ДЛИННОМЕРНАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

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.
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.
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.
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.
Углом установки поперечного сечения профильной части принято называть угол между осью вращения лопатки (осью турбины) и хордой сечения.
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.
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.
й
й
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 2-3 кратности, характерных для первой группы дисковых форм, эта величина составляет от 7% до 10% от рабочей частоты вращения.
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.
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.
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.
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°.
Предложенное выполнение профильной части рабочей лопатки обеспечивает повышение термодинамической эффективности при минимизации напряжений от центробежных сил и обеспечении вибрационной отстройки.
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.
Анализ и расчетные оценки, проведенные авторами, показали, что такая турбинная ступень вследствие отсутствия бандажных полок и других связей будет иметь низкое конструкционное демпфирование.
На режимах пуска-останова турбины рабочие лопатки проходят ряд резонансных частот, при которых амплитуда колебаний может достигать опасных значений вследствие отсутствия конструкционного демпфирования.
Кроме того, отдельно стоящие лопатки имеют более низкие собственные частоты по сравнению с обандаженными лопатками, что является дополнительным фактором риска возбуждения автоколебаний конструкции.
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.
Таким образом, известное техническое решение не обеспечивает достаточную вибрационную прочность рабочих лопаток в условиях возмущающих воздействий со стороны парового потока.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Бандаж и промежуточные связи ограничивают разворот профиля, вызываемый действием центробежных сил при вращении ротора и обеспечивают конструкционное демпфирование лопаток во время работы турбины.
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.
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.
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.
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.
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,
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.
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.
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
этом выполнение профильной части в указанном виде повышает устойчивость конструкции к аэровозбуждению.
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.
Заявляемое техническое решение работает следующим образом.
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.
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.
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
обеспечивает конструкционное демпфирование при работе турбины. Таким образом, обеспечивается повышение вибрационной прочности конструкции длинномерной рабочей лопатки.
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.
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»).
d
Расчеты вибрационных характеристик показали, что расчетная частота первой формы колебаний базового образца при рабочей скорости вращения находится близко к границе допустимого интервала частот 107<f<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.
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
углов установки, при которых обеспечивается достижение требуемого результата по вибрационной отстройке.
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.
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.
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.