RU151731U1 - LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE - Google Patents
LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE Download PDFInfo
- Publication number
- RU151731U1 RU151731U1 RU2014114286/06U RU2014114286U RU151731U1 RU 151731 U1 RU151731 U1 RU 151731U1 RU 2014114286/06 U RU2014114286/06 U RU 2014114286/06U RU 2014114286 U RU2014114286 U RU 2014114286U RU 151731 U1 RU151731 U1 RU 151731U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- profile part
- section
- blades
- installation angle
- height
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Длинномерная рабочая лопатка последних ступеней паровой турбины, характеризующаяся тем, что содержит аэродинамическую профильную часть, хвостовик елочного типа, соединенный с корнем профильной части по ее корневому сечению, бандажную полку, соединенную с вершиной профильной части по ее периферийному сечению, при этом профильная часть выполнена с промежуточной связью в виде двух выступов, один из которых выполнен на внешней стороне профильной части, другой - на внутренней, поперечные сечения профильной части выполнены с углом установки, плавно изменяющимся по высоте профильной части от корневого сечения к периферийному: на участке профильной части от корневого сечения до точки, расположенной на высоте 0,5L, угол установки монотонно возрастает от (10,5±2,0)° до (58±1,5)°, от 0,5L до 0,7L угол установки монотонно возрастает от (58±1,5)° до (72±1,5)°, от 0,7L до 0,9L угол установки монотонно возрастает от (72±1,5)° до (79±1,0)°, а далее, от 0,9L до периферийного сечения угол установки монотонно изменяется до (80±0,5)°, где L - высота профильной части, равная 1400 мм.A long working blade of the last stages of a steam turbine, characterized in that it contains an aerodynamic profile part, a Christmas tree-shaped shank connected to the root of the profile part by its root section, a retaining shelf connected to the top of the profile part along its peripheral section, while the profile part is made with intermediate connection in the form of two protrusions, one of which is made on the outside of the profile part, the other on the inside, cross sections of the profile part are made with the installation angle gradually varying in height of the profile part from the root section to the peripheral: in the section of the profile part from the root section to a point located at a height of 0.5L, the installation angle monotonically increases from (10.5 ± 2.0) ° to (58 ± 1 , 5) °, from 0.5L to 0.7L, the installation angle monotonically increases from (58 ± 1.5) ° to (72 ± 1.5) °, from 0.7L to 0.9L, the installation angle monotonously increases from ( 72 ± 1.5) ° to (79 ± 1.0) °, and then, from 0.9L to the peripheral section, the installation angle monotonically changes to (80 ± 0.5) °, where L is the height of the profile part, equal to 1400 mm
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области энергетического машиностроения, а именно, паротурбостроения, и может быть использовано при разработке конструкции крупногабаритных рабочих лопаток последних ступеней быстроходных паровых турбин большой мощности.The proposed technical solution relates to the field of power engineering, namely, steam turbine construction, and can be used in the design of large-sized working blades of the last stages of high-speed high-speed steam turbines.
Актуальной задачей энергомашиностроения в настоящее время является повышение мощности и КПД паровых турбин при уменьшении длины турбины, что может быть достигнуто при применении в последних ступенях турбины (которых в турбине может быть несколько - при схеме с несколькими выхлопами ЦНД) рабочих лопаток с увеличенной длиной профильной части, обеспечивающих увеличение площади выхлопа, и, следовательно, возможность уменьшения количества цилиндров турбины. В связи с этим актуальным направлением исследований и разработок российских и зарубежных турбостроительных компаний является создание длинномерных рабочих лопаток.An urgent task of power engineering at the present time is to increase the power and efficiency of steam turbines with a decrease in the length of the turbine, which can be achieved by using working blades with an increased length of the profile part in the last stages of the turbine (of which there can be several in the turbine with a multi-cylinder exhaust system). providing an increase in exhaust area, and, therefore, the possibility of reducing the number of turbine cylinders. In this regard, the actual direction of research and development of Russian and foreign turbine-building companies is the creation of long blades.
К длинномерным рабочим лопаткам обычно относят лопатки, характеризующиеся отношением среднего диаметра ступени (D) к длине профильной части лопатки (L) меньшем 3 (D/L<3). В настоящее время известны рабочие лопатки длиной до 1500 мм, работающие в составе ступеней низкого давления быстроходных паровых турбин.Longer working blades usually include blades characterized by the ratio of the average step diameter (D) to the length of the profile part of the blade (L) less than 3 (D / L <3). Currently known blades up to 1500 mm long, operating as part of the low pressure stages of high-speed steam turbines.
Длинномерные рабочие лопатки выполняют закрученными, то есть с изменяющимся углом установки поперечных сечений профильной части и с уменьшающейся площадью поперечного сечения от корня к вершине.Long working blades are twisted, that is, with a varying installation angle of the cross sections of the profile part and with a decreasing cross-sectional area from the root to the apex.
Углом установки поперечного сечения профильной части принято называть угол между осью вращения лопатки (осью турбины) и хордой сечения.The angle of installation of the cross section of the profile part is the angle between the axis of rotation of the blade (axis of the turbine) and the chord of the section.
При вращении ротора рабочие лопатки испытывают вибрационные нагрузки. В том случае, если собственная частота лопатки оказывается кратной частоте вращения (частоте возмущающего воздействия), имеет место резонанс, сопровождающийся резким ростом амплитуды колебаний лопатки. При этом на первой собственной частоте амплитуда вибрации максимальна, на второй - меньше, и далее - убывает по мере роста частот. Поэтому при проектировании длинномерных рабочих лопаток обязательно проводится вибрационная отстройка, которая заключается в обеспечении заданных интервалов между собственными частотами лопатки и частотами, кратными рабочей частоте вращения. Кроме того, при работе турбины в рабочих лопатках последних ступеней в результате аэровозбуждения могут возникать автоколебания с частотами, не кратными частоте вращения ротора. В связи с этим при разработке рабочих лопаток требуется обеспечить устойчивость конструкции к аэровозбуждению.When the rotor rotates, the blades experience vibration loads. In the event that the natural frequency of the blade turns out to be a multiple of the rotation frequency (frequency of the disturbing action), there is a resonance, accompanied by a sharp increase in the amplitude of the oscillations of the blade. Moreover, the amplitude of vibration is maximum at the first natural frequency, less at the second, and then decreases with increasing frequencies. Therefore, when designing lengthy working blades, vibrational detuning is necessarily carried out, which consists in providing specified intervals between the natural frequencies of the blades and frequencies that are multiples of the operating speed. In addition, during the operation of the turbine in the working blades of the last stages as a result of aeroexcitation, self-oscillations can occur with frequencies that are not multiple of the rotor speed. In this regard, when developing working blades, it is required to ensure the stability of the structure to aeroexcitation.
В случае резонанса или аэровозбуждения в теле лопатки возникают динамические напряжения, следствием которых являются усталостные повреждения, что особенно опасно для длинномерных рабочих лопаток. Поэтому вибрационная отстройка и снижение опасности аэровозбуждения, обеспечивающие повышение вибрационной прочности конструкции, являются необходимыми мероприятиями при проектировании длинномерных рабочих лопаток.In the case of resonance or aeroexcitation, dynamic stresses arise in the body of the blade, which results in fatigue damage, which is especially dangerous for long blade vanes. Therefore, vibration detuning and reducing the danger of aeroexcitation, providing an increase in the vibrational strength of the structure, are necessary measures in the design of long blades.
В лопаточных ступенях, где лопатки соединены между собой бандажными полками и промежуточными связями, могут возбуждаться собственные формы с циклической симметрией - так называемые группы дисковых форм с различным числом узловых диаметров. Для длинномерных лопаток практический интерес представляют первые две-три группы форм, которые находятся в диапазоне до 300 Гц и поэтому подлежат обязательной отстройке. Наибольшую опасность представляют формы колебаний первой группы, имеющие наиболее низкие частоты. Отстройка этих форм колебаний является наиболее актуальной и требует реализации комплекса конструктивных мероприятий, эффективность которых должна быть подтверждена результатами расчетно-экспериментальных исследований. Применяемые в турбостроении нормы содержат требуемые интервалы отстройки частот для различных кратностей возбуждения. Так, например, для 2й-3й кратности, характерных для первой группы дисковых форм, эта величина составляет от 7% до 10% от рабочей частоты вращения.In scapular steps, where the scapulae are interconnected by retaining shelves and intermediate connections, their own forms with cyclic symmetry can be excited - the so-called groups of disk forms with a different number of nodal diameters. For long blades of practical interest are the first two or three groups of shapes that are in the range up to 300 Hz and therefore subject to mandatory detuning. The greatest danger is represented by the vibration modes of the first group having the lowest frequencies. The detuning of these forms of vibrations is the most relevant and requires the implementation of a set of constructive measures, the effectiveness of which must be confirmed by the results of computational and experimental studies. The standards used in turbine construction contain the required frequency tuning intervals for various excitation multiplicities. So, for example, for the 2nd- 3rd multiplicity, characteristic of the first group of disk forms, this value is from 7% to 10% of the operating speed.
Известна длинномерная рабочая лопатка последней ступени паровой турбины [патент США №US 7997873 В2, МПК F01D 5/14, дата приоритета: 27.03.2009, дата публикации заявки: 30.09.2010, патентообладатель: General Electric Co.], содержащая профильную часть аэродинамической формы с номинальным профилем, выполненным согласно приведенным в патенте значениям координат X, Y, Z, R координатной сетки. Высота профильной части лопатки составляет 52 дюйма (1320 мм). Согласно описанию известная конструкция рабочей лопатки имеет елочный хвостовик, бандажную полку и промежуточную связь. В периферийной части лопатки выполнен прилив, позволяющий обеспечить вибрационную отстройку: выполнение этого элемента больших размеров (в пределах размеров заготовки) снизит собственную частоту лопатки, а при выполнении этого элемента с меньшими размерами собственная частота лопатки будет увеличена.Known lengthy working blade of the last stage of a steam turbine [US patent No. US 7997873 B2, IPC F01D 5/14, priority date: 03/27/2009, publication date of the application: 09/30/2010, patent holder: General Electric Co.], containing the profile part of the aerodynamic form with a nominal profile made according to the coordinate values X, Y, Z, R of the coordinate grid given in the patent. The height of the blade profile is 52 inches (1320 mm). According to the description of the known design of the working blades has a Christmas tree shank, retaining shelf and an intermediate connection. A tide is made in the peripheral part of the blade, which allows for vibration detuning: the implementation of this large element (within the dimensions of the workpiece) will reduce the natural frequency of the blade, and when this element is performed with smaller dimensions, the natural frequency of the blade will be increased.
Недостатком этого решения является то, что изменения геометрии, осуществляемые для отстройки от резонансов, вносятся непосредственно в аэродинамический профиль лопатки в ее периферийной части. В результате таких изменений может ухудшаться аэродинамическая эффективность лопатки и ее устойчивость к аэровозбуждению. Таким образом, улучшая один параметр (отстройку), влияющий на вибрационную прочность, данное решение может ухудшать вибрационную прочность по другому параметру - устойчивости к аэровозбуждению.The disadvantage of this solution is that the geometry changes that are made to detun from resonances are introduced directly into the aerodynamic profile of the blade in its peripheral part. As a result of such changes, the aerodynamic efficiency of the blade and its resistance to aero-excitation can be impaired. Thus, improving one parameter (detuning) that affects the vibrational strength, this solution can degrade the vibrational strength in another parameter - resistance to aeroexcitation.
В качестве технического решения, наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой длинномерной рабочей лопатке, предлагается выбрать длинномерную рабочую лопатку, конструкция которой известна по патенту США № US 5480285 [МПК F01D 5/14, дата приоритета: 23.08.1993, дата публикации заявки: 02.01.1996, патентообладатель: Westinghouse Electric Corp.], предназначенную для работы в составе последней ступени паровой турбины.As a technical solution, the closest in the set of essential features to the claimed long working blade, it is proposed to choose a long working blade, the design of which is known from US patent No. US 5480285 [IPC F01D 5/14, priority date: 08.23.1993, application publication date: 01/02/1996, patent holder: Westinghouse Electric Corp.], designed to work as part of the last stage of a steam turbine.
Известная рабочая лопатка содержит аэродинамическую профильную часть и хвостовик. Профильная часть имеет корень и вершину. Хвостовик выполнен елочного типа, соединен с профильной частью по ее корневому сечению. Поперечные сечения профильной части выполнены с углом установки, величина которого изменяется от корневого сечения к периферийному. В известном техническом решении значения углов определены для сечений: на высоте 25% высоты профильной части, 50%, 75% и на вершине. Графически зависимость изменения величины угла установки сечения по высоте профильной части (фиг. 6 описания к патенту) представляет собой S-образную кривую, при этом корневому сечению соответствует величина угла установки 0°.Known working blade contains an aerodynamic profile part and a shank. The profile part has a root and apex. The shank is made of Christmas-tree type, connected to the profile part along its root section. Cross sections of the profile part are made with the installation angle, the value of which varies from the root section to the peripheral. In the known technical solution, the values of the angles are determined for the sections: at a height of 25% of the height of the profile part, 50%, 75% and at the top. Graphically, the dependence of the change in the angle of installation of the cross-section along the height of the profile part (Fig. 6 of the patent description) is an S-shaped curve, while the root section corresponds to a value of the installation angle of 0 °.
Предложенное выполнение профильной части рабочей лопатки обеспечивает повышение термодинамической эффективности при минимизации напряжений от центробежных сил и обеспечении вибрационной отстройки.The proposed implementation of the profile of the working blades provides an increase in thermodynamic efficiency while minimizing stresses from centrifugal forces and ensuring vibration detuning.
Однако, следует отметить, что при установке на роторе рабочие лопатки, выполненные в соответствии с известным техническим решением, образуют ступень с так называемыми отдельно стоящими лопатками, т.е. лопатками, не замкнутыми в единую систему упруго-демпферными связями.However, it should be noted that when installed on the rotor, the working blades made in accordance with the known technical solution form a step with the so-called free-standing blades, i.e. blades that are not closed in a single system by elastic-damper bonds.
Анализ и расчетные оценки, проведенные авторами, показали, что такая турбинная ступень вследствие отсутствия бандажных полок и других связей будет иметь низкое конструкционное демпфирование.The analysis and calculated estimates made by the authors showed that such a turbine stage, due to the absence of retaining shelves and other connections, will have low structural damping.
На режимах пуска-останова турбины рабочие лопатки проходят ряд резонансных частот, при которых амплитуда колебаний может достигать опасных значений вследствие отсутствия конструкционного демпфирования.In the turbine start-stop modes, the rotor blades pass through a series of resonant frequencies at which the oscillation amplitude can reach dangerous values due to the absence of structural damping.
Кроме того, отдельно стоящие лопатки имеют более низкие собственные частоты по сравнению с обандаженными лопатками, что является дополнительным фактором риска возбуждения автоколебаний конструкции.In addition, freestanding blades have lower natural frequencies compared to bandaged blades, which is an additional risk factor for the excitation of self-oscillations of the structure.
Расчетные исследования вибрационных характеристик показали, что на некоторых режимах работы вследствие аэродинамического возбуждения в такой конструкции могут возникать вибрации опасной величины, которые могут стать причиной усталостного повреждения лопаток.Computational studies of vibrational characteristics showed that at some operating modes due to aerodynamic excitation in such a design, dangerous vibrations can occur that can cause fatigue damage to the blades.
Таким образом, известное техническое решение не обеспечивает достаточную вибрационную прочность рабочих лопаток в условиях возмущающих воздействий со стороны парового потока.Thus, the known technical solution does not provide sufficient vibrational strength of the working blades under conditions of disturbing influences from the side of the steam stream.
Технический результат, достижение которого обеспечивает заявляемая полезная модель, заключается в повышении вибрационной прочности конструкции длинномерной рабочей лопатки, предназначенной для функционирования в составе последних ступеней паровой турбины.The technical result, the achievement of which is provided by the claimed utility model, is to increase the vibrational strength of the design of a long working blade, designed to function as part of the last stages of a steam turbine.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается длинномерная рабочая лопатка последних ступеней паровой турбины, содержащая аэродинамическую профильную часть и хвостовик елочного типа, соединенный с корнем профильной части по ее корневому сечению.To achieve the above technical result, a long working blade of the last stages of a steam turbine is proposed, comprising an aerodynamic profile part and a Christmas-tree-shaped shank connected to the root of the profile part by its root section.
При этом, согласно заявляемому техническому решению, на вершине профильной части выполнена бандажная полка, соединенная с вершиной профильной части по ее периферийному сечению. Профильная часть выполнена с промежуточной связью в виде двух выступов, один из которых выполнен на внешней стороне профильной части, другой - на внутренней. Выступы выполнены с ответным сопряжением. Поперечные сечения профильной части выполнены с углом установки, плавно изменяющимся по высоте профильной части от корневого сечения к периферийному: на участке профильной части от корневого сечения до точки, расположенной на высоте 0,5L, угол установки монотонно возрастает от (10,5±2,0)° до (58±1,5)°, от (0,5L) до 0,7L угол установки монотонно возрастает от (58±1,5)° до (72±1,5)°, от 0,7L до 0,9L угол установки монотонно возрастает от (72±1,5)° до (79±1,0)°, а далее, от 0,9L до периферийного сечения угол установки монотонно изменяется от (79±1,0)° до (80±0,5)°, где L - высота профильной части, равная 1400 мм.Moreover, according to the claimed technical solution, at the top of the profile part there is a retaining shelf connected to the top of the profile part along its peripheral section. The profile part is made with an intermediate connection in the form of two protrusions, one of which is made on the outside of the profile part, the other on the inside. The protrusions are made with reciprocal mating. Cross sections of the profile part are made with an installation angle that smoothly varies along the height of the profile part from the root section to the peripheral one: in the section of the profile part from the root section to a point located at a height of 0.5 L, the installation angle monotonously increases from (10.5 ± 2, 0) ° to (58 ± 1.5) °, from (0.5L) to 0.7L, the installation angle monotonically increases from (58 ± 1.5) ° to (72 ± 1.5) °, from 0.7L up to 0.9L, the installation angle monotonically increases from (72 ± 1.5) ° to (79 ± 1.0) °, and then, from 0.9L to the peripheral section, the installation angle monotonously changes from (79 ± 1.0) ° to (80 ± 0.5) °, where L is the height of the pros linen part, equal to 1400 mm.
Геометрия профильной части обеспечивает минимальные потери энергии при обтекании лопаток, собранных в ступень, потоком пара. Хвостовик обеспечивает возможность крепления лопатки на роторе, при этом хвостовик елочного типа обеспечивает наибольшую несущую способность по сравнению с другими типами хвостовиков, что является чрезвычайно важным для крупногабаритных рабочих лопаток.The geometry of the profile part ensures minimal energy loss during the flow of steam around the blades assembled into the stage. The shank provides the ability to mount the blades on the rotor, while the Christmas-tree shank provides the greatest bearing capacity compared to other types of shanks, which is extremely important for large working blades.
Авторами были проведены расчетно-экспериментальные исследования вибрационных характеристик длинномерных рабочих лопаток на базе исходного теоретического профиля высотой 1400 мм. Был выполнен частотный анализ различных вариантов конструкций с использованием условий циклической симметрии. В ряде случаев результаты исследований показали необходимость повышения частот первой группы дисковых форм колебаний. При анализе результатов исследований авторами были выявлены дисковые формы колебаний, подлежащие отстройке, для которых не удается обеспечить требования отстройки по известным методикам.The authors conducted computational and experimental studies of the vibrational characteristics of long blades based on the initial theoretical profile with a height of 1400 mm. A frequency analysis of various design options was performed using cyclic symmetry conditions. In a number of cases, the research results showed the need to increase the frequencies of the first group of disk vibration modes. When analyzing the results of studies, the authors identified disk waveforms that are subject to detuning, for which it is not possible to meet the detuning requirements by known methods.
Традиционные подходы решения данной проблемы, такие как изменение массы на периферии лопатки (например, за счет изменения полноты периферийной зоны) или перераспределение площадей сечений не обеспечивают эффективного результата: в первом случае большие габариты лопатки не позволяют добиться требуемого изменения собственных частот, а реализация второго подхода требует внесения кардинальных изменений в исходный аэродинамический профиль, а по сути - построения нового профиля, что неприемлемо.Traditional approaches to solving this problem, such as changing the mass on the periphery of the blade (for example, by changing the completeness of the peripheral zone) or redistributing the cross-sectional areas do not provide an effective result: in the first case, the large dimensions of the blade do not allow the desired change in natural frequencies, and the second approach is implemented requires fundamental changes to the original aerodynamic profile, and in fact - the construction of a new profile, which is unacceptable.
Следует отметить, что вибрационная отстройка от резонанса может быть осуществлена как за счет снижения, так и за счет повышения собственной частоты лопатки, то есть путем уменьшения или увеличения жесткости профиля. При этом повышение устойчивости лопатки к аэровозбуждению требует увеличения жесткости профиля. Таким образом, конструктивные мероприятия по повышению жесткости профиля обеспечивают как вибрационную отстройку, так и повышение устойчивости к аэровозбуждению.It should be noted that vibrational detuning from resonance can be carried out both by reducing and by increasing the natural frequency of the blade, that is, by reducing or increasing the stiffness of the profile. At the same time, increasing the resistance of the blade to air excitation requires an increase in the stiffness of the profile. Thus, constructive measures to increase the stiffness of the profile provide both vibration detuning and increased resistance to aeroexcitation.
Авторами было проанализировано влияние различных параметров на изменение вибрационной прочности конструкции рабочей лопатки: частоты собственных колебаний и устойчивости к аэровозбуждению. Было также принято во внимание, что первая форма колебаний лопатки - преимущественно аксиальная, и для повышения собственной частоты необходимо увеличить жесткость профиля на изгиб в аксиальном направлении.The authors analyzed the influence of various parameters on the change in the vibrational strength of the design of the working blades: the frequency of natural vibrations and resistance to aeroexcitation. It was also taken into account that the first mode of oscillation of the blade is predominantly axial, and to increase the natural frequency it is necessary to increase the stiffness of the profile in bending in the axial direction.
Авторами было предложено выполнение профильной части длинномерной рабочей лопатки, поперечные сечения которой имеют угол установки, изменяющийся по всей высоте профильной части от корня к вершине (то есть от корневого до периферийного сечения), согласно описанной выше зависимости. При этом графически зависимость угла установки сечения от относительной высоты сечения (определяемой как отношение высоты сечения к высоте профильной части) представляет собой плавную кривую, причем величина угла на первых трех вышеуказанных участках (от 0 до 0,5L; от 0,5L до 0,7L и от 0,7L до 0,9L) является монотонно возрастающей, а на последнем участке от 0,9L до периферийного сечения может быть как монотонно возрастающей, так и монотонно убывающей, либо оставаться постоянной величиной.The authors proposed the implementation of the profile part of a long working blade, the cross sections of which have an installation angle that varies along the entire height of the profile part from the root to the apex (i.e., from the root to the peripheral section), according to the dependence described above. In this case, graphically, the dependence of the angle of installation of the section on the relative height of the section (defined as the ratio of the height of the section to the height of the profile part) is a smooth curve, and the angle in the first three above sections (from 0 to 0.5L; from 0.5L to 0, 7L and from 0.7L to 0.9L) is monotonically increasing, and in the last section from 0.9L to the peripheral section it can be either monotonically increasing or monotonically decreasing, or it can remain constant.
Расчетные исследования вибрационных характеристик длинномерных рабочих лопаток с высотой профильной части 1400 мм, работающих в составе ступеней низкого давления, показали, что выполнение конструкции лопаток согласно предлагаемому техническому решению, в том числе - выполнение профильной части с приведенными выше углами установки поперечных сечений во всем диапазоне указанных интервалов, обеспечивает интервалы вибрационной отстройки, определенные действующими в турбостроении нормами, а также повышает устойчивость конструкции к аэровозбуждению, что, в свою очередь, позволяет исключить появление в результате воздействия вибрационных нагрузок опасных динамических напряжений в теле лопаток.Computational studies of the vibrational characteristics of long working blades with a profile part height of 1,400 mm, operating as part of low pressure stages, showed that the design of the blades according to the proposed technical solution, including the design of the profile part with the above angles of installation of cross sections in the entire range of the indicated of intervals, provides intervals of vibrational detuning, determined by the norms in force in turbine building, and also increases the structural stability to aero excitation, which, in turn, eliminates the appearance as a result of exposure to vibrational loads of dangerous dynamic stresses in the body of the blades.
Бандаж и промежуточные связи ограничивают разворот профиля, вызываемый действием центробежных сил при вращении ротора и обеспечивают конструкционное демпфирование лопаток во время работы турбины.The bandage and intermediate connections limit the profile reversal caused by the action of centrifugal forces during rotation of the rotor and provide structural damping of the blades during turbine operation.
Таким образом, выполнение длинномерной рабочей лопатки паровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков обеспечивает повышение вибрационной прочности конструкции рабочей лопатки за счет увеличения жесткости профиля на изгиб в аксиальном направлении и обеспечения конструкционного демпфирования.Thus, the implementation of the long-length working blades of a steam turbine in the above set of essential features provides an increase in the vibrational strength of the design of the working blades by increasing the rigidity of the profile for bending in the axial direction and providing structural damping.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлен общий вид длинномерной рабочей лопатки, на фиг. 2 - поперечное сечение профильной части с указанием угла установки сечения, на фиг. 3 - график зависимости угла установки сечения от относительной высоты сечения, на фиг. 4 - Кривые изменения углов установки сечений по высоте лопатки 1400 мм, на фиг. 5 - Кэмпбелл диаграмма лопатки 1400 мм.The essence of the proposed technical solution is illustrated by graphic materials. In FIG. 1 is a perspective view of a lengthy working blade; FIG. 2 is a cross-sectional view of a profile part indicating the angle of installation of the cross-section, in FIG. 3 is a graph of the dependence of the angle of installation of the section on the relative height of the section, in FIG. 4 - Curves of changes in the angles of installation of sections along the height of the
Длинномерная рабочая лопатки последних ступеней паровой турбины (фиг. 1) содержит профильную часть 1, представляющую собой рабочую поверхность с аэродинамическим профилем, геометрия которого определяет КПД турбинной ступени. Профильная часть является основным элементом рабочей лопатки, и построение ее математической модели осуществляется в соответствии с теоретическим профилем, рассчитанным по известным методикам с применением расчетных программных комплексов, при этом в расчете учитывают такие факторы, как обеспечение минимума потерь энергии потока по каждому сечению профиля; соответствие распределения площадей сечений профиля по высоте профильной части выбранному закону изменения по высоте напряжений от центробежных сил; расположение центров тяжести сечений по радиальной прямой.The long working blade of the last stages of the steam turbine (Fig. 1) contains a
Корень профильной части 1 соединен с хвостовиком елочного типа 2 по корневому сечению 3 профильной части. Хвостовик обеспечивает возможность крепления лопатки на диске или непосредственно на роторе и воспринимает все нагрузки, действующие на лопатку при вращении ротора. Для длинномерных лопаток, работающих в составе последних ступеней, применение хвостовиков елочного типа по сравнению с другими типами хвостовиков обеспечивает наибольшую несущую способность, а также повышение технологичности конструкции в результате упрощения процесса сборки лопаток в турбинную ступень. Хвостовик елочного типа может быть выполнен, например, 4-х опорным, прямым, под углом к оси турбины.The root of the
На вершине профильной части 1 выполнена бандажная полка 4, соединенная с вершиной профильной части по ее периферийному сечению 5. Бандажная полка выполняется с ответным сопряжением на входной и выходной кромках для соединения лопаток в единую конструкцию; она предотвращает разворот вершин лопаток и обеспечивает демпфирование вибрации лопаток при вращении. Бандажная полка может быть выполнена, On the top of the
например, в виде полки постоянной ширины, имеющей контактную поверхность со стороны входной кромки и ответную контактную поверхность со стороны выходной кромки, что обеспечивает возможность смыкания соседних бандажных полок и соединения лопаток в единую турбинную ступень.for example, in the form of a shelf of constant width having a contact surface on the side of the input edge and a mating contact surface on the side of the output edge, which makes it possible to close adjacent retaining shelves and connect the blades in a single turbine stage.
Профильная часть 1 рабочей лопатки выполнена с промежуточной связью 6, обеспечивающей уменьшение раскрутки промежуточных сечений при работе турбины и повышение конструкционного демпфирования. Промежуточная связь 6 выполнена в виде двух выступов: на внешней и на внутренней стороне профильной части 1. Выступы выполнены с ответным сопряжением и цельнофрезерованными (что обеспечивает снижение локальных напряжений в теле лопатки, например, по сравнению с выполнением промежуточной связи в виде демпферной проволоки, установленной в сквозном отверстии профильной части). Промежуточную связь выполняют на промежуточной высоте профильной части. Эта высота определяется из расчета частотных характеристик лопаток.The
Для длинномерной рабочей лопатки характерно выполнение профильной части с большой закруткой, то есть со значительным изменением по высоте профильной части величины угла установки поперечных сечений (фиг. 2). Изменение угла установки поперечных сечений подчиняется принятой закономерности. Профильная часть 1 выполнена с углами установки поперечных сечений, изменяющихся от корневого сечения 3 до периферийного сечения 5 в соответствии с описанной выше зависимостью изменения угла установки по высоте профильной части (фиг. 3). Указанная зависимость выявлена авторами при проведении расчетно-экспериментальных исследований вибрационных характеристик. Выполненная таким образом конструкция рабочей лопатки обладает запасом вибрационной отстройки, удовлетворяющим нормативным требованиям. При For a long working blade, a profile part with a large swirl is characteristic, that is, with a significant change in the height of the profile part of the installation angle of the cross sections (Fig. 2). Changing the angle of installation of cross sections obeys the accepted pattern. The
этом выполнение профильной части в указанном виде повышает устойчивость конструкции к аэровозбуждению.this implementation of the profile part in the specified form increases the stability of the structure to aeroexcitation.
Длинномерная рабочая лопатка, включающая профильную часть, промежуточную связь, хвостовик и бандажную полку, обычно изготавливается из единой штампованной заготовки. Для изготовления длинномерных рабочих лопаток применяют материалы, обладающие высокой прочностью, например, титановые сплавы или высокопрочные нержавеющие стали.A long working blade, including a profile part, an intermediate connection, a shank and a retaining shelf, is usually made of a single stamped blank. For the manufacture of long blades, materials with high strength are used, for example, titanium alloys or high-strength stainless steels.
Заявляемое техническое решение работает следующим образом.The claimed technical solution works as follows.
При сборке на роторе рабочих лопаток, выполненных согласно заявляемому техническому решению, бандажные полки и промежуточные связи соседних лопаток плотно прилегают друг к другу, обеспечивая повышение жесткости турбинной ступени. После сборки всех ступеней ротор устанавливают в турбину.When assembling rotor blades made according to the claimed technical solution, retaining shelves and intermediate connections of adjacent blades fit snugly to each other, increasing the rigidity of the turbine stage. After assembling all the stages, the rotor is installed in the turbine.
При работе паровой турбины водяной пар, поступающий из котла с высоким давлением и температурой, проходит последовательно через лопаточные ступени. Проходя через каналы, образованные соседними лопатками, пар расширяется и приводит во вращение ротор турбины. При этом на рабочие лопатки действуют центробежные силы и нагрузки от парового потока, возбуждающие вибрацию.During the operation of a steam turbine, the steam coming from the boiler with high pressure and temperature passes sequentially through the blade stages. Passing through the channels formed by adjacent blades, the steam expands and drives the turbine rotor. In this case, centrifugal forces and loads from the steam flow, which excite vibration, act on the working blades.
Как уже было показано ранее, выполнение профильной части в соответствии с выявленной авторами в результате расчетно-экспериментальных исследований закономерностью изменения угла установки поперечных сечений обеспечивает повышение жесткости профиля на изгиб в аксиальном направлении, что позволяет выполнить вибрационную отстройку конструкции рабочей лопатки и повысить ее устойчивость к аэровозбуждению, что позволяет уменьшить опасность образования высоких динамических напряжений в теле лопатки под действием вибрационных нагрузок. Выполнение бандажной полки и промежуточной связи As it was shown earlier, the implementation of the profile part in accordance with the regularity of the change in the angle of installation of the cross sections revealed by the authors as a result of calculation and experimental studies provides an increase in the rigidity of the profile for bending in the axial direction, which makes it possible to perform vibrational detuning of the design of the working blade and increase its resistance to air excitation , which allows to reduce the risk of high dynamic stresses in the body of the blade under the influence of vibration loads . The implementation of the retaining shelf and intermediate communication
обеспечивает конструкционное демпфирование при работе турбины. Таким образом, обеспечивается повышение вибрационной прочности конструкции длинномерной рабочей лопатки.provides structural damping during turbine operation. Thus, an increase in the vibrational strength of the design of a long working blade is provided.
Например, выполнение длинномерной рабочей лопатки согласно заявляемому техническому решению с рабочей частью длиной 1400 мм и предназначенной для установки на корневом диаметре 2100 мм позволяет повысить частоту первой формы на 8 Гц и тем самым увеличить в 2 раза запас по отстройке первой группы форм по сравнению с базовым образцом, в котором не было осуществлено повышение жесткости профиля путем оптимизации закона изменения величины угла установки поперечных сечений по высоте профильной части.For example, the implementation of a long working blade according to the claimed technical solution with a working part with a length of 1400 mm and intended for installation on a root diameter of 2100 mm allows to increase the frequency of the first form by 8 Hz and thereby increase by 2 times the margin for the detuning of the first group of forms in comparison with the base by a sample in which the stiffness of the profile was not increased by optimizing the law of the change in the angle of installation of the cross sections along the height of the profile part.
При разработке базового образца профильной части были выбраны углы установки, плавно изменяющиеся в следующих интервалах: от 10,5° до 65° на участке от 0 до 700 мм, 65°-77°, на участке от 700 до 980 мм, 77°-80°, от 980 мм до периферийного сечения (на фиг. 4 обозначено «базовый образец»).When developing the basic sample of the profile part, the installation angles were selected that gradually vary in the following intervals: from 10.5 ° to 65 ° in the area from 0 to 700 mm, 65 ° -77 °, in the area from 700 to 980 mm, 77 ° 80 °, from 980 mm to the peripheral section (in Fig. 4, the reference sample is indicated).
Расчеты вибрационных характеристик показали, что расчетная частота первой формы колебаний базового образца при рабочей скорости вращения находится близко к границе допустимого интервала частот 107<fd<140, определяемого нормами по вибрационной отстройке (fрасч=109 Гц). На фиг. 5 показана частотная (Кэмпбелл) диаграмма ступени лопаток 1400 мм. Пунктирная линия показывает частоты первой группы форм для базового образца лопатки, в которой углы установки изменяются по указанному выше закону. Из приведенной на фиг. 5 диаграммы следует, что с учетом погрешности расчета (2-3%), собственные частоты реальной лопатки могли выйти за установленные в нормах пределы.Calculations of vibrational characteristics showed that the calculated frequency of the first form of vibration of the base sample at a working rotation speed is close to the border of the permissible frequency range 107 <f d <140, determined by the norms for vibrational detuning (fcal = 109 Hz). In FIG. 5 shows the frequency (Campbell) diagram of the stage of the blades of 1400 mm. The dashed line shows the frequencies of the first group of shapes for the base sample of the blade, in which the installation angles are changed according to the above law. From the FIG. Figure 5 shows that, taking into account the calculation error (2-3%), the natural frequencies of a real blade could go beyond the limits established in the norms.
С учетом полученных результатов расчетов скорректирован принятый в базовом образце лопатки закон изменения углов установки сечений в соответствии с кривой, обозначенной на фиг. 4 «С новыми углами установки». Рядом пунктирными линиями показаны интервалы изменения Taking into account the obtained calculation results, the law of changing the angles of installation of the sections adopted in the base sample of the blade is adjusted in accordance with the curve indicated in FIG. 4 “With new installation angles.” The dashed lines indicate the intervals of change.
углов установки, при которых обеспечивается достижение требуемого результата по вибрационной отстройке.installation angles at which the desired result in vibration detuning is achieved.
На фиг. 5 пунктиром показаны частоты первой формы базового образца, а две сплошные линии - частоты конструкции с углами установки, соответствующими нижней и верхней границе интервалов, заданных в новом законе изменения углов установки. Численные значения углов установки на концах интервалов для рассмотренных вариантов конструкции и соответствующие им расчетные частоты колебаний лопатки приведены в Таблице.In FIG. 5, the dotted lines show the frequencies of the first form of the base sample, and two solid lines show the frequencies of the structure with the installation angles corresponding to the lower and upper boundary of the intervals specified in the new law for changing the installation angles. The numerical values of the installation angles at the ends of the intervals for the considered design options and the corresponding calculated blade vibration frequencies are shown in the Table.
Таким образом, расчетные исследования вибрационных характеристик лопатки с высотой профильной части 1400 мм, показали, что изменение углов установки в соответствии с предложенным законом, повышает частоту первой формы колебаний. Таким образом, эффективно решается задача вибрационной отстройки.Thus, computational studies of the vibrational characteristics of the blades with the height of the profile part of 1400 mm showed that changing the installation angles in accordance with the proposed law increases the frequency of the first waveform. Thus, the problem of vibration detuning is effectively solved.
Выполнение конструкции рабочей лопатки в соответствии с заявляемым техническим решением позволяет повысить вибрационную прочность конструкции рабочей лопатки, а, значит, использовать в последней ступени рабочие лопатки с увеличенной длиной профильной части, что обеспечивает увеличение площади выхлопа и позволяет решить задачу повышения мощности и КПД паровой турбины. Решение поставленной задачи открывает новые перспективы разработки турбин более высокого уровня мощности для быстроходных АЭС.The design of the working blades in accordance with the claimed technical solution allows to increase the vibrational strength of the design of the working blades, and, therefore, to use blades with an increased length of the profile part in the last stage, which provides an increase in the exhaust area and allows to solve the problem of increasing the power and efficiency of a steam turbine. The solution of this problem opens up new prospects for the development of turbines of a higher power level for high-speed nuclear power plants.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014114286/06U RU151731U1 (en) | 2014-04-10 | 2014-04-10 | LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014114286/06U RU151731U1 (en) | 2014-04-10 | 2014-04-10 | LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU151731U1 true RU151731U1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53297136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014114286/06U RU151731U1 (en) | 2014-04-10 | 2014-04-10 | LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU151731U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109695479A (en) * | 2018-08-22 | 2019-04-30 | 杭州汽轮机股份有限公司 | A kind of high revolving speed high load capacity low-pressure stage movable vane piece of industrial steam turbine |
| CN109707462A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-03 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | A kind of full rotary speed steam turbine 1450mm titanium alloy final blades |
| RU2813717C1 (en) * | 2023-08-21 | 2024-02-15 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Working blade of high-load stage of steam turbine |
-
2014
- 2014-04-10 RU RU2014114286/06U patent/RU151731U1/en active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109695479A (en) * | 2018-08-22 | 2019-04-30 | 杭州汽轮机股份有限公司 | A kind of high revolving speed high load capacity low-pressure stage movable vane piece of industrial steam turbine |
| CN109695479B (en) * | 2018-08-22 | 2023-12-29 | 杭州汽轮动力集团股份有限公司 | High-rotating-speed high-load low-pressure-stage moving blade for industrial steam turbine |
| CN109707462A (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-03 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | A kind of full rotary speed steam turbine 1450mm titanium alloy final blades |
| RU2815341C1 (en) * | 2023-05-31 | 2024-03-13 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Steam turbine working blade |
| RU2813717C1 (en) * | 2023-08-21 | 2024-02-15 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Working blade of high-load stage of steam turbine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH05149104A (en) | Self-supporting type adjustment mixing type steam turbine blade | |
| JPH0361603A (en) | Cascade structure of steam turbine | |
| JPH05256102A (en) | Steam turbine blade | |
| CN111062177B (en) | Method for dynamically optimizing stability of steam turbine rotor system based on shroud damping | |
| CN110110427B (en) | Pneumatic shape design method for high-power wind turbine blade | |
| RU151731U1 (en) | LONG-LAST WORKING BLADE OF THE LAST STEPS OF A STEAM TURBINE | |
| Tanuma | Development of last-stage long blades for steam turbines | |
| CN110298117A (en) | A kind of gas turbine blower blade frequency modulation design method | |
| Gupta et al. | Modeling and aerodynamic analysis of small scale, mixed airfoil horizontal axis wind turbine blade | |
| JPS59131704A (en) | Blade for combustion turbine | |
| Huang et al. | Dynamic behaviour of pump-turbine runner: From disk to prototype runner | |
| Sun et al. | Analysis on the reduction of rotor blade vibration using asymmetric vane spacing | |
| RU2726955C1 (en) | Long hollow wide-chord fan of aircraft trdd fan and method of its manufacturing | |
| Chen et al. | Vorticity dynamics based flow diagnosis for a 1.5-stage high pressure compressor with an optimized transonic rotor | |
| Yang et al. | Numerical simulation and comparsion of pump and pump as turbine | |
| Wang et al. | Adjoint aerodynamic design optimization for blades in multi-stage turbomachines: part ii—validation and application | |
| CN115391952A (en) | Non-axisymmetric modeling method, working blade and gas turbine | |
| Zheng et al. | Effects of circumferential nonuniform tip clearance on flow field and performance of a transonic turbine | |
| Fruth et al. | Influence of the Blade Count Ratio on Aerodynamic Forcing: Part II—High Pressure Transonic Turbine | |
| Gürsel et al. | Vibration analysis of rotor blades of a farm wind-power plant | |
| CN203272243U (en) | Treated casing for gas aeroengines | |
| RU99066U1 (en) | AXIAL MULTI-STAGE TURBO MACHINE ROTOR | |
| RU2533526C1 (en) | Method to provide resistance of turbomachine working blades to self-excited vibrations | |
| CN112818475A (en) | Method for analyzing hydrodynamic pressure of runner blade of water turbine | |
| Vahdati et al. | An overview of time-domain computational methods for aeroelastic instabilities of multi-stage compressors |