ДИАФРАГМА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С УСИЛЕННЫМИ ЛОПАТКАМИ

Техническое решение относится к теплоэнергетике, к разъемным диафрагмам паровых турбин с относительно короткими лопатками.
В паротурбиностроении применяются различные типы разъемных диафрагм: литые, наборные, сварные, цельнофрезерованные, комбинированные.
Недостаток литых и наборных диафрагм - повышенная податливость соединения лопаток с телом (внутреннее полукольцо диафрагмы) и ободом (наружное полукольцо диафрагмы), поэтому они применяются только при малых перепадах давлений в ступенях низкого давления. Недостаток сварных диафрагм - сложно выдержать точность по выходным каналам, так как в процессе сварки происходят трудно рассчитываемые и контролируемые усадки. Наибольшую точность изготовления имеют цельнофрезерованнные диафрагмы, но их изготовление вызывает трудности даже на современных станках с ЧПУ.
.
Для диафрагм с короткими лопатками используются конструкции с ребрами жесткости, которые устанавливаются через несколько лопаток, и приварными направляющими лопатками (Кириллов И.И. Теория турбомашин. Машиностроение. М. 1964 г. Фиг. VI.62), что позволяет использовать относительно узкие лопатки и уменьшить концевые потери. Приводится график КПД в зависимости от ширины лопатки, в соответствии с которым при высоте лопатки 25 мм, узкая лопатка (шириной 25 мм) имеет КПД 75%, а лопатка шириной 80 мм имеет КПД 70%, то есть имеется существенный выигрыш около 5%. Установка ребер увеличивает потери на 0,2…0,3%. В некоторых случаях дополнительная потеря может составлять 1%Таким образом, использование ребер жесткости и узких лопаток повышает КПД на 4% для лопаток высотой до 35 мм.
Такие конструкции диафрагм применялись на первых турбинах Т-250/300-240, но из-за перечисленных ниже недостатков в последующих модификациях были заменены на диафрагмы с широкими лопатками.
Конструкцию с ребрами жесткости принимаем за прототип.
Предлагается заменить ребро и рядом стоящую лопатку на усиленную лопатку с удлиненной входной частью, сечение которой имеет большой момент инерции и сопротивления. Такие лопатки применяются в паровых турбинах (ОСТ 108.260.01-84, черт. 8, 9). Остальные лопатки, имеющие относительно малую ширину, будем называть узкими. Это даст следующие преимущества:
p
л
y
p
л
p
л
v
v
p
л
v
p
л
3
3
2
2
1. Напряжения в лопатках и прогибы у разъема диафрагмы превышают напряжения в лопатках и прогибы в средней части диафрагмы в 1,5…2 раза, поэтому целесообразно у разъема поставить более жесткие лопатки. Увеличение жесткости и прочности обычно достигается установкой ребер жесткости перед лопатками. В этом случае изгиб ребра и лопатки можно считать независимым. Известно, что момент инерции стержня пропорционален кубу высоты сечения h, а момент сопротивления - квадрату h. Если заменить ребро высотой h и лопатку шириной h одной лопаткой с удлиненной входной частью шириной h=h+ h, то при сохранении толщин получим существенное уменьшение прогиба и напряжений. Например, при h=80 мм, h =30 мм и h=110 мм получаем увеличение жесткости как отношение моментов инерции h/(h+h)=2,47, а увеличение момента сопротивления h/(h+h)=1,66, то есть получаем существенное уменьшение прогибов и напряжений.
2. Между ребром и лопаткой в прототипе имеется зазор с соответствующими скруглениями, что вносит дополнительные потери. В новой конструкции этих потерь не будет.
3. Недостатком прототипа является относительно мощные сварные швы при лопатках с малой хордой, что приводит к сильному искажению выходных площадей и неравномерности потока по окружности. В новой конструкции узкие лопатки могут быть наборными и вставляться в пазы, а усиленные лопатки будут находиться на достаточно большом расстоянии и могут быть получены фрезерованием, то есть может быть исключена сварка частично или полностью.
д
4. Раздельная конструкция ребра и узкой лопатки увеличивает ширину диафрагмы и применима только для очень толстых диафрагм (b>120 мм, Фиг. 1), то есть предлагаемая конструкция может быть применена для диафрагм с меньшей осевой шириной и соответственно в большем количестве ступеней.
Возможны следующие варианты реализации данного решения:
1. Традиционная конструкция, когда выполняется решетка с усиленными и узкими лопатками с бандажами и приваривается к ободу и телу диафрагмы. Недостаток 3 остается, так как используется сварка.
2. Усиленные и узкие лопатки фрезеруются за одно с телом диафрагмы. При радиальном фрезеровании имеется ограничение на высоту лопаток. Наружный бандаж присоединяется сваркой, а затем и обод. Таким образом, частично уменьшается количество сварки и существенно искажение геометрии каналов.
3. Диафрагма с усиленными лопатками получается сваркой или цельным фрезерованием, что возможно из-за увеличения расстояний между лопатками. Поскольку прочность конструкции уже обеспечена, узкие лопатки могут быть наборными.
Первые два варианта конструкции широко используются в турбинах с одинаковыми лопатками, поэтому не требуют дополнительных разъяснений. Для равномерного распределения напряжений и прогибов количество узких лопаток между усиленными будет переменное, например, у разъемов диафрагмы по одной лопатке, далее по две. При соответствующем подборе ширин узких и усиленных лопаток возможна установка усиленных только у разъемов диафрагмы.
Рассмотрим вариант 3. Позаимствуем идею из конструкции сегментов сопловых аппаратов, которые не имеют ребер, так как большая жесткость их обеспечивается опиранием на внутреннее и наружное кольца, и выполняются наборными в окружном направлении. В предлагаемой конструкции сегменты будут устанавливаться в пазы обода и тела, выполненные в осевом направлении.
п
Предлагаемая конструкция диафрагмы состоит из двух полуколец - обода 1 и тела 2, жестко соединенных усиленными лопатками 3, между которыми в осевые пазы шириной b устанавливаются сегменты с узкими лопатками 4 и наружным бандажом-полкой 5 и внутренним бандажом-полкой 6 (Фиг.1).
Такая диафрагма может быть получена цельным фрезерованием, так как имеется большое расстояние между ребрами, которые ставятся через 1…2 лопатки. Такая же конструкция может быть получена и приваркой ребер с последующим их фрезерованием до формы усиленных лопаток с удлиненной входной частью. При этом искажения и усадки от сварки не скажутся на точности, так как фрезерная обработка проводится после сварки.
у
У разъема, где изгибная нагрузка максимальна усиленные лопатки ставятся через одну, а к середине через две лопатки (Фиг.1). Расчеты показывают, что при приведенном на рисунке соотношении сечений усиленная лопатка имеет жесткость в 26 раз большую, чем узкая. Поэтому такая расстановка усиленных лопаток обеспечивает необходимую жесткость и прочность диафрагмы. С увеличением толщины b, а также ширины усиленной лопатки увеличивается ее жесткость.
м
Современные профили лопаток имеют практически одинаковые потери 2…3% в большом диапазоне эффективных углов 12…16° и относительных шагах 0,7…0,9 (ОСТ 108.260.01-84, черт. 13), а отношения окружного размера к хорде при основном угле установки находится в диапазоне 0,84…0,87. Таким образом, для направляющих лопаток с относительным шагом больше 0,87 шаг to достаточно большой и получается зазор d между соседними лопатками, а для вставки узких лопаток пазы можно выполнить осевыми, то есть угол β будет равен 90° (Фиг. 1). Если оптимальный шаг tуменьшается, то зазора d не будет и необходимо паз выполнить под углом β=70…85° (Фиг. 2).
Сегмент с лопатками 4 устанавливается в осевые пазы в ободе 1 и теле 2 и удерживается от продольного смещения выступами в бандажных полках 5 и 6.
В одном сегменте может быть объединено две и больше лопаток. Технология изготовления наборных сопловых сегментов достаточно хорошо разработана и их изготовление не вызывает трудностей.
Данное решение может быть применено и в неразъемных диафрагмах, которые, например, применяются фирмой SIEMENS.
Цельнофрезерованные диафрагмы с усиленными лопатками могут применяться и при парциальном подводе пара, когда сопла занимают только часть дуги, которая выполняется с одной стороны от разъема, а вторая часть без сопел выполняется с другой стороны от разъема.
Предложенная конструкция диафрагм паровой турбины с усиленными и узкими лопатками при их высоте до 60 мм имеет следующие преимущества:
- Позволяет максимально уменьшить ширину направляющей лопатки и повысить КПД ступени за счет уменьшения концевых потерь.
- Уменьшено количество сварных швов или они полностью отсутствуют.
- Имеет высокую точность выполнения каналов и выходных площадей.