RU2153077C2

RU2153077C2 - Turbomachine axial-radial stage runner

Info

Publication number: RU2153077C2
Application number: RU98115485/06A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Гудков; М.В. Бакурадзе; А.Н. Киреев; М.Я. Ицкович; С.А. Тихомиров; В.К. Старостин; В.Д. Гаев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ленинградский Металлический завод"
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2000-07-20

Abstract

FIELD: radial- axial stages of turbomachines. SUBSTANCE: runner has set of sector members with flat radial and twisted axial blade sector portions provided with roots and enclosed in shrouds. Each sector portion is shaped so that its projection over radius to center is inscribed in parallelogram one pair of whose parallel sides occurs in cross planes of runner and other pair runs on both ends along line such as center line between them lying in plane where centers of gravity of sector member tangential sections and roots are aligned. EFFECT: improved stiffness and vibration stability, facilitated manufacture. 12 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения, а его объектом является рабочее колесо радиально-осевой ступени турбомашины, преимущественно энергетической стационарной паровой турбины. The invention relates to the field of turbine construction, and its object is the impeller of the radial-axial stage of a turbomachine, mainly an energy stationary steam turbine.

Изготовление рабочего колеса радиально-осевой ступени турбомашины, особенно турбины, в виде цельного монолитного элемента с закрытыми межлопаточными каналами является сложной технологической проблемой, связанной как с получением равнопрочной отливки, так и с полировкой стенок межлопаточных каналов. Поэтому рабочие колеса турбомашин изготавливают открытыми или сборными закрытыми. Для турбин из-за больших потерь энергии открытые рабочие колеса неприемлемы. The manufacture of the impeller of the radial-axial stage of a turbomachine, especially a turbine, in the form of an integral monolithic element with closed interscapular channels is a complex technological problem associated with both obtaining equal strength casting and polishing the walls of interscapular channels. Therefore, the impellers of turbomachines are made open or prefabricated closed. For turbines, due to large energy losses, open impellers are unacceptable.

Наиболее распространенными являются рабочие колеса с цельнофрезерованной лопаточной решеткой на несущем диске и с насадным покрывающим диском [1]. Однако применение насадных дисков создает ограничение по скорости вращения и определенные технологические трудности при изготовлении насадных дисков. Известны составные рабочие колеса, выполненные из двух частей, одна из которых - с радиальной решеткой, имеющей плоские лопатки, а другая - с осевой решеткой с закрученными лопатками. При этом одна из конструкций такого рабочего колеса содержит бандаж вокруг части рабочего колеса с осевой решеткой [2]. Такое решение позволяет преодолеть технологическую проблему, связанную со сложностью формы лопаток рабочего колеса радиально-осевой турбины. Однако в местах стыковок радиальных и осевых лопаток искажается структура потока в межлопаточных каналах, что приводит к потерям энергии. Кроме того, в части рабочего колеса с радиальной решеткой в указанной конструкции отсутствует бандаж или насадной диск, а поэтому при большой радиальной протяженности этой части в ней появляются дополнительные потери энергии. The most common are the impellers with a fully milled spatula lattice on a bearing disk and with a mounted covering disk [1]. However, the use of mounted discs creates a speed limit and certain technological difficulties in the manufacture of mounted discs. Known composite impellers made of two parts, one of which is with a radial grating having flat blades, and the other with an axial grating with twisted blades. Moreover, one of the designs of such an impeller contains a bandage around a part of the impeller with an axial grating [2]. This solution overcomes the technological problem associated with the complexity of the shape of the blades of the impeller of the radial-axial turbine. However, at the junctions of the radial and axial blades, the flow structure in the interscapular channels is distorted, which leads to energy losses. In addition, in the part of the impeller with a radial lattice in this design there is no bandage or mounted disk, and therefore, with a large radial extent of this part, additional energy losses appear in it.

Известны рабочие колеса с наборной лопаточной решеткой, в которой лопатки по одной установлены хвостовиками на диске или в окружном пазу ротора, что позволяет осуществлять восстановление или замену изношенных лопаток. При создании таких рабочих колес, являющихся более близкими аналогами настоящего изобретения, решаются те же проблемы и применяются такие же решения, как и указанные выше. Ближайшим аналогом является рабочее колесо радиально-осевой ступени турбомашины, содержащее набор оснащенных хвостовиками секторных лопаточных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными участками, окантованными бандажами для образования в сборе закрытой лопаточной решетки [3]. Такое известное рабочее колесо выполнено составным, в котором раздельно монтируется радиальная часть и, по меньшей мере, одна осевая часть с соответствующими лопаточными решетками. Поэтому этому рабочему колесу присуще, как это было указано выше, неблагоприятное воздействие на поток мест стыковки радиальных и осевых лопаток. Кроме того отсутствие жесткого скрепления образующих покрывающий диск частей секторов с радиальными лопатками не обеспечивает достаточной жесткости рабочего колеса в окружном направлении. Known impellers with a stacked blade grill, in which the blades are installed one by one with shanks on the disk or in the circumferential groove of the rotor, which allows the restoration or replacement of worn blades. When creating such impellers, which are closer analogues of the present invention, the same problems are solved and the same solutions are applied as above. The closest analogue is the impeller of the radial-axial stage of a turbomachine, containing a set of sector-shaped blade elements equipped with shanks with flat radial and twisted axial blade sections, edged with bandages to form a closed blade grid assembly [3]. Such a known impeller is made integral, in which the radial part and at least one axial part with corresponding blade grids are separately mounted. Therefore, this impeller is inherent, as mentioned above, an adverse effect on the flow of the joints of radial and axial blades. In addition, the absence of a rigid fastening of the forming parts of the covering disk sectors of the sectors with radial blades does not provide sufficient rigidity of the impeller in the circumferential direction.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания рабочего колеса радиально-осевой ступени турбомашины, с таким набором лопаточных сегментных элементов, который был бы способен образовать достаточно жесткую, виброустойчивую и прочную конструкцию лопаточного аппарата с закрытыми межлопаточными каналами. The basis of the present invention is the task of creating the impeller of the radial-axial stage of the turbomachine, with such a set of blade segment elements that would be able to form a sufficiently rigid, vibration-resistant and durable design of the blade apparatus with closed interscapular channels.

Эта задача решается в рабочем колесе радиально-осевой турбомашины, которое выполнено с набором оснащенных хвостовиками секторных лопаточных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными участками, окантованными бандажами, и в котором, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, каждый секторный элемент выполнен с непрерывно простирающимися от входного к выходному концу по потоку лопаточной и примыкающими к ней бандажными частями. При этом контур секторного элемента в проекции по радиусу рабочего колеса к центру вписан в параллелограмм, у которого одна пара параллельных сторон расположена в поперечных плоскостях рабочего колеса, а другая пара - по обеим сторонам вдоль линии, лежащей в плоскости, с которой совмещены центры тяжести тангенциальных сечений секторного элемента с его хвостовиком. This problem is solved in the impeller of a radial-axial turbomachine, which is made with a set of sector-shaped blade elements equipped with shanks with flat radial and twisted axial blade sections, edged with bandages, and in which, in accordance with the essence of the present invention, each sector element is made with continuously extending from the inlet to the outlet end downstream of the scapular and adjacent bandage parts. The contour of the sector element in the projection along the radius of the impeller to the center is inscribed in a parallelogram, in which one pair of parallel sides is located in the transverse planes of the impeller, and the other pair is on both sides along a line lying in the plane with which the centers of gravity of the tangential sections of a sector element with its shank.

Такое решение позволяет получить закрытый по всему потоку через рабочее колесо лопаточный аппарат, что, вместе с непрерывным сопряжением лопаточной и бандажных частей, позволяет обеспечить высокую жесткость и виброустойчивость лопаточного аппарата. При этом указанное совмещение центров тяжести тангенциальных сечений в плоскости, относительно которой определяется контур секторного элемента, позволяет получить необходимую прочность и стойкость к действию центробежных сил и изгибающих усилий от потока рабочей среды. Для повышения этих свойств предпочтительно, чтобы указанная линия, относительно которой ориентирована одна из пар сторон параллелограмма, в который вписан контур проекции секторного лопаточного элемента, являлась средней линией между этими сторонами или возможно более близкой к ней. Such a solution makes it possible to obtain a blade apparatus closed throughout the flow through the impeller, which, together with the continuous pairing of the blade and retaining parts, allows for high rigidity and vibration resistance of the blade apparatus. Moreover, the specified combination of the centers of gravity of the tangential sections in the plane, relative to which the contour of the sector element is determined, allows to obtain the necessary strength and resistance to centrifugal forces and bending forces from the flow of the working medium. To increase these properties, it is preferable that the specified line, relative to which one of the pairs of sides of the parallelogram is oriented, into which the projection contour of the sector blade element is inscribed, is the middle line between these sides or possibly closer to it.

Сущность настоящего изобретения поясняется описанием примеров его реализации, изображенных на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 показывает фрагмент рабочего колеса однопоточной радиально-осевой ступени турбины при виде в осевом направлении;
фиг. 2 - вид на отдельный секторный лопаточный элемент в тангенциальном направлении;
фиг. 3 - вид на лопаточный секторный элемент в радиальном направлении к оси рабочего колеса - сверху по фиг. 2;
фиг. 4 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по А-А на фиг. 1;
фиг. 5 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по Б-Б на фиг. 2;
фиг. 6 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по В-В на фиг. 2;
фиг. 7 - места замковых соединений A и B радиальных участков лопаточных секторных элементов, A и B на фиг. 4, в увеличенном масштабе;
фиг. 8 и 9 - тангенциальные сечения радиальных участков секторных лопаточных элементов другой формы;
фиг. 10 - вид на секторный лопаточный элемент двухпоточной радиально-осевой ступени турбины в тангенциальном направлении;
фиг. 11 - вид на секторный лопаточный элемент в радиальном направлении к центру рабочего колеса, по A на фиг. 10;
фиг. 12 - тангенциальное сечение по осевому участку лопаточного секторного элемента, по Б-Б на фиг. 10.The essence of the present invention is illustrated by a description of examples of its implementation, depicted in the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 shows a fragment of an impeller of a single-threaded radial-axial stage of a turbine when viewed in axial direction;
FIG. 2 is a view of a separate sector blade element in a tangential direction;
FIG. 3 is a view of the blade sector element in a radial direction to the axis of the impeller, from above in FIG. 2;
FIG. 4 is a tangential section of the blade sector element along AA in FIG. 1;
FIG. 5 is a tangential section of the blade sector element according to BB in FIG. 2;
FIG. 6 is a tangential section of the blade sector element along BB in FIG. 2;
FIG. 7 - places of the castle joints A and B of the radial sections of the blade sector elements, A and B in FIG. 4, on an enlarged scale;
FIG. 8 and 9 are tangential sections of radial sections of sector-shaped blade elements of another shape;
FIG. 10 is a view of a sector blade element of a two-stream radial-axial stage of the turbine in the tangential direction;
FIG. 11 is a view of a sector blade element in a radial direction to the center of the impeller, along A in FIG. ten;
FIG. 12 is a tangential section along the axial section of the blade sector element, along BB in FIG. ten.

Рабочие колеса радиально-осевых ступеней турбин, иллюстрируемых чертежами, выполнены с наборным лопаточным аппаратом, состоящим из состыкованных друг с другом лопаточных секторных элементов 1, которые своими хвостовиками 2 закреплены в диске 3 ротора турбины (фиг. 1). The impellers of the radial-axial stages of the turbines, illustrated by the drawings, are made with a stacked blade apparatus consisting of paddle sector elements 1 joined to each other, which are fixed with their shanks 2 in the disk 3 of the turbine rotor (Fig. 1).

На фиг. 2 - 7 представлен один из возможных вариантов исполнения секторного лопаточного элемента набора в соответствии с изобретением для однопоточного рабочего колеса. Этот секторный элемент содержит лопаточную часть 4 с плоским радиальным 4¹ и закрученным осевым 4² участками и примыкающие к лопаточной части 4 две бандажные части 5 и 6. Все эти части 4, 5 и 6 непрерывно простираются от входа к выходу по потоку рабочей среды, образуя при сборке лопаточного аппарата закрытые межлопаточные каналы.In FIG. 2 to 7 show one possible embodiment of a sector blade element of a kit in accordance with the invention for a single-threaded impeller. This sector element contains a blade part 4 with a flat radial 4 ¹ and twisted axial 4 ² sections and two retaining parts 5 and 6 adjacent to the blade part 4. All these parts 4, 5 and 6 continuously extend from the inlet to the outlet along the flow of the working medium, forming closed interscapular channels during the assembly of the scapular apparatus.

Контур каждого секторного лопаточного элемента 1 в проекции по радиусу рабочего колеса к центру (фиг. 3) определяется из следующих условий. Этот контур, включающий как обязательные фрагменты лопаточную 4 и бандажные 5 и 6 части, должен быть вписан в параллелограмм с одной парой параллельных сторон b и другой парой параллельных сторон d. Сторона b расположены в поперечных плоскостях рабочего колеса, а стороны d по обеим сторонам от средней линии а-а, проходящей в плоскости расположения центров тяжести тангенциальных сечений лопаточного секторного элемента 1, включая и его хвостовик 2. При этом сама форма тангенциальных сечений будет непрерывно изменяться в радиальном направлении. Так, в сечении А-А (фиг. 4) отсутствует фрагмент закрученного осевого участка 4², в сечении Б-Б (фиг. 5) отсутствует фрагмент бандажной части 6, в сечении В-В (фиг. 6) находится только основание лопаточной части 4 и осевой участок 4². Будут изменяться и площади параллелограммов, в которые вписываются тангенциальные сечения, при этом расстояние между сторонами монотонно уменьшается к центру рабочего колеса, но средняя линия а-а между этими сторонами во всех сечениях располагается в плоскости, проходящей через центр тяжести сечений.The contour of each sector blade element 1 in the projection along the radius of the impeller to the center (Fig. 3) is determined from the following conditions. This contour, including as required fragments of the blade 4 and the retaining parts 5 and 6, must be inscribed in a parallelogram with one pair of parallel sides b and another pair of parallel sides d. Side b is located in the transverse planes of the impeller, and side d on both sides of the midline aa, passing in the plane of gravity of the tangential sections of the blade sector element 1, including its shank 2. In this case, the shape of the tangential sections will continuously change in the radial direction. So, in section A-A (Fig. 4) there is no fragment of the swirling axial section 4 ² , in section B-B (Fig. 5) there is no fragment of the retaining part 6, in section B-B (Fig. 6) there is only the base of the scapular parts 4 and axial section 4 ² . The areas of parallelograms into which tangential sections fit will also change, with the distance between the sides decreasing monotonously to the center of the impeller, but the middle line aa between these sides in all sections is in the plane passing through the center of gravity of the sections.

Для обеспечения плотности стыков между смежными лопаточными секторными элементами 1 на их радиальных участках на торцах бандажных частей 5 и 6 выполнены обнизки и соответствующие им по форме уступы, как это показано на фиг. 7, перекрывающие зазоры между лопаточными секторными элементами при облопачивании ротора. На относительно коротких осевых участках лопаточных секторных элементов подобных замковых соединений не требуется, но на концах осевых участков после сборки лопаточного аппарата делается круговая подрезка 7 (фиг. 1) под радиальное уплотнение. Описанная форма секторных лопаточных элементов 1 и их сопряжение по стыкам позволяет обеспечить высокую жесткость и виброустойчивость лопаточного аппарата. Для дополнительного повышения антивибрационной стойкости может быть использована скрепляющая проволока 8 (фиг. 1 и 2) вокруг головной полки. To ensure the density of joints between adjacent scapular sector elements 1, their radial sections at the ends of the retaining parts 5 and 6 are made low and ledges corresponding in shape, as shown in FIG. 7, overlapping the gaps between the blade sector elements when blading the rotor. On relatively short axial sections of the blade sector elements, such locking joints are not required, but at the ends of the axial sections after the assembly of the blade apparatus, circular cutting 7 is made (Fig. 1) under the radial seal. The described shape of the sector blade elements 1 and their mating at the joints allows for high rigidity and vibration resistance of the blade apparatus. To further increase the anti-vibration resistance, a fastening wire 8 (FIGS. 1 and 2) around the head shelf can be used.

Из соображений аэродинамики или технологии секторный лопаточный элемент 1 может иметь профиль иной, чем это описано выше и изображено на фиг. 1 - 6. Такие другие возможные профили в виде тангенциальных сечений на радиальных участках лопаточной части 4 изображены на фиг. 8 и фиг. 9. For reasons of aerodynamics or technology, the sector blade element 1 may have a profile other than that described above and shown in FIG. 1 to 6. Such other possible profiles in the form of tangential sections in the radial sections of the blade part 4 are shown in FIG. 8 and FIG. nine.

В соответствии с изобретением может быть выполнен и двухпоточный лопаточный аппарат, как это изображено на фиг. 10 - 12. В таком лопаточном аппарате достаточно закрученные осевые 4² участки лопаточной части 4 с контуром секторного лопаточного элемента 1 в проекции по радиусу рабочего колеса к центру вписаны в прямоугольник, у которого стороны расположены вдоль оси рабочего колеса. В этом же направлении расположено и центральное продольное сечение хвостовика, проходящее через линию а-а, что позволяет упростить изготовление секторных лопаточных элементов и их сборку на роторе рабочего колеса. В таком лопаточном аппарате, благодаря выбору контура секторного лопаточного элемента 1 с учетом расположения центров тяжести тангенциальных сечений его хвостовика, так же, как и в описанных секторных лопаточных элементах одноступенчатого лопаточного элемента, обеспечивается благоприятное распределение усилий и высокая механическая жесткость и прочность лопаточного аппарата. Кроме того, благодаря получению закрытых межлопаточных каналов к непрерывному протяжению лопаточной части 4 достигаются высокие экономические показатели радиально-осевой ступени рабочего колеса турбомашины.In accordance with the invention, a double-threaded blade apparatus can also be made, as shown in FIG. 10 - 12. In such a blade apparatus, sufficiently twisted axial 4 ² sections of the blade part 4 with the outline of the sector blade element 1 in the projection along the radius of the impeller to the center are inscribed in a rectangle with the sides located along the axis of the impeller. In the same direction, a central longitudinal section of the shank, passing through line aa, is located, which makes it possible to simplify the manufacturing of sector-type blade elements and their assembly on the rotor of the impeller. In such a blade apparatus, due to the choice of the contour of the sector blade element 1, taking into account the location of the centers of gravity of the tangential sections of its shank, as well as in the described sector blade elements of a single-stage blade element, a favorable distribution of forces and high mechanical rigidity and strength of the blade apparatus are ensured. In addition, due to the receipt of closed interscapular channels to the continuous extension of the blade part 4, high economic indicators of the radial-axial stage of the impeller of the turbomachine are achieved.

Источники информации
1. М.Б. Биржаков, В.В. Литинецкий. Радиально-осевые ступени мощных турбин. Л., 1983 г., с. 72, рис. 3.7, с. 124.Sources of information
1. M.B. Birzhakov, V.V. Litinetsky. Radial-axial stages of powerful turbines. L., 1983, with. 72, fig. 3.7, p. 124.

2. Авт. св. СССР N 641130, F 01 D 5/34, 1979 г. 2. Auth. St. USSR N 641130, F 01 D 5/34, 1979

3. Патент СССР N 671745, F 01 D 13/00, 1979 г. 3. USSR patent N 671745, F 01 D 13/00, 1979

Claims

1. The impeller of the radial-axial stage of the turbomachine, made from a set of sector-mounted blade elements equipped with shanks with flat radial and twisted axial blade sectors, edged with bandages, characterized in that each sector element is made with continuously extending from the inlet to the outlet end along the blade and adjacent bandage parts, while the contour of the sector element in the projection along the radius of the impeller to the center is selected inscribed in a parallelogram, One pair of parallel sides is located in the transverse planes of the impeller, and the other pair is on both sides along a line passing in the plane of gravity of the tangential sections of the sector element, including its shank.

2. The impeller according to claim 1, characterized in that the line extending in the plane of gravity of the tangential sections of the sector blade element is selected as the middle line between the corresponding pair of sides of the parallelogram into which the projection outline of the sector element is inscribed.