Последняя ступень турбины
LAST TURBINE STAGE

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности паротурбиностроения, и может быть использовано при проектировании последних ступеней паровых турбин с диафрагмой и рабочим колесом, преимущественно влажно-паровых турбин.
Актуальной задачей паротурбиностроения в настоящее время является повышение внутреннего относительного КПД паровых турбин. Последние ступени паровой турбины работают в условиях повышенных объемных расходов, следовательно, в условиях повышенных скоростей потока пара.
Внутренний относительный КПД паровой турбины находится в прямой зависимости от потерь энергии в ступени, содержащей направляющие лопатки и рабочие лопатки. Чем ниже потери энергии, тем выше КПД. В последней ступени вторичные потери возникают, в частности, вследствие завихрения потока перед периферийной частью направляющих лопаток, а также наличия вихря вблизи периферийных торцев в пространстве между соседними направляющими лопатками.
В последних ступенях водяной пар, как правило, содержит в себе влагу в виде капель различного размера. Скорость и направление движения капель отличается от скорости и направления основного потока пара. Скорость капель меньше скорости основного потока. В осевом зазоре между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток происходит выравнивание скоростей капель и основного потока, причем основной поток замедляется, а капли ускоряются. Таким образом, капли тормозят поток, что приводит к повышению потерь энергии и снижению внутреннего относительного КПД (Носовицкий А.И., Шпензер Г.Г., «Газодинамика влажнопаровых турбинных ступеней», Ленинград, «Машиностроение», 1977 г., стр. 20).
Из открытых источников известно, что уменьшение осевого зазора между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток имеет положительное влияние на экономичность ступени (Weiss, «Challenges in Designing Large Low Pressure Steam Turbine Final Stages in Modeling and Design in Fluid-Flow Machinery», Proc. Conf. Modelling and Design in Fluid Flow Machinery, Гданьск, Польша, 1997 г., стр. 183-191). С другой стороны, в области корневых торцев направляющих лопаток течение пара на выходе из пространства между направляющими лопатками имеет сверхзвуковой характер (скорость пара выше скорости звука), что приводит к возникновению скачков уплотнения, которые достигают рабочих лопаток. Чем меньше осевой зазор между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток в области корневых торцев, тем выше интенсивность скачков уплотнения, достигающих пространства между рабочими лопатками, и тем выше потери энергии в рабочем колесе (Кириллов А.И., Павлов А.П., Шпензер Г.Г., «Влияние режимных параметров на структуру потока за турбинными решетками реактивного типа», 1968 г., «Изв. Вузов. Энергетика», №11, стр. 46-49).
Еще одной технической проблемой для последних ступеней паровых турбин является эрозионный износ рабочих лопаток. Способы снижения эрозионного износа рабочих лопаток разделяются на активные и пассивные. Активные влияют на структуру и направление парокапельного потока, попадающего на рабочие лопатки. Пассивные повышают устойчивость к эрозии поверхности рабочих лопаток. К известным активным способам защиты от эрозии относятся уменьшение влажности перед ступенью, применение влагоудаления за и перед направляющими лопатками, увеличение осевого зазора между направляющими и рабочими лопатками. В частности, несколько способов периферийного влагоудаления описано в учебнике Щегляева А.В. «Паровые турбины» (Москва, «Энергия», 1976 г., стр. 156-157).
Решением вышеуказанных технических проблем является разработка конструкции последней ступени турбины с повышенной экономичностью и эффективным влагоудалением.
В описании настоящего изобретения используется следующее определение.
Высота аэродинамического профиля направляющих лопаток - спроецированное на меридиональную плоскость расстояние между двумя наиболее удаленными точками аэродинамического профиля, измеренное вдоль радиальной прямой, которая является прямой, перпендикулярной оси паровой турбины и пересекается с ней.
Известно техническое решение «Паровая турбина» (патентная заявка JP 2016061243; F01D 9/02, F01D 25/24; дата публикации 25.04.2016 г.). Последняя ступень турбины содержит проточную часть с диафрагмой, имеющей обод и направляющие лопатки, и рабочее колесо с рабочими лопатками. На ободе со стороны паровхода перед периферийной частью направляющих лопаток расположен канал для струйного вдува рабочей среды (пара). Согласно изобретению, вдув производится в секторе от 30° до 45° относительно периферийного обвода, и скорость потока пара, вдуваемого в проточную часть, больше или равна скорости основного потока пара. Данное решение направлено на предотвращение возникновения вихревой структуры перед периферийной частью направляющих лопаток, которая приводит к увеличению потерь.
Недостатком известного технического решения является то, что представленное исполнение вдува усложняет конструкцию диафрагмы и вынуждает отбирать пар для вдува из предыдущих ступеней. При этом снижается расход пара через проточную часть, участвующего в совершении полезной работы, тем самым, понижается вырабатываемая мощность в предыдущих ступенях и снижается экономичность последней ступени турбины.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Последняя ступень влажнопаровой турбины» (патент РФ№2569789; F01D 25/32, F01D 5/28, F01D 9/02; дата публикации 27.11.2015 г.). Последняя ступень турбины содержит проточную часть с диафрагмой, имеющей обод с влагоулавливающим элементом и направляющие лопатки, расположенные с равномерным шагом в тангенциальном направлении, и рабочим колесом с рабочими лопатками. На ободе со стороны паровхода перед периферийной частью направляющих лопаток установлен влагоотводящий элемент с кольцевой проточкой. Направляющие лопатки и рабочие лопатки имеют аэродинамический профиль с корневыми и периферийными торцами и с входными и выходными кромками, при этом рабочие лопатки установлены с осевым зазором между их входными кромками и выходными кромками направляющих лопаток. Известное решение направлено на повышение эффективности влагоудаления при работе влажнопаровой турбины в условиях повышенной влажности перед направляющими лопатками последних ступеней, что обеспечивает повышение КПД и снижение опасности влажнопаровой эрозии рабочих лопаток.
Недостатком данного решения является то, что влагоотводящий элемент имеет протяженный конический участок и является местом осаждения капельной влаги с последующим формированием потоков пленочной влаги, срывающейся под действием основного потока пара в проточной части, что оказывает дополнительное эрозионное воздействие на рабочие лопатки. В меридиональной плоскости взаимное положение выходных кромок направляющих лопаток и входных кромок рабочих лопаток близко к параллельному. Таким образом, значение осевого зазора незначительно отличается по высоте аэродинамического профиля и, следовательно, отсутствует оптимизация указанного зазора, и полностью не использован ресурс повышения внутреннего относительного КПД и снижения эрозионного износа рабочих лопаток.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении внутреннего относительного КПД последней ступени паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины, а также в снижении эрозионного износа рабочих лопаток в составе ступени.
Для достижения указанного выше технического результата последняя ступень турбины содержит проточную часть с диафрагмой, имеющей обод с влагоулавливающим элементом и направляющие лопатки, расположенные с равномерным шагом в тангенциальном направлении, и рабочим колесом с рабочими лопатками. На ободе со стороны паровхода перед периферийной частью направляющих лопаток установлен влагоотводящий элемент с кольцевой проточкой. Направляющие лопатки и рабочие лопатки имеют аэродинамический профиль с корневыми и периферийными торцами и с входными и выходными кромками, при этом рабочие лопатки установлены с осевым зазором между их входными кромками и выходными кромками направляющих лопаток.
При этом, согласно заявляемому изобретению, на ободе установлен дополнительный влагоулавливающий элемент.
Влагоотводящий элемент размещен на осевом расстоянии от входных кромок направляющих лопаток, находящемся в диапазоне 0,005-0,015 высоты аэродинамического профиля направляющих лопаток.
Внутренняя поверхность влагоотводящего элемента со стороны проточной части выполнена в форме части выпуклой тороидальной поверхности, плавно сопряженной с конической поверхностью обода, примыкающей к периферийным торцам направляющих лопаток.
Величина отношения шага к осевому зазору монотонно возрастает от корневых торцев по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток и достигает максимального значения, находящегося в диапазоне 2,3-2,6, на участке, высота которого составляет 0,4-0,6 высоты аэродинамического профиля, а далее, до периферийных торцев, монотонно убывает.
Установка на ободе дополнительного влагоулавливающего элемента позволяет значительно увеличить количество уловленной эрозионно опасной влаги перед рабочими лопатками.
Размещение влагоотводящего элемента на осевом расстоянии от входных кромок направляющих лопаток, находящемся в диапазоне 0,005-0,015 высоты аэродинамического профиля направляющих лопаток, позволяет избежать существенного вихреобразования на участке перед периферийной частью входных кромок направляющих лопаток, а также накопления осажденной влаги в этой части.
Выполнение внутренней поверхности влагоотводящего элемента со стороны проточной части в форме части выпуклой тороидальной поверхности, плавно сопряженной с конической поверхностью обода, примыкающей к периферийным торцам направляющих лопаток, обеспечивает отсутствие устойчивого формирования осажденной влаги в виде пленки из-за отбора ее большей части в кольцевую проточку с последующим перетеканием в нижнюю часть влагоотводящего элемента и отводом в регенеративный отбор турбины или дренаж, что приводит к снижению количества влаги в последней ступени турбины, уменьшению потерь от влажности. Также наличие тороидальной поверхности, выполняющей роль обтекателя, исключает интенсивное вихреобразование на входе в направляющие лопатки.
Монотонное возрастание величины отношения шага к осевому зазору от корневых торцев по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток, достижение максимального значения, находящегося в диапазоне 2,3-2,6, на участке, высота которого составляет 0,4-0,6 высоты аэродинамического профиля, а далее до периферийных торцев монотонное убывание указанной величины отношения, способствует снижению интенсивности скачков уплотнения вблизи корневых торцев в пространстве между рабочими лопатками, снижению потерь энергии в области трансзвуковых течений на участке 0,4-0,6 высоты аэродинамического профиля и выравниванию потока на выходе из направляющих лопаток у периферийных торцев. Указанные зависимости выявлены по результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами. Также изменение величины отношения шага к осевому зазору по указанным зависимостям способствует растворению в потоке аэродинамических следов от выходных кромок направляющих лопаток, лучшему разгону и частичному дроблению влаги в потоке пара, осаждению значительной части процессной влаги на ободе в виде пленок с дальнейшей эвакуацией через щели между ободом и влагоулавливающими элементами.
Таким образом, предлагаемая конструкция в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины, а также снижение эрозионного износа рабочих лопаток в составе ступени за счет уменьшения потерь от влажности, исключения интенсивного вихреобразования на входе в направляющие лопатки, снижения потерь энергии в ступени от скачков уплотнений, и эффективного удаления влаги из ступени.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения последней ступени турбины.
На фиг. 1 представлен вид последней ступени турбины в меридиональной плоскости; на фиг. 2 представлена частичная развертка направляющих лопаток в среднем сечении, на фиг. 3 - график зависимости изменения отношения шага к осевому зазору по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток.
Направление течения рабочей среды (пара) показано стрелкой.
Последняя ступень турбины содержит проточную часть с диафрагмой 1, имеющей обод 2 с влагоулавливающим элементом 3, дополнительным влагоулавливающим элементом 4, и направляющие лопатки 5, расположенные с равномерным шагом Т в тангенциальном направлении, и рабочим колесом 6 с рабочими лопатками 7. Между ободом 2 и влагоулавливающими элементом 3 и дополнительным элементом 4 расположены щели постоянной ширины 8. Влагоулавливающие элементы 3 и 4 могут быть изготовлены из эрозионно стойкого материала, например, 06Х13Н3Д. Направляющие лопатки 5 имеют аэродинамический профиль с корневым 9 и периферийным 10 торцами и входными 11 и выходными 12 кромками. Рабочие лопатки 7 имеют аэродинамический профиль с корневым 13 и периферийным 14 торцами и входными 15 и выходными 16 кромками. Направляющие лопатки 5 изготавливаются из высокохромистых сталей мартенситного класса, например, 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 12X13, рабочие лопатки 7 - из материалов 15Х11МФ-Ш, 20X13-Ш, 13Х11Н2 В2МФ-Ш.
На ободе 2 со стороны паровхода (на фиг. 1 обозначено «Паровход») перед периферийной частью направляющих лопаток 5 установлен влагоотводящий элемент 17 с кольцевой проточкой 18. Влагоотводящий элемент 17 размещен на осевом расстоянии b от входных кромок 11 направляющих лопаток 5, находящемся в диапазоне 0,005-0,015 высоты Н аэродинамического профиля направляющих лопаток 5. Влагоотводящий элемент 17 закреплен на ободе 2 резьбовым соединением, например, гужонами. Кольцевая проточка 18 представляет собой часть вогнутой тороидальной поверхности, причем глубина проточки 18 рассчитывается, исходя из потребного объема отводимой влаги, чтобы исключить переполнение кольцевой проточки 18 и излияния отводимой влаги в проточную часть.
Внутренняя поверхность влагоотводящего элемента 17 со стороны проточной части выполнена в форме части выпуклой тороидальной поверхности 19, плавно сопряженной с конической поверхностью обода 2, примыкающей к периферийным торцам 10 направляющих лопаток 5. Обод 2 может изготавливаться из материалов сталь 3, 25Л, 12МХ, 09Г2С. Влагоотводящий элемент 17 - из материалов сталь 3, 09Г2С, 12МХ.
Рабочие лопатки 7 установлены с осевым зазором L между их входными кромками 15 и выходными кромками 12 направляющих лопаток 5. На графике (фиг. 3) представлена зависимость изменения отношения шага Т к осевому зазору L по высоте Н аэродинамического профиля направляющих лопаток 5, изменяющаяся по параболическому закону. Величина отношения шага Т к осевому зазору L (T/L) монотонно возрастает от корневых торцев 9 по высоте Н аэродинамического профиля направляющих лопаток 5 и достигает максимального значения, находящегося в диапазоне 2,3-2,6, на участке, высота которого составляет 0,4-0,6 Н аэродинамического профиля, а далее, до периферийных торцев 10, монотонно убывает.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
При работе последней ступени водяной пар, содержащий полидисперсную капельную влагу поступает на входные кромки 11 направляющих лопаток 5, проходит через пространство между соседними направляющими лопатками 5, при этом пар расширяется и разгоняется, затем проходит через осевой зазор L и поступает на входные кромки 15 рабочих лопаток 7. Вблизи обода 2 у периферийной части направляющих лопаток 5 пар обтекает выпуклую тороидальную поверхность 19 влагоотводящего элемента 17. Благодаря тороидальной форме не образуются вихри перед периферийной частью направляющих лопаток 5 вблизи периферийных торцев 10, при этом влага, содержащаяся в паре, оседает на поверхности 19 и интенсивно отводится в кольцевую проточку 18. За счет минимального расстояния b между влагоотводящим элементом 17 и входными кромками 11 направляющих лопаток 5 существенно снижается осаждение влаги на участке периферийных торцев 10 между влагоотводящим элементом 17 и входными кромками 11 направляющих лопаток 5, а также исключается вихреобразование на этом участке.
На выходе из направляющих лопаток 5 вблизи корневых торцев 9 скорость потока пара является сверхвуковой. В пространстве между направляющими лопатками 5 и в осевом зазоре L вблизи корневых торцев 9 возникают скачки уплотнения. Предлагаемое распределение величины отношения шага Т к осевому зазору L позволяет избежать захода скачков уплотнения в рабочее колесо 6, что приводит к уменьшению потерь энергии.
На выходе из направляющих лопаток 5 на участке 0,4-0,6 высоты Н аэродинамического профиля направляющих лопаток 5 течение носит трансзвуковой характер, поэтому не возникают множественные скачки уплотнения и отсутствует угроза захождения скачка уплотнения в рабочее колесо 6. Также на выходе из направляющих лопаток 5 на участке от 0,4-0,6 высоты Н аэродинамического профиля до периферийных торцев 10 пар содержит значительное количество эрозионно опасных капель. За счет предлагаемого распределения отношения величины шага Т к осевому зазору L, появляется пространство для разгона капель влаги, в том числе, и эрозионно опасных. Скорости движения капель и скорость основного потока выравниваются. Уменьшается отклонение траекторий движения капель от направления движения основного потока. Это приводит к уменьшению скорости соударения капель с рабочими лопатками 7, что значительно замедляет эрозионный износ. Часть капель под действием центробежных сил осаждается на периферийных торцах 10 за направляющими лопатками 5 и формирует пленку. Пленка эвакуируется с периферийных торцев 10 через щели 8 и далее через дополнительный влагоулавливающий элемент 4 и влагоулавливающий элемент 3. Наличие дополнительного влагоулавливающего элемента 4 позволяет существенно увеличить долю эвакуируемой влаги с периферийных торцев 10. Это приводит к тому, что пленка на периферийных торцах 10 за дополнительным влагоулавливающим элементом 4 имеет существенно меньшую толщину, что исключает набухание и срыв пленки в виде крупных эрозионно опасных капель с периферийных торцев 10. Уменьшение количества эрозионно опасных капель в потоке существенно снижает скорость эрозионного износа рабочих лопаток 7 в составе ступени.
Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков обеспечивает прирост внутреннего относительного КПД ступени паровой турбины до 0,4%, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины до 0,04%, а также дополнительное снижение темпа эрозионного износа рабочих лопаток в 2,5-3 раза.