RU224739U1 - Двухъярусная диафрагма паровой турбины - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области энергомашиностроения, в частности турбостроения, и может быть использована при проектировании диафрагм паровых турбин. Двухъярусная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом состоит из двух половин. Каждая из половин содержит сопловую решетку с аэродинамическими профилями направляющих лопаток и межлопаточными каналами. Аэродинамические профили жестко соединены с телом и ободом каждой половины, а межлопаточные каналы разделены на корневой и периферийный ярусы разделительной перегородкой. Аэродинамические профили имеют гладкие поверхности от тела до обода и установлены в отверстия, выполненные в разделительной перегородке, геометрия которых соответствует геометрии упомянутых профилей. Аэродинамические профили жестко закреплены в отверстиях, а разделительная перегородка выполнена единой для каждой половины диафрагмы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, в частности турбостроения, и может быть использована при проектировании диафрагм паровых турбин.

В современных конструкциях паровых турбин в ряде случаев применяется разделение турбинных диафрагм на корневой и периферийный ярусы. Как правило, разделение на ярусы применяется в регулирующих ступенях турбин с промышленными и теплофикационными отборами пара, а также в ступенях низкого давления, имеющих значительную высоту и, соответственно, значительный перепад термодинамических параметров по высоте ступени. Данное конструктивное решение направлено на обеспечение плавной работы паровой турбины на переходных режимах с гарантированно обеспеченными значениями вибрации и динамических нагрузок рабочих лопаток.

При проектировании двухъярусных диафрагм существенной технической проблемой является обеспечение их прочности. В конструкциях двухъярусных диафрагм действуют значительные напряжения (как статические, так и динамические), особенно на переменных режимах.

В известных технических решениях разделительную перегородку между ярусами образуют выступающие части аэродинамических профилей направляющих лопаток. При длительной эксплуатации не исключено появление усталостных трещин, особенно в местах перехода аэродинамического профиля к указанным выступающим частям, где могут возникнуть концентраторы напряжений. В процессе работы разделительная перегородка подвергается динамическому воздействию парового потока. Во многих случаях паровой поток может содержать крупнодисперсную влагу, что может привести к коррозионно-эрозионному износу перегородки. При этом, может существовать перепад параметров пара между корневой частью периферийного яруса и периферийной частью корневого яруса, что приводит к возможности перетока пара между ярусами, к местным размывам направляющих лопаток на стыках, потере герметичности разделительной перегородки, а также к дополнительным напряжениям в разделительной перегородке, что при работе диафрагмы во влажном паровом потоке вызывает снижение прочности конструкции двухъярусной диафрагмы.

Известно изобретение «Последняя турбинная ступень большой веерности» (авторское свидетельство СССР №1719662; F01D 25/32; опубл. 15.03.1992 г.). Статорная часть (диафрагма) последней турбинной ступени включает в себя направляющий аппарат, содержащий решетку, сформированную аэродинамическими профилями сопловых лопаток и межлопаточными каналами, и представляющий собой корневой ярус, периферийную решетку, имеющую аэродинамические профили лопаток и межлопаточные каналы, и представляющую собой периферийный ярус, а также обтекатель, представляющий собой разделительную перегородку, разделяющую статорную часть ступени на корневой и периферийный ярусы. Аэродинамические профили сопловых лопаток и аэродинамические профили лопаток периферийной решетки имеют принципиально разную геометрию, причем количество сопловых лопаток и аэродинамических профилей лопаток периферийной решетки в общем случае различно.

Недостатком данного технического решения является сложность обеспечения прочности направляющего аппарата и периферийной решетки в зоне их соединения с обтекателем, поскольку данный конструктивный элемент, имеющий сравнительно небольшую толщину во избежание чрезмерного загромождения проходной площади направляющего аппарата, является местом заделки как сопловых лопаток, так и аэродинамических профилей лопаток периферийной решетки, и, соответственно, в нем возникают значительные напряжения (в том числе переменные) вследствиевоздействия парового потока как на направляющий аппарат, так и на периферийную решетку. При этом, в условиях воздействия влажнопарового потока и значительного перепада давлений между корневым и периферийным ярусами, могут возникнуть промывы обтекателя с последующей утратой герметичности и значительным снижением прочности конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Регулируемый направляющий аппарат паровой турбины» (авторское свидетельство СССР №861663; F01D 9/02, F01D17/00; опубл. 07.09.1981 г.).

Согласно изобретению, регулируемый направляющий аппарат содержит двухъярусную диафрагму. Диафрагма имеет горизонтальный разъем и состоит из двух половин. Каждая из половин содержит сопловую решетку с аэродинамическими профилями направляющих лопаток и межлопаточными каналами. Аэродинамические профили жестко соединены с полотном (телом) и ободом каждой половины, а межлопаточные каналы разделены на корневой и периферийный ярусы разделительной перегородкой. Разделительная перегородка сформирована выступающими частями аэродинамических профилей двухъярусных направляющих лопаток.

Недостатком данного решения является то, что разделение межлопаточных каналов корневого яруса и межлопаточных каналов периферийного яруса осуществляется с помощью выступающих частей аэродинамических профилей направляющих лопаток. При такой конструкции плотность прилегания этих выступающих частей к соседним лопаткам, и, соответственно, отсутствие перетечки пара между ярусами и необходимую герметичность разделительной перегородки можно обеспечить только с применением достаточно дорогостоящей пригонки направляющих лопаток. Отсутствие жесткой связи между направляющими лопатками в месте разделения ярусов и наличие концентраторов напряжения в местахперехода аэродинамических профилей к выступающим частям снижает прочность двухъярусной диафрагмы.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении прочности двухъярусной диафрагмы паровой турбины.

Для достижения указанного выше технического результата двухъярусная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом состоит из двух половин. Каждая из половин содержит сопловую решетку с аэродинамическими профилями направляющих лопаток и межлопаточными каналами. Аэродинамические профили жестко соединены с телом и ободом каждой половины, а межлопаточные каналы разделены на корневой и периферийный ярусы разделительной перегородкой.

При этом, согласно заявляемой полезной модели, аэродинамические профили направляющих лопаток имеют гладкие поверхности от тела до обода и установлены в отверстия, выполненные в разделительной перегородке, геометрия которых соответствует геометрии упомянутых профилей, при этом аэродинамические профили жестко закреплены в отверстиях.

Разделительная перегородка выполнена единой для каждой половины диафрагмы.

Разделительная перегородка может быть выполнена в виде бандажной ленты.

Выполнение направляющих лопаток с аэродинамическими профилями, имеющими гладкие поверхности от тела до обода, позволяет избежать концентраторов напряжений, поскольку отсутствуют выступающие части на аэродинамических профилях по сравнению с прототипом, что способствует повышению прочности конструкции двухъярусной диафрагмы. Под гладкой поверхностью понимается поверхность, которая в каждой своей точке имеет определенную касательную плоскость, положение которой непрерывноменяется вместе с точкой касания (Запорожец Г.И. Руководство к решению задач по математическому анализу М.: Высшая школа, 1966, стр. 313).

Установка аэродинамических профилей в отверстия, выполненные в разделительной перегородке, геометрия которых соответствует геометрии упомянутых профилей обеспечивает собираемость двухъярусной диафрагмы с заданной точностью и последующее жесткое закрепление аэродинамических профилей в отверстиях разделительной перегородки, исключение протечек пара между корневым и периферийным ярусами, что повышает прочность конструкции диафрагмы.

Выполнение разделительной перегородки единой в пределах каждой половины двухъярусной диафрагмы позволяет обеспечить ее герметичность и дополнительное объединение направляющих лопаток, содержащихся в каждой половине, и, следовательно, высокую прочность диафрагмы при воздействии перепада давлений и скоростного напора пара, а также отсутствие паразитного перетока пара между корневым и периферийным ярусами и исключение размыва перегородки.

В частном случае выполнения разделительная перегородка может быть выполнена в виде бандажной ленты. Обычно бандажные ленты применяются для жесткого закрепления в их отверстиях, например, сваркой, направляющих лопаток, и далее к ним приваривают тело и обод диафрагмы. Отверстия в бандажных лентах выполняют точно по аэродинамическому профилю направляющих лопаток с необходимым шагом и углом установки (А.Д. Трухний «Стационарные паровые турбины», Москва, Атомэнергоиздат, 1990 г., стр. 104, рис. 3.48). В предлагаемой конструкции бандажная лента с отверстиями разделяет корневой и периферийный ярусы в средней части диафрагмы и обеспечивает дополнительную прочность диафрагмы по сравнению с известными вариантами организации разделительной перегородки.

Предлагаемая конструкция двухъярусной диафрагмы паровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяетобеспечить ее прочность за счет жесткой связи аэродинамических профилей, имеющих гладкие поверхности от тела до обода, в месте соединения ярусов с единой разделительной перегородкой, обеспечивающей герметичность и исключающей перетечки пара между ярусами, а также за счет объединения направляющих лопаток в пределах каждой половины диафрагмы.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения двухъярусной диафрагмы паровой турбины.

На фиг. 1 представлена двухъярусная диафрагма паровой турбины; на фиг. 2 - меридиональное сечение А-А двухъярусной диафрагмы, разрез Б-Б по разделительной перегородке и направляющая лопатка; на фиг.3 - верхняя половина двухъярусной диафрагмы со стороны паровхода, на фиг. 4 - разделительная перегородка.

Двухъярусная диафрагма 1 с горизонтальным разъемом 2 состоит из двух половин 3 и 4. Каждая из половин 3 и 4 содержит сопловую решетку с аэродинамическими профилями 5 направляющих лопаток 6 и межлопаточными каналами 7. Аэродинамические профили 5 жестко соединены с телом 8 и ободом 9 каждой половины 3 и 4, например, сваркой. Межлопаточные каналы 7 разделены на корневой 10 и периферийный 11 ярусы разделительной перегородкой 12.

Аэродинамические профили 5 направляющих лопаток 6 имеют гладкие поверхности от тела 8 до обода 9. Аэродинамический профиль 5 может иметь постоянную или переменную геометрию в направлении от тела к ободу. В конкретном примере выполнения аэродинамический профиль 5 выполнен переменного по высоте сечения. Проектирование аэродинамического профиля 5, имеющего гладкую поверхность, осуществляется в современных программных комплексах с применением сплайнов высокого порядка. При этом производится подбор оптимальной закрутки аэродинамического профиля 5, учитывающий влияние распределения массового расхода итермодинамических характеристик пара между корневым 10 и периферийным 11 ярусами. Проектирование аэродинамического профиля 5 производится в CAD-системе или в специализированных программных комплексах, а прочностные и аэродинамические расчеты осуществляются в коммерческих программных CAE-пакетах методом конечных элементов и конечных объемов.

Аэродинамические профили 5 установлены в отверстия 13, выполненные в разделительной перегородке 12, и жестко закреплены в отверстиях 13, например, сваркой. Разделительная перегородка 12 выполнена единой для каждой половины 3 и 4 диафрагмы 1, в конкретном примере выполнения в виде бандажной ленты. Бандажная лента представляет собой тонкостенную согнутую полосу, изготовленную, например, штамповкой. Отверстия 13 выполняют в разделительной перегородке 12 с необходимым шагом и углом установки и с заданной точностью, например, лазерной или гидроабразивной резкой. Геометрия отверстий 13 соответствует геометрии аэродинамических профилей 5. Значения шага и угла установки отверстий 13 определяются газодинамическим расчетом диафрагмы 1, исходя из необходимости обеспечения заданной проходной площади межлопаточных каналов 7 и заданных траекторий выхода пара из межлопаточных каналов 7. При этом, положение разделительной перегородки 12 в радиальном направлении выбирается с учетом распределения степени реактивности по высоте аэродинамических профилей 5 направляющих лопаток 6, таким образом, чтобы перепад давлений на разделительную перегородку 12 и напряжения в ней были минимальными.

Направляющие лопатки 6 обычно изготавливаются из единой штампованной заготовки. Для изготовления направляющих лопаток 6 паровой турбины применяют материалы, обладающие высокой прочностью, например, 08X13, 12X13, 15X11MФ, 18Х11МНФБ, 06Х12Н3Д.

Для изготовления разделительной перегородки 12 применяют высокопрочные материалы, например, 12X13, 15X11MФ, 06Х12Н3Д.

Двухъярусная диафрагма 1 паровой турбины работает следующим образом.

Пар поступает из предыдущей ступени паровой турбины (на фиг. не показана) одновременно в корневой 10 и периферийный 11 ярусы межлопаточных каналов 7 диафрагмы 1, при этом разделительная перегородка 12, выполненная герметичной, исключает перетечки между корневым 10 и периферийным 11 ярусами во избежание потерь энергии, связанных с взаимодействием потоков.

Далее пар, выходящий из корневого 10 и периферийного 11 ярусов двухъярусной диафрагмы 1, поступает в рабочий венец ступени (на фиг. не показан), как правило, также разделенный на ярусы, и совершает полезную работу в пределах каждого яруса согласно расчетным характеристикам для соответствующего режима работы.

Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков (по первому, независимому, пункту формулы) обеспечивает увеличение коэффициента запаса прочности наиболее напряженных деталей двухъярусной диафрагмы в 1,05-1,1 раз.

Claims (2)

1. Двухъярусная диафрагма паровой турбины с горизонтальным разъемом, состоящая из двух половин, при этом каждая из половин содержит сопловую решетку с аэродинамическими профилями направляющих лопаток и межлопаточными каналами, аэродинамические профили жестко соединены с телом и ободом каждой половины, а межлопаточные каналы разделены на корневой и периферийный ярусы разделительной перегородкой, отличающаяся тем, что аэродинамические профили направляющих лопаток имеют гладкие поверхности от тела до обода и установлены в отверстия, выполненные в разделительной перегородке, геометрия которых соответствует геометрии упомянутых профилей, при этом аэродинамические профили жестко закреплены в отверстиях, а разделительная перегородка выполнена единой для каждой половины диафрагмы.

2. Двухъярусная диафрагма паровой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что разделительная перегородка выполнена в виде бандажной ленты.