Результат интеллектуальной деятельности: Направляющая лопатка влажнопаровой турбины

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности паротурбостроения, и может быть использовано при проектировании направляющих лопаток последних ступеней влажнопаровых турбин.

В современных влажнопаровых турбинах одной из основных технических проблем является снижение КПД и эрозионный износ элементов проточных частей турбин под действием влаги, содержащейся в паре. Как правило, часть ступеней влажнопаровых турбин работает при высоких значениях влажности рабочего тела. При этом, особенно в ступенях низкого давления, капли влаги, содержащиеся в паровом потоке, имеют размеры до нескольких сот микрон. Главными источниками крупнодисперсной влаги являются выходные кромки направляющих лопаток, с которых сходит пленочная влага, а также места формирования вихревых потоков, главным образом, в периферийной части межлопаточных каналов. Крупные капли имеют направления и скорости, значительно отличающиеся от направлений и скоростей парового потока, что приводит к потерям энергии на разгон капель, потерям энергии, связанным с торможением каплями рабочих лопаток, а также к нежелательным регулярным соударениям капель с рабочими лопатками, вызывающим их эрозионный износ. Эрозионный износ снижает надежность рабочих лопаток. Кроме того, крупные капли могут размывать ответственные элементы статора (например, уплотнения), что приводит не только к снижению экономичности, но и к снижению надежности проточной части в целом.

Решением данной технической проблемы является разработка конструкций направляющих лопаток последних ступеней с обеспечением эвакуации или разрушения эрозионно-опасной влаги, присутствующей в рабочем потоке, главным образом, в периферийной части межлопаточных каналов. Конструкция лопаток может предусматривать сепарацию пленочной влаги с профильных поверхностей направляющих лопаток, обогрев направляющих лопаток горячим паром, пропускаемым через их внутренние полости, вдув перегретого пара в проточную часть через направляющие лопатки. Во всех этих случаях необходима организация внутренних полостей в направляющих лопатках, открытых полностью или частично. При этом должны выполняться требования по обеспечению прочности и надежности, как направляющих лопаток, так и направляющих аппаратов, для которых направляющие лопатки являются основными силовыми элементами.

Наличие внутренних полостей в направляющих лопатках также способствует снижению их массы, что снижает материалоемкость и улучшает технологичность конструкции лопаток, что особенно актуально для ступеней низкого давления больших размеров.

Известно изобретение "Лопатка сопловой решетки влажно-паровой турбины" (патент РФ №2392451, МПК F01D 25/32, опубл. 20.06.2010). Лопатка содержит перо (цельный корпус) с входной и выходной кромками, выполненное в форме выпуклой и вогнутой поверхностей. Средняя часть вогнутой поверхности покрыта покрывающей пластиной (покрывающим элементом) с образованием со стороны выходной кромки пера выпускной (сквозной) щели канала вдуваемого пара (внутренней полости со стороны выходной кромки). |Покрывающая пластина приварена к перу со стороны входной кромки. Выпускная щель канала расположена относительно выходной кромки пера на расстоянии, составляющем 0,1-0,4 расстояния между его входной и выходной кромками. Ширина щели составляет 0,8-1,0 мм, размер ширины щели фиксируется дистанционирующими шайбами.

Пленочная влага, проходя над выпускной щелью, распыляется струей вдуваемого пара и, двигаясь далее по вогнутой поверхности профиля, испаряется за счет тепла, подводимого вдуваемым паром.

Данное решение предполагает направление вдуваемого пара практически по касательной к вогнутой поверхности профиля в месте щели вдува. Наряду с тем достоинством, что при этом минимальны потери от смешения вдуваемого пара с основным потоком, при малой искривленности профиля длина щели вдува пара представляется избыточно большой, что при недостаточном напоре вдуваемого пара может привести к заливанию щелей вдува влагой. Как показывают результаты экспериментальных исследований, данное явление сопровождается срывом пленки крупными фракциями, то есть эффект вдува оказывается прямо противоположным ожидаемому, что приводит к снижению эффективности влагоудаления.

Также недостатками данного решения являются:

- наличие канала вдуваемого пара только в периферийной части, что при значительных размерах ступени делает массу лопатки избыточно большой. Это сопряжено с повышенной материалоемкостью, низкой технологичностью, а также приводит к повышенным весовым нагрузкам на детали крепления направляющего аппарата;

- приварка покрывающей пластины не по всему контуру может привести к нежелательным колебаниям, приводящим к постепенным разрушениям сварных швов, что приводит к снижению надежности конструкции;

- дистанционирующие шайбы находятся в потоке вдуваемого пара, что создает опасность их отрыва от направляющей лопатки с последующим попаданием в проточную часть и приводит к снижению надежности и технологичности конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является изобретение по патенту US 6305902, МПК F01D 5/14, опубл. 23.10.2001.

Согласно изобретению, направляющая лопатка содержит цельный корпус с входной и выходной кромками, вогнутую и выпуклую поверхности, образующие профиль лопатки. В лопатке выполнены сквозная внутренняя полость со стороны входной кромки и внутренняя полость со стороны выходной кромки. Внутренняя полость со стороны выходной кромки открыта с корневого и периферийного торцов лопатки. Внутренние полости герметично отделены друг от друга радиальным ребром, выполненным заодно с цельным корпусом. Каждая из внутренних полостей соединена, по меньшей мере, одной сквозной щелью с межлопаточными каналами. Сквозные щели выполнены по всей высоте профиля лопатки. Направляющая лопатка изготовлена точным литьем.

Известное техническое решение обеспечивает удаление влаги с поверхностей профилей направляющих лопаток.

Недостатком известного решения является выполнение сквозных щелей по всей высоте профиля лопатки. Это приводит к неоправданной потере работоспособного пара, утекающего вместе с отводимой влагой через сквозные щели в корневой и средней зонах профиля лопатки, где содержание влаги в рабочем потоке и на поверхностях профилей лопаток минимально, что снижает эффективность влагоудаления.

Также недостатком данного решения является низкая технологичность конструкции лопаток из-за сложности выполнения внутренних полостей и затруднительности надежного контроля качества поверхностей внутренних полостей.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности влагоудаления с поверхностей направляющих лопаток и в межлопаточных каналах, что обеспечивает повышение в целом КПД влажнопаровой турбины и снижение опасности эрозионного износа элементов турбины, а также в снижении материалоемкости, повышении вибрационной надежности и улучшении технологичности конструкции направляющих лопаток.

Для достижения указанного выше технического результата предлагается направляющая лопатка влажнопаровой турбины.

Направляющая лопатка содержит цельный корпус с входной и выходной кромками, вогнутую и выпуклую поверхности, образующие профиль лопатки. В лопатке выполнены сквозная внутренняя полость со стороны входной кромки и внутренняя полость со стороны выходной кромки. Внутренние полости герметично отделены друг от друга радиальным ребром, выполненным заодно с цельным корпусом. Каждая из внутренних полостей соединена, по меньшей мере, одной сквозной щелью с межлопаточными каналами.

При этом, согласно изобретению, сквозная внутренняя полость образована выемкой в цельном корпусе и вогнутой стенкой, образующей одну часть вогнутой поверхности.

Внутренняя полость выполнена в периферийной зоне лопатки и образована выемкой в цельном корпусе, покрывающим элементом, образующим другую часть вогнутой поверхности, радиальным ребром, имеющим высоту, равную 0,15-0,25 высоты профиля, и соединенным с ним горизонтальным ребром, выполненным заодно с цельным корпусом и имеющим длину, равную 0,2-0,4 хорды лопатки.

В периферийной зоне вогнутой стенки выполнена сквозная щель на 0,35-0,45 высоты профиля и под углом 0-5° к нормали к профилю.

В покрывающем элементе выполнена сквозная щель под углом 25-35° к касательной к профилю.

Образование внутренних полостей выемками в цельном корпусе и частями вогнутой поверхности - вогнутой стенкой и покрывающим элементом улучшает технологичность конструкции, поскольку позволяет обеспечить свободный доступ к любой точке внутренней поверхности внутренних полостей для контроля качества поверхностей в процессе изготовления.

Выполнение внутренней полости, ограниченной размерами радиального ребра высотой, равной 0,15-0,25 высоты профиля лопатки, и горизонтальным ребром длиной, равной 0,2-0,4 хорды профиля лопатки, позволяет использовать на рабочих режимах вдув греющего пара через сквозную щель в покрывающем элементе во внутреннюю полость и далее в межлопаточные каналы с целью эффективного дробления и испарения эрозионно-опасной влаги, концентрирующейся преимущественно на поверхностях периферийных зон профилей направляющих лопаток и в периферийных зонах межлопаточных каналов, и способствует предотвращению повторного формирования пленки влаги за щелями сепарации при минимальном расходе вдуваемого пара.

Также возможно использовать данную внутреннюю полость для охлаждения элементов турбины на малорасходных режимах путем вдува охлаждающего пара через сквозные щели в покрывающем элементе во внутреннюю полость и далее в межлопаточные каналы.

Также данная внутренняя полость может быть использована для установки демпфирующих элементов в целях повышения вибрационной надежности направляющей лопатки. Наличие горизонтального ребра, ограничивающего внутреннюю полость от сквозной внутренней полости, позволяет избежать избыточной потери теплоты вдуваемого греющего пара и ограничить его необходимый расход, и, тем самым, повысить эффективность влагоудаления.

Кроме разделения внутренних полостей, радиальное и горизонтальное ребра обеспечивают ужесточение, повышающее технологичность конструкции, и повышенную вибрационную надежность направляющей лопатки в ее периферийной зоне.

Выполнение сквозной щели на 0,35-0,45 высоты профиля и под углом 0-5° к нормали к профилю в вогнутой стенке позволяет эффективно удалять эрозионно-опасную влагу, концентрирующуюся преимущественно на поверхностях периферийных зон профилей направляющих лопаток и в периферийных зонах межлопаточных каналов, и снизить потери работоспособного пара, утекающего вместе с отводимой влагой.

Выполнение сквозной щели в покрывающем элементе под углом, равным 25-35° к касательной к профилю является оптимальным в рассматриваемом аспекте эффективного дробления и испарения пленочной влаги, текущей по вогнутой поверхности профиля, а также с точки зрения эффективного дробления и испарения капельной влаги, проходящей через межлопаточные каналы без контакта с лопатками. Если сквозная щель в покрывающем элементе будет выполнена под углом, меньшим 25°, то эффект дробления и испарения капельной влаги будет недостаточным. Если сквозная щель будет выполнена под углом, большим 35°, то потери пара, связанные с вдувом, будут слишком велики, и, следовательно, эффективность влагоудаления будет снижена.

Проведенные авторами расчетно-экспериментальные исследования подтверждают оптимальность выбранных геометрических характеристик внутренней полости и сквозных щелей для вдува греющего пара и удаления влаги для достижения заявляемого технического результата.

Выполнение сквозной внутренней полости, занимающей основное внутреннее пространство лопатки, и внутренней полости в периферийной зоне значительно снижает материалоемкость конструкции направляющих лопаток.

Заявляемая конструкция направляющей лопатки предусматривает различные варианты технологии изготовления, например, литье, штамповка, ковка и др., что улучшает технологичность.

С целью дополнительного повышения эффективности влагоудаления на внутренней поверхности внутренней полости нанесен слой теплоизолирующего материала. Нанесение слоя теплоизолирующего материала уменьшает потери тепла греющего пара за счет теплообмена с направляющей лопаткой, что позволяет сохранить достаточно высокую температуру греющего пара в местах вдува и, соответственно увеличить эффективность дробления и испарения влаги.

Предлагаемая конструкция направляющих лопаток влажнопаровой турбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет снизить материалоемкость и улучшить технологичность и надежность конструкции направляющих лопаток, обеспечить удаление влаги с профильных поверхностей направляющих лопаток, уменьшить размеры капель влаги в паровом потоке, проходящим через межлопаточные каналы и соответственно уменьшить потери, вызванные затратой энергии парового потока на разгон капель влаги, уменьшить профильные потери. В результате повышается эффективность влагоудаления и в целом повышается КПД турбины. Удаление влаги с профильных поверхностей направляющих лопаток приводит к снижению влажности пара перед рабочими лопатками, что в свою очередь, в совокупности с уменьшением размеров капель влаги приводит к снижению опасности повышенной влажнопаровой эрозии элементов турбины.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена направляющая лопатка влажнопаровой турбины, главный вид; на фиг. 2 представлены сечение А-А в горизонтальной плоскости в месте расположения сквозной внутренней полости и внутренней полости; сечение Б-Б в горизонтальной плоскости в месте расположения сквозной внутренней полости; сечение В-В в горизонтальной плоскости в месте расположения горизонтального ребра; сечение Г-Г в радиальной плоскости в месте расположения горизонтального ребра; на фиг. 3 представлен комплект направляющих лопаток в сборе и разрез Д-Д направляющих лопаток по межлопаточным каналам.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения направляющей лопатки влажнопаровой турбины.

Направляющая лопатка влажнопаровой турбины содержит цельный корпус 1 с входной кромкой 2 и выходной кромкой 3, вогнутую поверхность 4, выпуклую поверхность 5, образующие профиль лопатки.

В лопатке выполнены сквозная внутренняя полость 6 со стороны входной кромки 2 и внутренняя полость 7 со стороны выходной кромки 3. Сквозная внутренняя полость 6 образована выемкой 8 в цельном корпусе 1 и вогнутой стенкой 9, образующей часть одну вогнутой поверхности 4. Сквозная внутренняя полость 6 занимает основное внутреннее пространство лопатки и открыта с корневого торца 10 и периферийного торца 11.

Внутренняя полость 7 выполнена в периферийной зоне лопатки и образована выемкой 12 в цельном корпусе 1, покрывающим листом 13, образующим другую часть вогнутой поверхности 4, радиальным ребром 14 и соединенным с ним горизонтальным ребром 15. Внутренняя полость 7 открыта только с периферийного торца 11. На внутреннюю поверхность внутренней полости 7 нанесен слой теплоизолирующего материала, например, нитрида циркония.

Вогнутая стенка 9 и покрывающий лист 13 жестко соединены с цельным корпусом 1, например, сваркой.

Радиальное ребро 14 и горизонтальное ребро 15 выполнены заодно с цельным корпусом 1 и герметично отделяют друг от друга сквозную внутреннюю полость 6 и внутреннюю полость 7.

Радиальное ребро 14 имеет высоту h₁=0,15-0,25 высоты Н профиля. Горизонтальное ребро 15 имеет длину L=0,2-0,4 хорды b лопатки.

В периферийной зоне вогнутой стенки 9 выполнены сквозные щели 16, соединяющие сквозную внутреннюю полость 6 с межлопаточным каналом 17. Количество сквозных щелей 16 и их взаимное расположение определяется из условий прочности лопатки. Сквозные щели 16 выполнены на высоте h=0,35-0,45 высоты Н профиля и под углом α=0-5° к нормали 18 к профилю.

В покрывающем листе 13 выполнена сквозная щель 19, соединяющая внутреннюю полость 7 с межлопаточным каналом 17. Количество сквозных щелей 19 и их взаимное расположение определяется из условий прочности лопатки. Сквозная щель 19 выполнена под углом β=25-35° к касательной 20 к профилю.

Для изготовления направляющих лопаток может быть использована сталь 06X12Н3Д или ее импортные аналоги.

Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков (по первому, независимому, пункту формулы) обеспечивает повышение эффективности влагоудаления с повышением коэффициента влагоудаления до 10%, прирост КПД турбины до 0,01%, дополнительное снижение темпа эрозионного износа в 1,2-1,5 раза, снижение массы направляющих лопаток в 2-3 раза. Применение в конструкции полного объема приведенных признаков обеспечивает повышение эффективности влагоудаления с повышением коэффициента влагоудаления до 12%.

Направляющая лопатка влажнопаровой турбины работает следующим образом.

Рабочий поток влажного пара проходит межлопаточные каналы 17 и омывает профили направляющих лопаток. При этом на профильных поверхностях 4 и 5 лопаток (преимущественно на вогнутых поверхностях 4) оседает влага, формирующая пленочную структуру.

В предлагаемой конструкции пленочная влага отводится с профильных поверхностей 4 и 5 направляющих лопаток через сквозные щели 16 с последующим удалением через сквозные внутренние полости 6 и корневой 10 и периферийный 11 торцы. На рабочих режимах через внутренние полости 7 и сквозные щели 19 выполняется вдув перегретого пара. Вдуваемый пар разрушает пленки влаги, частично испаряет как капли, образовавшиеся в результате дробления пленок, так и капли, проходящие через межлопаточные каналы 17 без контакта с поверхностями 4 и 5 лопаток, сдувает бинарный погранслой, частично или полностью подавляет вторичные течения вблизи периферийных торцов 11. После смешения с основным потоком пара вдуваемый пар совершает полезную работу.

На малорасходных режимах через внутренние полости 7 и сквозные щели 19 вдувается охлаждающий пар для предотвращения тепловых деформаций различных элементов. При этом охлаждающий пар дробит пленочную влагу, оставшуюся на профильных поверхностях 4 и 5 направляющих лопаток, что предотвращает размыв элементов турбин.

При прохождении греющего пара через внутренние полости 7 и сквозные щели 19 происходит теплообмен между этим паром и лопаткой, омываемой потоком влажного пара и, соответственно, имеющей более низкую температуру, чем греющий пар. В результате этого процесса температура пара снижается, что приводит к ослаблению эффекта испарения влаги на вогнутых поверхностях 4 направляющих лопаток вблизи выходных кромок 3 и в межлопаточных каналах 17. Нанесение теплоизолирующего материала на внутренние поверхности внутренних полостей 7 уменьшает снижение температуры греющего пара при контакте с направляющими лопатками и повышает эффективность влагоудаления.