АНТИЭРОЗИЙНАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ ПАРОВЫХ КОНДЕНСАЦИОННЫХ ТУРБИН
ANTI-EROSION ROTOR BLADE FOR LATER STAGES OF STEAM CONDENSING TURBINES

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и призвано защищать рабочие лопатки последних ступеней конденсационных паровых турбин от влажной паровой эрозии входных кромок указанных рабочих лопаток.
Суть проблемы состоит в том, что в конденсационных паровых турбинах их последние ступени работают в области влажно-парового потока, степень влажности которого достигает 8-10%. В этих условиях поверхности входных кромок рабочих лопаток при контакте с высокоскоростными каплями влажно-парового потока подвергаются интенсивному эрозийному износу.
Для его замедления опасные с точки зрения эрозийного износа поверхности защищаются либо с помощью крепления к ним стеллитовых пластин, устойчивых к влажно паровой эрозии, либо путем специальных эрозионноустойчивых покрытий (см., например, А.В. Щегляев, Паровые турбины. Энергоатомиздат. М. 1993; Б.М. Трояновский, Паровые турбины АЭС).
Однако все известные меры защиты, основанные на использовании более устойчивых к каплеударной эрозии поверхностей, не исключают эрозийного износа, а только продлевают срок эксплуатации лопаточного аппарата конденсационных паровых турбин.
В отличие от указанных аналогов, предлагается принципиально другой метод защиты поверхностей от ударно-капельной эрозии, состоящий не в увеличении стойкости поверхностей к указанному виду эрозии, а в снижении энергии силового взаимодействия капель влаги с обтекаемыми поверхностями.
Конструктивная суть предлагаемого изобретения иллюстрируется фигурой 1, где приняты следующие обозначения:
1) рабочая лопатка последней ступени конденсационной паровой турбины;
2) входная кромка лопатки;
3) стенки лопатки;
4) продольно-ориентированное ребро по направлению движения пара.
Как следует из приведенной фигуры 1, в верхней части рабочей среды лопатки 1 со стороны ее стенки 3 на длине l, подлежащей защите от эрозийного износа выполнены продольно-ориентированные ребра 4 по направлению движения пара, толщина которых δ≤0,5 мм при их высоте над поверхностью лопатки h≥5 мм и поперечном шаге t≤2 мм.
При этом длина продольно-ориентированных ребер по направлению движения пара не должна превышать 30% от общей длины выпуклой стороны лопатки.
Для пояснения функционального назначения приведенного конструкторского решения на фигуре 2 показан входной треугольник скорости для ступени, работающей во влажной паровой среде.
Особенности работы такой ступени состоит в том, что паровая и жидкая фаза двухфазного потока выходит из соплового аппарата разными абсолютными скоростями, причем локальные скорости жидкой фазы меняются в зависимости от размеров капель влаги в очень широком диапазоне при постоянном расчетном значении скорости паровой фазы.
1в
1n
При этом средняя абсолютная скорость жидкой фазы с всегда оказывается существенно меньше скорости с.
1в
1n
В результате угол входа на работающую лопатку жидкой фазы β оказывается больше угла входа β паровой фазы.
Поскольку рабочая решетка профилей при проектировании рассчитывается для паровой фазы, то капли жидкой фазы с достаточно большой скоростью контактируют с выпуклой поверхностью стенки 3 рабочей лопатки 1, что и ведет в конечном счете к ее эрозийному износу.
Предлагаемая система защиты рабочих лопаток последней ступени конденсационной турбины работает следующим образом.
1в
Рассматриваемый пучок капель влаги в связи с различными размерами капель влаги с различной, но достаточно большой относительной скоростью w встречают на своем пути не поверхность лопатки, а узкие щели между продольно-ориентированными ребрами, где благодаря увеличенному сопротивлению теряют значительную часть своей кинетической энергии.
При снижении скорости в момент контакта с поверхностью лопатки в два раза кинетическая энергия канала снижается в четыре раза.
Кроме того, в узких щелях между ребрами при течении влажного пара находится не пар, а слой жидкой фазы, и первоначальный контакт капель жидкости происходит не с твердой поверхностью, а с поверхностью жидкой пленки, обеспечивающий дальнейшее снижение силового взаимодействия капель с твердой поверхностью рабочей лопатки.
Следует также отметить, что в плане вибрационной надежности наличие на спинке профиля лопатки у ее вершины, где сам профиль имеет небольшую поперечную толщину, решетки тонкостенных ребер резко увеличивают ее жесткость, что наряду с защитой лопатки от эрозийного износа ведет к повышению ее вибрационной надежности.
Таким образом, предлагается рабочая лопатка для последних ступеней конденсационных турбин, отличающаяся тем, что ее выпуклая поверхность в верхней части на длине, подверженной эрозийному износу, выполняя с продольно - ориентированным оребрением по направлению движения пара, высота ребер которого h≥5 мм, при толщине δ≤0,5 мм и шаге между ребрами t≤2 мм.
При этом оребренная часть спинки лопатки должна занимать не менее 20% общей длинны рабочей лопатки от ее верхней части.
Источники информации
А.В. Щегляев «Паровые турбины». Энергоатомиздат, М. 1993 г. Б.М. Трояновский «Паровые турбины» АЭС.