CZ302698B6

CZ302698B6 - Prechodový díl lopatkového stroje

Info

Publication number: CZ302698B6
Application number: CZ20090308A
Authority: CZ
Inventors: Kocárník@Petr; Jirku@Slavomír
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2011-09-07
Also published as: CZ2009308A3

Abstract

Je rešen prechodový díl lopatkového stroje zarazený do prutocného kanálu za výstup z lopatkového stupne s cástecným ostrikem se dvema nebo více šterbinami cástecného ostriku ve tvaru mezikruhových výsecí a pred vstup do následujícího lopatkového stupne s plným ostrikem tvoreným plnou mezikruhovou šterbinou. Prechodový díl se skládá ze trí základních cástí, a to ohybového kanálu (7), spirálového kanálu (8) a anulárního ohybu (9). Pocet ohybových kanálu (7) a ramen spirálových kanálu (8) je dán poctem šterbin (10) stupne (1) s cástecným ostrikem. Ohybové kanály (7) navazují vstupními prurezy (71) na šterbiny (10), za kterými následuje devadesáti stupnový ohyb z axiálního do tangenciálního smeru zároven spojený s ohybem ve smeru radiálním a ve kterém prurez ohybového kanálu (7) postupne prechází z tvaru úzké mezikruhové výsece na tvar blízký obdélníku a koncí výstupním prurezem (72) o ploše blížící se velikosti plochy vstupního prurezu (71). Na výstupní prurezy (72) ohybových kanálu (7) navazují vstupními prurezy (81) ramena spirálních kanálu (8). Jejich meridiánový prurez se smerem od vstupního prurezu (81) plynule zmenšuje až dosáhne nuly v míste vstupního prurezu (81) následujícího ramene spirálního kanálu (8). Vnitrní otevrená strana všech ramen spirálních kanálu (8) tvorí výstup (82) do anulárního ohybu (9). Na ramena spirálních kanálu (8) navazuje anulární ohyb (9), jehož vstupní prurez (91) je tvoren výstupními prurezy (82) spirálních kanálu (8). Vnitrní stena anulárního ohybu (9) je tvorena povrchem obvykle stupnovite osazené hrídele (5) turbíny a vnejší stena, která je soucasne pláštem turbíny, má tvar rotacní plochy, jejíž tvoríc

Description

Přechodový díl lopatkového stroje

Oblast techniky

Vynález se týká přechodového dílu neboli hrdla lopatkového stroje v němž se proud hnacího média převádí z lopatkového stupně s částečným ostřikem oběžného kola do následujícího lopatkového stupně s plným ostřikem.

Dosavadní stav techniky

Přechodový díl lopatkového stroje je v principu krátký průtočný kanál, který je pro ilustraci schématicky znázorněný na obr. 1 a na obr. 2, kde je uveden meridiánový řez obvyklým esovitě prohnutým osově symetrickým kanálem. Jeho účelem je homogenizace proudových parametrů, tedy hmotnostního toku, směru proudění a případně teploty, před vstupem tekutiny do následujícího stupně. Oddělené proudy média vycházející ze dvou nebo více štěrbin 10 stupně 1 s částečným ostřikem ve tvaru zhruba mezikruhových výsečí se v přechodovém dílu spojují respektive mísí, a přecházejí do plného mezikmhového výstupního průřezu 2, který’jc vstupem do prostoru 4 následujícího stupně s plným ostřikem. Zejména se jedná o přechodový díl umísťovaný do prostoru mezi stupně s částečným a plným ostřikem u vysokotlakých částí parních turbín.

K převodu páry nebo jiného média ze stupně 1 s částečným ostřikem do stupně 2 s plným ostřikem se převážně používá esovitě prohnutý osově symetrický kanál 3, jehož vnější stenaje tvořena pláštěm 6 turbíny a vnitřní stěna povrchem stupňovitě osazené hřídele 5 turbíny. Obrys vnější stěny v meridiánovém řezu je obvykle tvořen kruhovými a přímými úseky.

Z konstrukčních důvodů, zejména kvůli celkové délce turbíny, bývá axiální rozměr kanálu omezen na minimum, čímž nedochází k dostatečnému promísení proudů ze vstupních segmentů. To pak snižuje celkovou účinnost následujícího stupně turbíny.

Hlavními sledovanými parametry proudového pole ve vstupních Štěrbinách a výstupním mezikruží jsou:

- rozložení hmotnostního toku v příslušném průřezu, které odpovídá průběhu střední hodnoty axiální složky rychlosti c_axj vypočtené z rychlostního profilu podél radiálního řezu a vynesené v závislosti na úhlu řezu a.

- rozložení směru proudění definované úhly φ a ψ sklonu vektoru rychlosti od axiální osy a vynesenými v závislosti na úhlu řezu a. Úhel φ je určen poměrem tangenciální a axiální složky rychlosti, úhel Ψ je dán poměrem radiální a axiální složky rychlosti.

Definice uvedených parametrů je zřejmá z obr. 3A A 3B. Jsou zde vyznačeny složky vektoru rychlosti a to axiální složka c_axi, tangenciální složka Ctan a radiální složka c_rad a dále rychlostní profil axiální složky podél radiálního řezu s úhlem a. Z hlediska rozváděči mříže stupně za přechodovým dílem souvisí úhel φ s úhlem náběhu proudu tekutiny na tuto mříž, který je rozdílem úhlu vstupního proudu tekutiny a vstupního úhlu středná čáry lopatkového profilu.

Nevýhodou uvedeného obvyklého uspořádání přechodového dílu je, že rozložení parametrů proudového pole před vstupem do dalšího stupně je značně nerovnoměrné. Hlavní problém představuje nerovnoměrnost průběhu úhlu φ výstupního proudu, která vykazuje velké fluktuace. Je to dáno jednoduchým tvarem průtočného kanálu, ve kterém se proud z každé vstupní štěrbiny dělí do dvou větví s vzájemně opačnou tangenciální složkou rychlosti. Vzhledem k tomu, že rozváděči mříž stupně za přechodovým dílem je konstruována pro axiální směr proudu, tj. pro úhel φ = 0° je tato mříž místy ofukována pod velmi nepříznivým úhlem náběhu a dochází tak v celé řadě mezilopatkových kanálů k odtržení proudění. Dalším problémem je značná nerovnoměrnost

-1 CZ 302698 B6 hmotnostního toku ve výstupním mezikruhovém průřezu. Uvedené skutečnosti jsou příčinou, že stupeň turbíny za přechodovým dílem nepracuje v optimálním režimu a vznikají tak ztráty, které snižují účinnost stupně a tím i celkovou účinnost turbíny. Z experimentálních měření a numerických výpočtů vyplynulo, že např. pro přechodový díl se dvěma segmenty ostřiku, stupněm parcis ál nosti 0,33 a s rozváděči mříží se zmenšením průtočného průřezu 0,22, se fluktuace výstupního úhlu (p pohybují v rozsahu ±65°. Hmotnostní tok příznivě ovlivňuje aerodynamický odpor následujících lopatkových stupňů, presto však kolísá v rozsahu ±25 %.

io Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje přechodový díl lopatkového stroje zařazený do průtočného kanálu za výstup z lopatkového stupně s částečným ostřikem se dvěma nebo více Štěrbinami částečného ostřiku ve tvaru mezíkruhových výsečí a před vstup do následujícího lopatkového stupně s plným ostřikem tvořeným plnou mezikruhovou štěrbinou, obvykle umístěný ve vysokotlaké části parních turbín. Podstatou nového řešení je, že se skládá ze tří základních částí, a to ohybového kanálu, spirálového kanálu a anulárního ohybu. Počet ohybových kanálů a ramen spirálových kanálů je dán počtem štěrbin ve stupni s částečným ostřikem, za kterými následuje devadesáti stupňový ohyb z axiálního do tangenciálního směru zároveň spojený s ohybem ve směru radiálním, jehož průřez postupně přechází z tvaru úzké mezikruhové výseče na tvar blízký obdélníku a končí výstupním průřezem o ploše blížící se velikosti plochy vstupního průřezu. Na výstupní průřezy ohybových kanálů navazují svými vstupními průřezy ramena spirálních kanálů, jejichž meridiánový průřez se směrem od vstupního průřezu plynule zmenšuje až dosáhne nuly v místě vstupního průřezu následujícího ramene spirálního kanálu. Meridiánový řez ramene spi25 rálního kanálu je ohraničen neuzavřenou křivkou ve tvaru různě deformovaného písmene U. Otevřená vnitřní strana všech ramen spirálních kanálů tvoří výstup do anulárního ohybu. Na ramena spirálních kanálů navazuje anulámí ohyb, jehož vstupní průřez je tvořen výstupními průřezy spirálních kanálů. Vnitřní stěna anulárního ohybuje tvořena povrchem obvykle stupňovitě osazené hřídele turbíny a vnější stěna, kteráje současně pláštěm turbíny, má tvar rotační plochy, jejíž tvořící křivkou je kruhový oblouk a úsečka. Výstupní průřez anulárního ohybu je mezi kruhový a je uzpůsoben pro připojení na následující lopatkový stupeň.

Základní myšlenka nového řešení vychází z poznatku, že proud tekutiny z jednotlivých segmentů ostřiku se v obvykle uspořádaném průtočném kanálu nevhodně rozděluje o vnitřní stěnu - hřídel turbíny. Pokud se tomuto rozdělení zamezí, lze očekávat podstatně rovnoměrnější průběh úhlu výstupní rychlosti i hmotnostního toku. Z této úvahy vyplývá, že axiální proud tekutiny za segmenty ostřiku je nutné nejprve odklonit do tangenciálního směru. Za tímto ohybovým kanálem bude následovat spirální kanál, který proudu tekutiny dodá radiální složku rychlosti. Spirální kanál bude zakončen anulámím ohybem, který převede tuto radiální složku rychlosti na axiální.

Proud tekutiny, vytékající z výstupní štěrbiny bude mít na rozdíl standardního uspořádání značnou tangenciální složku rychlosti.

Přehled obrázků na výkresech

Řešení přechodového dílu lopatkového stroje je uvedeno schematicky na přiložených výkresech. Obr. 1, obr. 2, obr. 3A a obr. 3B dokumentují stávající stav techniky, kdy na obr. 1 je schematicky uveden princip přechodového dílu, na obr. 2 je meridiánový průřez obvyklým provedením přechodového dílu a obr. 3A a 3B jsou podkladem pro definice sledovaných parametrů proudo50 vého pole. Nové řešení je uvedeno na obr. 4 až 6. Obr. 4 ukazuje schematicky dekompozici navrhovaného přechodového dílu. Na obr. 5 je meridiánový řez spirálo tm kanálem a navazujícím anulárním ohybem a obr. 6 je sestavený přechodový díl.

-2CZ 302698 B6

Příklady provedení vynálezu

Dekompozice navrhovaného přechodového dílu na jednotlivé průtočné kanály je pro případ dvou segmentů částečného ostřiku znázorněna na obr. 4.

Ohybové kanály 7 navazují vstupními průřezy 7J_ na štěrbiny JO stupně 1 s částečným ostřikem, které mají tvar mez i kruhových výsečí. Proudění na vstupu ohybového kanálu má převážně axiální směr. Následuje devadesáti stupňový ohyb v tangenciálním směru, jehož průřez postupně přechází z tvaru úzké mezikruhové výseče na tvar blízký obdélníku. Koncová část ohybového kanálu 7 s přibližně konstantním průřezem se ohýbá ve směru radiálním. Plocha výstupního průřezu 72 se svou velikostí blíží velikosti plochy vstupního průřezu 71. Tvar stěn ohybu je volen tak, aby nedošlo k nevhodnému ovlivnění proudového pole v segmentech parciálního ostřiku a současně bylo proudové pole v koncové částí ohybového kanálu 7 dostatečně rovnoměrné.

Na ohybové kanály 7 navazují svými vstupními průřezy 81 jsou ohraničeny neuzavřenou křivkou ve tvaru různě deformovaného písmene U. Jejich průřez se směrem od vstupního průřezu 81 plynule zmenšuje až dosáhne nuly v místě vstupního průřezu 81 následujícího ramene spirál ního kanálu 8. Postupné zmenšování meridiánového průřezu ramen spírálních kanálů 8 uděluje proudící tekutině radiální složku rychlosti. Tvarování stěn zajišťuje, že tato složka rychlost» zůstává v odtokovém průřezu tvořícím výstup 82 ramene spirálního kanálu 8 téměř konstantní.

Na ramena spírálních kanálů 8 navazuje anulámí ohyb 9, jehož vstupní průřez 9£je tedy tvořen výstupy 82 spírálních kanálů 8. Vnitřní stěna anulámího ohybu 9 je tvořena povrchem obvykle stupňovitě osazené hřídele 5 turbíny. Vnější stěna, která je současně pláštěm 4 turbíny, má tvar rotační plochy, jejíž tvořící křivkou je kruhový oblou a úsečka. Výstupní průřez 92 anulárního ohybu 9 je mezi kruhový. Za ním již následuje další lopatkový stupeň.

Na obr. 5 je meridiánový řez spirálním kanálem 8 s navazujícím meridiánovým řezem anulámím ohybem 9. Je zde dále označena tvořící křivka 93 vnější rotační plochy anulámího ohybu 9 navazující na stěnu 83 spirálního kanálu vnitrní rotující stěna anulámího ohybu 9 tvořená povrchem hřídele 5 a prostor 4, v němž je umístěn následný lopatkový stupeň.

Tvar sestaveného přechodového dílu je na obr. 6. Proud tekutiny vtéká do vstupního průřezu přechodového dílu, tedy do vstupního průřezu 71 ohybového kanálu 7, převážně v axiálním směru. Rychlost na výstupu přechodového dílu, tedy ve výstupním průřezu 92 anulámího ohybu 9, má značnou tangenciální složku, radiální složka je zanedbatelná. Rozložení axiální a tangenciální složky rychlosti ve výstupním průřezu 92 je velmi rovnoměrné. Velká tangenciální složka výstupní rychlosti umožňuje navrhnout rozváděči mříž v následujícím lopatkovém stupni jen na malý úhel ohybu, případně tuto rozváděči mříž z konstrukce následujícího stupně zcela vypustit.

Obecně lze konstatovat, že navržená úprava přechodového dílu splňuje všechny požadavky na vysokou rovnoměrnost rozložení proudových parametrů ve výstupním i vstupním průřezu. V uvažovaném provedení dvousegmentového částečného ostřiku snižuje fluktuaci úhlu φ výstupního proudu na ±0,5° a nerovnoměrnost rozložení hmotnostního toku na ±5 %.

Nová netradiční koncepce průtočného kanálu je tak schopna zajistit stejnou termodynamickou účinnost následujících stupňů, jaké by dosahovaly v obdobné turbíně s plným ostřikem 1. stupně turbíny. Dalším přínosem nové koncepce přechodového dílu je, že umožňuje vypuštění jedné rozváděči mříže z konstrukce turbíny. Tvar stěn nově tvarovaného přechodového dílu má značný potenciál k provedení dalších dílčích úprav, které povedou ke zmenšení celkového rozměru přechodového dílu, čímž se sníží požadavky na volný prostor při vestavbě přechodového dílu do tělesa turbíny.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Přechodový díl lopatkového stroje zařazený do průtočného kanálu za výstup z lopatkového stupně s částečným ostřikem se dvěma nebo více štěrbinami částečného ostřiku ve tvaru mezikruhových výsečí a před vstup do následujícího lopatkového stupně s plným ostřikem tvořeným plnou mezikruhovou štěrbinou, obvykle umístěný ve vysokotlaké části parních turbín, vyznačující se t í m , že se skládá ze tří základních částí, a to z ohybového kanálu (7), ze spirálového kanálu (8) a zanulárního ohybu (9), kde počet ohybových kanálů (7) a ramen spirálových kanálů (8) je dán počtem štěrbin (10) stupně (1) s částečným ostřikem, kde tyto ohybové kanály (7) navazují vstupními průřezy (71) na štěrbiny (10), za kterými následuje devadesáti stupňový ohyb z axiálního do tangenciálního směru, kterýje zároveň spojený s ohybem ve směru radiálním a ve kterém průřez ohybového kanálu (7) postupně přechází z tvaru úzké meztkruhové výseče na tvar blízký obdélníku a končí výstupním průřezem (72) o ploše blížící se velikostí plochy vstupního průřezu (71) a na tyto výstupní průřezy (72) ohybových kanálů (7) navazují svými vstupními průřezy (81) ramena spirálních kanálů (8), kde meridiánové řezy ramen spirálních kanálů (8) jsou ohraničeny neuzavřenou křivkou ve tvaru různě deformovaného písmene U a jejich meridiánový průřez se směrem od vstupního průřezu (81) plynule zmenšuje až dosáhne nuly v místě vstupního průřezu (81) následujícího ramene spirálního kanálu (8), přičemž vnitřní otevřená strana všech ramen spirálních kanálů (8) tvoří výstup (82) do anulárního ohybu (9) a na ramena spirálních kanálů (8) navazuje anulární ohyb (9), jehož vstupní průřez (91) je tvořen výstupními průřezy (82) spirálních kanálů (8) a vnitřní stěna anulárního ohybu (9) je tvořena povrchem hřídele (5) turbíny a vnější stěna, která je současně pláštěm turbíny, má tvar rotační plochy, jejíž tvořící křivkou (93) je kruhový oblouk a úsečka, přičemž výstupní průřez (92) anulárního ohybu (9) je mezikruhový a je uzpůsoben pro připojení na následující lopatkový stupeň (4).