволока вставлена в отверстие лопатки без закрепления, а иногда вставляется как бы расщепленная проволока. При вибрации на поверхностях контакта проволок между собой и между лопаткой и проволокой возникают

Рис. 3.54. Рабочие лопатки большой длины с проволочными

связями: жесткой ( а ), демпферной ( б ) и z-образной ( в )

силы трения, которые повышают демпфирование и снижают амплитуду колебаний венца (см. гл. 14).

Следует отметить, что применение проволок ведет к снижению эффективности ступени на 1—2 % на каждую проволочную связь, так что применение, например, двух рядов проволок снижает КПД ступени примерно на 4 % (отн.). Применение периферийного бандажа, напротив, ведет к повышению эффективности ступени за счет снижения утечек и упорядочения потока в периферийных участках ступени.

Б

а

Б

6

3

ВВ

5 4

Рис. 3.55. Лопатка последней ступени ЦНД:

1 — зубчиковый хвостовик; 2 — профильная часть; 3 —

отверстие; 4 — интегральный бандаж; 5 — утолщение про-

филя; 6 — поверхность контакта

На рис. 3.55 представлена последняя лопатка ЦНД конденсационной турбины. Лопатка выполнена заодно с бандажом. Хвостовик лопатки — елочного типа с криволинейной осью, выполненной по дуге окружности. Все хвостовики лопаток заводят в соответствующие пазы дисков одновременно, так, чтобы периферийные бандажи 4 лопаток вошли в зацепление по поверхностям 6. Выполнение хвостовика лопатки с криволинейной осью позволяет обеспечить расположение корневого профиля лопатки в пределах поверхности а хвостовика без свисающих кромок профиля.

Наличие свисающих кромок, как уже отмечалось, вызывает повышенную концентрацию напряжений и снижает усталостную прочность лопаток. Периферийный бандаж — демпферного типа. Под действием центробежных сил периферийное сечение лопатки с бандажом стремится повернуться в направлении, указанном на рис. 3.55 (круговой стрелкой). В результате на поверхностях 6 возникает контактное давление, обеспечивающее трение при относительном смещении смежных лопаток и соответствующее демпфирование при колебаниях. Лопатка имеет отверстия 3 для установки проволочной связи. Для снижения концентрации напряжений около отверстия 3 в профильной части предусмотрено утолщение 5.