ЛОПАТКА С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ И ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
BLADE WITH AIRFOIL AND AXIAL TURBOMACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лопатке осевой турбомашины с аэродинамическим профилем, а также к осевой турбомашине, в которой установлена такая лопатка с аэродинамическим профилем. Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к турбинной лопатке паровой или газовой турбины. Варианты осуществления настоящего изобретения преимущественно относятся к неподвижным лопаткам, но не ограничены только ими.
Предшествующий уровень техники
2
Эффективность турбины имеет важное значение, особенно на крупных установках, где даже незначительное повышение эффективности может обеспечить существенную экономию топлива, используемого для выработки электроэнергии. Это позволяет добиться значительной экономии средств и существенно снизить уровень выбросов СО, а также соответственно уменьшить выбросы SOx и NOx. Поэтому на изучение конструкций лопаток постоянно затрачиваются значительные объемы денежных средств и усилий, поскольку это существенно влияет на эффективность турбины.
В течение многих лет обычные турбинные лопатки имели сечение аэродинамического профиля, неподвижные лопатки устанавливались радиально между внутренними и внешними торцевыми блоками, а сами лопатки имели призматическую форму. Расположение неподвижных и подвижных лопаток относительно их соответствующих осей лопаток также было стандартизировано для лопаток с подобной призматической конструкцией, подобное положение определяется углом установки лопаток между осевым направлением турбины и линией, проходящей касательно к кругам, описываемым входной кромкой лопатки и выходной кромкой лопатки со стороны корытца лопатки с аэродинамическим профилем.
Один из известных способов повышения производительности призматической лопатки турбины заключается в установке лопатки под «уклоном», т.е. наклон ее относительно корневой части в плоскости окружности, т.е. в плоскости, поперечной или перпендикулярной оси турбины. Подобный «уклон» создает изменение массового потока на выходе лопатки от полочной области (в корневой части лопатки) до венечной области.
Поскольку расстояние между лопатками вдоль окружности (т.е. шаг) прогрессивноувеличивается от полочной области к венечной области, участок, на котором происходит пересечение линии наименьшего сечения со спинкой, с увеличением радиуса перемещается вверх. Вследствие выгнутой формы спинки это приводит к увеличению выходного угла примерно с 13° у корневой части (относительно касательного направления) примерно до 15° у венца.
В ЕР-В1-0704602 была предложена лопатка с аэродинамическим профилем «управляемого потока», обеспечивающая улучшение производительности по сравнению с известными конструкциями лопаток с аэродинамическим профилем. Настоящее изобретение направлено на то, чтобы предложить лопатку с аэродинамическим профилем управляемого потока измененной конструкции, которая также обеспечивает улучшение производительности по сравнению с лопатками с аэродинамическим профилем из известного уровня техники.
Определения
На протяжении всего описания изобретения используются следующие определения.
Радиально крайняя внутренняя часть лопатки с аэродинамическим профилем именуется «полочной область» (зачастую также ступичной или корневой областью), а радиально крайняя внешняя часть лопатки с аэродинамическим профилем именуется «венечной областью».
«Призматическая» лопатка с аэродинамическим профилем проектируется таким образом, чтобы расчетные секции лопатки с аэродинамическим профилем, каждая из которых теоретически проходит ортогонально радиальной линии оси турбины, имели одинаковую форму от полочной области до венечной области, не были бы скошены (т.е. имели одинаковый угол установки от полочной области до венечной области) и были бы «эшелонированы» друг на друга таким образом, чтобы их входные кромки и их выходные кромки совместно образовывали прямые линии в радиальном направлении.
Выходной угол (α) лопатки с аэродинамическим профилем является углом относительно окружного направления ротора, под которым рабочая среда выходит из окружного ряда лопаток, и выводится из следующего уравнения:
-1
α=sinК
где
К = величина наименьшего сечения (t)/величина шага (p)
Величина наименьшего сечения (t) определяется как кратчайшая линия, проходящая от выходной кромки одной лопатки с аэродинамическим профилем перпендикулярно спинке смежной лопатки с аэродинамическим профилем в этом же ряду, причем размер шага (p) является окружным расстоянием от выходной кромки одной лопатки с аэродинамическим профилем до выходной кромки смежной лопатки с аэродинамическим профилем в этом же ряду при заданном радиальном расстоянии от полочной области до венечной области.
Угол (β) установки является углом, на который смещается любая конкретная секция аэродинамического профиля на участке по высоте или по длине лопатки с аэродинамическим профилем в своей собственной плоскости от заранее заданной нулевой отметки. Нулевая отметка, например, может выбираться там, где секция аэродинамического профиля имеет такой же угол (ψ) установки лопатки, как и известная призматическая лопатка с аэродинамическим профилем известной турбины, в которой используются подобные лопатки с аэродинамическим профилем. Угол (ψ) установки лопатки является углом между осью турбины и линией, касательной к кругам, описываемым входной и выходной кромками секции аэродинамического профиля и показывает расположение секции аэродинамического профиля относительно оси турбины.
«Хорда» - кратчайшая линия, проходящая касательно к радиусам входной и выходной кромок секции аэродинамического профиля. «Длина хорды» - расстояние между двумя линиями, перпендикулярными к хорде, проходящее через точки, в которых хорда соприкасается с входной и выходной кромками соответственно.
«Осевая ширина» (W) лопатки с аэродинамическим профилем - осевое расстояние между входной и выходной кромками (т.е. расстояние между входной и выходной кромками, измеряемое вдоль оси вращения турбины).
Деформация тыловой поверхности - изменение угла открытой поверхности лопатки с аэродинамическим профилем между точкой наименьшего сечения и точкой пересечения выходящей кромки на спинке.
Краткое изложение сущности изобретения
По первому аспекту настоящего изобретения предлагается лопатка с аэродинамическим профилем, используемая в качестве одной из лопаток в группе аналогичных лопаток осевой турбомашины, имеющей кольцеобразный контур для прохода рабочей среды, у лопатки с аэродинамическим профилем имеется радиально внутренняя полочная область, радиально внешняя венечная область, аксиально передняя входная кромка, а также аксиально задняя выходная кромка, проходящая прямо между полочной областью и венечной областью и расположенная радиально;
у лопатки с аэродинамическим профилем имеется корытце, которое выгнуто в радиальном направлении между радиально внутренней полочной областью и радиально внешней венечной областью, а также спинка, которая вогнута в радиальном направлении между радиально внутренней полочной областью и радиально внешней венечной областью;
max
min
отличающаяся тем, что осевая ширина (W) лопатки с аэродинамическим профилем, являющаяся осевым расстоянием между входной кромкой и прямой выходной кромкой, параболически изменяется от максимальной осевой ширины (W) в полочной и венечных областях до минимальной осевой ширины (W) на участке между полочной областью и венечной областью.
Параболическое изменение осевой ширины (W) лопатки с аэродинамическим профилем между полочной областью и венечной областью уменьшает профильные потери лопатки. В частности, уменьшение размеров наименьшего сечения лопатки с аэродинамическим профилем в полочной и венечной областях позволяет увеличить размеры наименьшего сечения между полочной и венечной областями. Это позволяет добиться большей деформации тыльной поверхности между полочной и венечной областями, обеспечивая, таким образом, уменьшение профильных потерь лопатки.
Деформация тыльной поверхности в полочной и венечной областях может находиться в диапазоне от 15 до 25°. Деформация тыльной поверхности в полочной области может быть, по существу, такой же, как и деформация тыльной поверхности в венечной области. Деформация тыльной поверхности и в полочной, и в венечной областях может составлять около 19°. Деформация тыльной поверхности на участке между полочной и венечной областями, например, в средней по высоте части, может варьироваться в диапазоне от 25 до 35° и обычно составляет около 30°.
Параболическое изменение осевой ширины (W) лопатки с аэродинамическим профилем между полочной областью и венечной областью также уменьшает потери во вторичном потоке. В частности, потери во вторичном потоке лопатки уменьшаются за счет увеличения осевой ширины (W) лопатки с аэродинамическим профилем в полочной области и венечной области, а также уменьшения осевой ширины лопатки с аэродинамическим профилем на участке между полочной и венечной областями.
Корытце и/или спинка могут быть, по существу, симметрично изогнуты в радиальном направлении.
max platform
max tip
Максимальная осевая ширина лопатки с аэродинамическим профилем в полочной области (W) обычно, по существу, равна осевой ширине лопатки с аэродинамическим профилем в венечной области (W).
max platform
max tip
max platform
max tip
Максимальная осевая ширина лопатки с аэродинамическим профилем в полочной области (W) и максимальная осевая ширина лопатки с аэродинамическим профилем в венечной области (W) может составлять до 1.2 осевой ширины (W) аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции в соответствующих областях. По некоторым вариантам осуществления максимальная осевая ширина лопатки с аэродинамическим профилем в полочной области (W) и максимальная осевая ширина лопатки с аэродинамическим профилем в венечной области (W) может составлять примерно до 1.076 осевой ширины (W) аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции в соответствующих областях.
min
min
Минимальная осевая ширина (W) лопатки с аэродинамическим профилем на участке между полочной областью и венечной областью, а также обычно в средней по высоте части между полочной областью и венечной областью может составлять до 0.9 от осевой ширины (W) аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции в соответствующих областях между полочной областью и венечной областями. По некоторым вариантам осуществления минимальная осевая ширина (W) лопатки с аэродинамическим профилем на участке между полочной областью и венечной областью, а также обычно в средней по высоте части между полочной областью и венечной областью может составлять примерно 0.893 от осевой ширины (W) аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции в соответствующих областях между полочной областью и венечной областями.
У лопатки с аэродинамическим профилем между полочной и венечной областями имеется секция с переменным аэродинамическим профилем. Именно подобное изменение секции аэродинамического профиля обеспечивает параболическое изменение осевой ширины (W) лопатки с аэродинамическим профилем, а, например, неизменение угла (β) установки секций с аэродинамическим профилем. Поэтому секции аэродинамического профиля, расположенные между полочной областью и венечной областью, обычно имеют одинаковый угол (β) установки.
min
Минимальная осевая ширина (W) лопатки с аэродинамическим профилем может наблюдаться в средней по высоте части между полочной и венечной областями. Обычно параболическое изменение осевой ширины (W) лопатки с аэродинамическим профилем происходит симметрично вокруг средней по высоте части между полочной и венечной областями.
min platform
min tip
max
min
max
Значение К, равное отношению величины наименьшего сечения (t) к величине шага (p), в данном случае может меняться от минимальных значений (K) и (K) в полочной области и венечной области, соответственно, до максимального значения (K) на участке между полочной и венечной областями. Выходной угол (α) лопатки, таким образом, может меняться от минимальных значений (α) в полочной области и венечной области, соответственно, до максимального значения (α) на участке между полочной и венечной областями.
min platform
min tip
platform
tip
По некоторым вариантам осуществления минимальное значение К в полочной области (K), по существу, равно минимальному значению К в венечной области (K). Таким образом, выходной угол лопатки в полочной области (α), по существу, равен выходному углу лопатки в венечной области (α).
max
max
Максимальное значение К (K) обычно наблюдается в средней по высоте части между полочной и венечной областями. Поэтому максимальный выходной угол лопатки (α) наблюдается в средней по высоте части. Таким образом, профильные потери лопатки в средней по высоте части, между полочной и венечной областями, преимущественно уменьшаются.
Изменение значения К, а соответственно, и выходного угла (α) лопатки, происходит параболически и, по существу, симметрично вокруг средней по высоте части между полочной областью и венечной областью.
min platform
platform
min tip
tip
max
max
По некоторым вариантам осуществления значение K может составлять примерно 0.1616, что делает величину выходного угла (α) лопатки в полочной области равной примерно 9.3° (т.е., около 9°), значение K может составлять примерно 0.1633, что делает величину выходного угла (α) лопатки в венечной области равной примерно 9.4° (т.е. около 9°), а значение K в средней по высоте части между полочной областью и венечной областью может составлять примерно 0.2823, что делает величину выходного угла (d) лопатки в средней по высоте части равной примерно 16.4° (т.е. около 16°).
mean
Средняя величина наименьшего сечения (t) лопатки с аэродинамическим профилем обычно, по существу, равна средней величине наименьшего сечения аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции. За счет этого средняя реактивность, по существу, равна средней реактивности аналогичной лопатки с аэродинамическим профилем призматической конструкции.
Лопатка с аэродинамическим профилем обычно является неподвижной лопаткой ступени турбины, в которой находится группа упомянутых неподвижных лопаток.
По второму аспекту настоящего изобретения предлагается осевая турбомашина, содержащая лопатки с аэродинамическим профилем по первому аспекту настоящего изобретения.
Осевая турбомашина может быть турбиной, например, паровой турбиной или газовой турбиной. В турбине может быть, по меньшей мере, одна ступень турбины с неподвижными турбинными лопатками по первому аспекту настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически, в сечении вдоль оси паровой турбины показан вид ступени обычной «диско-диафрагменной» паровой турбины высокого/среднего давления с узлом неподвижных лопаток;
на фиг.2 показан вид в перспективе двух подобных обычных лопаток в диафрагме неподвижных лопаток;
на фиг.3(а) показан схематический вид лопатки по фиг.1 в радиальном направлении;
на фиг.3(b) схематично показан выходной угол (α) неподвижных лопаток;
на фиг.4 показан вид в перспективе лопатки с аэродинамическим профилем по настоящему изобретению; и
на фиг.5 в виде графика показано изменение значения К по высоте секции аэродинамического профиля от полочной области до венечной области у обычной призматической лопатки с аэродинамическим профилем, а также у лопатки с аэродинамическим профилем управляемого потока по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Далее в качестве примера будут рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан схематический вид в сечении вдоль оси ступени обычной «диско-диафрагменной» паровой турбины высокого/среднего давления. Направление потока F рабочей среды (пара) примерно параллельно оси А ротора турбины. У ротора 10, на каждой ступени, имеется диск 11, на котором закреплен комплект или ряд выровненных по окружности и разнесенных между собой подвижных лопаток 12, у лопаток 12 имеется бандаж 13, закрепленный на их радиально внешних торцах. Энергия потока, следующего в направлении F, от передней к задней части турбины, преобразуется в механическую энергию в роторе 10.
На каждой ступени турбины перед комплектом подвижных лопаток 12 установлен узел неподвижных лопаток, который закреплен к внутреннему кожуху 20 турбины. Подобный узел неподвижных лопаток состоит из радиально внутреннего кольца 21, радиально внешнего кольца 22, а также ряда выровненных по окружности и разнесенных между собой неподвижных лопаток 23, каждая неподвижная лопатка 23 закреплена с радиально внутреннего торца, в полочной области, на внутреннем кольце 21, а с радиально внешнего торца, в венечной области, на внешнем кольце 22, у каждой лопатки имеется расположенная по ходу спереди входная кромка 24, обращенная в сторону потока, а также расположенная аксиально по ходу сзади выходная кромка 25.
Узел неподвижных лопаток 23 с внутренним и внешним кольцами 21, 22 известен как диафрагма. Ступень из диска и диафрагмы, показанная на фиг.1, относится к тому типу, у которого площадь между внутренним и внешним кольцами 21, 22, ортогональная оси А турбины, больше у выходных кромок 25 неподвижных лопаток, чем у входных кромок 24 неподвижных лопаток. Кроме этого, в примере, показанном на фиг.1, поверхности, т.е. торцевые стенки колец (или торцевые блоки) 21, 22 на которых закреплены неподвижные лопатки 23, имеют форму усеченного конуса, расходящуюся от оси А турбины в направлении F от входной 24 к выходной 25 кромкам лопаток 23.
Далее на фиг.2 показан вид сзади части узла неподвижных лопаток такого же типа, как и на фиг.1. Неподвижные лопатки по фиг.2, которые являются лопатками обычного призматического типа, другими словами, все прямые, т.е. сконструированы таким образом, что расчетные секции аэродинамического профиля лопатки, каждая из которых расположена ортогонально радиальной линии, проходящей от оси А турбины, имеют одинаковую форму от полочной области лопатки до венечной области лопатки, не скручиваются от полочной области до венечной области и эшелонированы таким образом, что входная кромка 24 и выходная кромка 25, каждая, находятся на прямой линии. У каждой лопатки 23 имеется вогнутое корытце 26 и выгнутая спинка 27.
На фиг.3(а) на радиальном виде в плане показано расположение неподвижных лопаток 23 и 29 относительно оси А турбины и поперечной (т.е. касательной или окружной) плоскости Т, в которой находится группа неподвижных лопаток перпендикулярно к оси А турбины. Секция аэродинамического профиля лопатки имеет малый круг 15 выходной кромки и большой круг 17 входной кромки. Касательная линия 19 к этим двум кругам проходит под углом ψ, именуемым здесь углом установки лопатки, в направлении от оси А турбины. Можно заметить, что осевая ширина (W) подобных обычных неподвижных лопаток 23, 29 в заданном радиальном положении является расстоянием между входной и выходной кромками 24, 25 в заданном радиальном положении.
Если провести перпендикулярную линию от спинки 27 лопатки 23 до корытца 26 смежной лопатки 29 и выбрать кратчайшую из подобных линий, то это будет величиной наименьшего сечения t, которое наблюдается в районе выходной кромки 25 лопатки 29. Соотношение подобной величины (t) к величине шага (p) неподвижных лопаток дает значение К, которое равно синусу выходного угла (α), как это было рассмотрено ранее. Можно заметить, что данный угол является примерно выходным углом каждой лопатки относительно поперечной плоскости Т.
На фиг.4 показана лопатка 30 с аэродинамическим профилем, форма которой соответствует принципам изобретения и которая может быть частью узла неподвижных лопаток, рассмотренного выше. У лопатки 30 с аэродинамическим профилем имеется прямая выходная кромка 36, проходящая, также как и у обычной призматической лопатки, между полочной областью 32 и венечной областью 34. У лопатки 30 с аэродинамическим профилем имеется корытце 38 и спинка 40, которые являются соответственно выгнуто и вогнуто симметрично изогнутыми в радиальном направлении между полочной область 32 и венечной областью 34.
max
min
max platform
max tip
min
Осевая ширина (W) лопатки 30 с аэродинамическим профилем меняется по высоте или по длине лопатки 30 и, в частности, меняется параболически и симметрично от максимальной осевой ширины (W) в полочной и венечной областях 32, 34 до минимальной осевой ширины (W) на участке между полочной областью 32 и венечной областью 34. Таким образом, следует понимать, что входная кромка 35 лопатки 30 с аэродинамическим профилем является не прямой, в отличие от выходной кромки 36, а выгнутой в осевом направлении. В изображенном варианте осуществления степень изогнутости входной кромки 35 симметрична вокруг средней по высоте части 42, находящейся между полочной и венечной областями 32, 34, таким образом, что максимальная осевая ширина в полочной области 32 (W), по существу, равна максимальной осевой ширине в венечной области (W), а минимальная осевая ширина (W) наблюдается в средней по высоте части 42, между полочной областью 32 и венечной областью 34.
Параболическое изменение осевой ширины (W) лопатки достигается за счет изменения секций 44 аэродинамического профиля между полочной областью 32 и венечной областью 34, причем все секции аэродинамического профиля имеют одинаковый угол (В) установки.
Ключевые параметры лопатки 30 по одному из вариантов осуществления, изображенному на фиг.4, приведены в таблице 1 ниже.
Таблица 1
Полочная (т.е. ступичная) область
Средняя по высоте часть
Венечная область
r, выходная кромка (мм)
420
462
504
Осевая ширина (W) (мм)
73.42
68.20
73.42
К(=sin α)
0.16
0.28
0.16
Наименьшее сечение (t) (мм)
8.88
17.07
10.77
Шаг (p) (мм)
54.978
60.476
65.973
Деформация тыловой поверхности (градусов)
19.44
30
19.22
На фиг.5 показано соотношение между величиной К (равной синусу выходного угла (α) лопатки) и радиальной высотой секции двух разных лопаток 30 с аэродинамическим профилем по настоящему изобретению, параметры которых указаны в таблице 1, а также аналогичной обычной призматической лопатки с аэродинамическим профилем, имеющей постоянную осевую ширину (W) между полочной областью и венечной областью равную примерно 68.2 мм.
Можно заметить, что у обычной призматической лопатки с аэродинамическим профилем величина К увеличивается, по существу, линейно от минимального значения в полочной области до максимального значения в венечной области. Это аналогично, по существу, линейному увеличению выходного угла (α) лопатки примерно от 13° в полочной области до примерно 15° в венечной области. Подобное увеличение выходного угла (а) лопатки всего лишь соответствует увеличению шага (p) лопатки при увеличении радиуса.
min platform
min tip
max
platform
tip
max
Можно заметить, что у лопаток 30 с аэродинамическим профилем управляемого потока по настоящему изобретению величина К изменяется параболически и симметрично вокруг средней по высоте части 42 лопатки от равных минимальных значений К в полочной области и венечной области (K=K) ДО максимального значения К (K) в средней по высоте части. Минимальные значения К соответствуют выходным углам лопатки в полочной области (α) и венечной области (α) примерно в 9° и максимальному выходному углу (α) лопатки в средней по высоте части примерно в 16°. Уменьшение угла К, а следовательно, выходного угла а в полочной и венечной областях позволяет увеличить значение К, а следовательно, и выходной угол а в средней по высоте части между полочной и венечной областями. За счет этого профильные потери лопатки в средней по высоте части уменьшаются.
Хотя в предыдущих абзацах были рассмотрены варианты осуществления изобретения, следует понимать, что подобные варианты осуществления допускают внесение в них различных изменений, не выходя за объем изобретения, определенный в формуле изобретения ниже.
Хотя изобретение было рассмотрено на примере неподвижных лопаток высокого/среднего давления «короткой длины» паровой турбины низкореактивного диско-диафрагменного типа, оно также относится и к другим типам осевых турбин и компрессоров, а также к подвижным лопаткам с аэродинамическим профилем и неподвижным лопаткам с аэродинамическим профилем.