ДВУХЪЯРУСНЫЙ ЦИЛИНДР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
DOUBLE-LEVEL CYLINDER OF LOW PRESSURE OF CONDENSING STEAM TURBINE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению.
Известен двухъярусный цилиндр низкого давления (ЦНД), проточная часть которого состоит из одноярусной последней ступени и двух последовательно расположенных ступеней Баумана, верхние ярусы которых и образуют проточную часть верхнего яруса ЦНД (см. Нишкевич В.И., Бакурадзе М.В., Сафонов Л.П., Храбров П.В. Анализ и перспективы применения двухъярусных выхлопов в проточных частях низкого давления мощных паровых турбин. Труды ЦКТИ 1978, вып.159, с.46-59) [1].
Такое решение позволяет при существующих высотах лопаток последних ступеней конденсационных турбин почти в два раза увеличить пропускную способность ЦНД, обеспечив тем самым либо увеличение мощности турбины, либо сокращение числа цилиндров низкого давления.
Основные недостатки известного решения сводятся к следующему.
1. Лопаточный аппарат верхнего яруса представляет собой продолжение сопловых и рабочих лопаток нижнего яруса, что при длинных лопатках ведет к очень сильному росту расстояния между соседними лопатками (росту шага) и существенно снижает экономичность верхнего яруса.
2. Срабатывание в верхнем ярусе на меньшем числе ступеней такого же перепада энтальпий, что и в нижнем ярусе ЦНД, ведет к большой разнице давлений в области разделительных перегородок двухъярусных ступеней, увеличивая тем самым потери от перетечки большого количества пара.
3. Наличие перегородок в двухъярусных ступенях затрудняют изготовление таких ступеней, сильно увеличивая их стоимость. Кроме того, эти перегородки на рабочих лопатках нагружают их дополнительной центробежной силой, что не позволяет в настоящее время делать ступени Баумана с лопатками, длина которых превышает 800-900 мм.
В силу указанных недостатков подобные двухъярусные цилиндры не нашли применения, и в [1] отмечается малая вероятность их применения в перспективных турбинах.
Известен также цилиндр низкого давления, содержащий одноярусные и двухъярусные ступени, состоящие из сопловых и рабочих лопаток, формирующих проточные части нижнего и верхнего ярусов цилиндра, причем лопаточный аппарат верхнего яруса представляет собой проточную часть самостоятельной турбины, надстроенной над турбиной нижнего яруса и связанной с ней (см. RU 2296224 С1, МПК F01D 5/06, 2006). Такая конструкция цилиндра низкого давления обеспечивает снижение потерь энергии и позволяет увеличить пропускную способность цилиндра, однако не устраняет всех указанных выше недостатков.
В связи с этим задача настоящего изобретения состоит в формировании проточной части двухъярусного цилиндра таким образом, чтобы устранить все указанные недостатки.
Данная задача решается тем, что цилиндр низкого давления содержит одноярусные и двухъярусные ступени, состоящие из сопловых и рабочих лопаток, формирующих проточные части нижнего и верхнего ярусов цилиндра, причем лопаточный аппарат верхнего яруса представляет собой проточную часть самостоятельной турбины, надстроенной над турбиной нижнего яруса и связанной с ней. Рабочие лопатки двухъярусных ступеней верхнего яруса кинематически связаны с рабочими лопатками двухъярусных ступеней нижнего яруса в области интегральных бандажей последних сплошными коническими кольцами, представляющими собой корневые узлы крепления рабочих лопаток двухъярусных ступеней верхнего яруса.
Предпочтительно степень реактивности в корневых сечениях верхнего яруса определяется из условия равенства давления в этих сечениях давлению пара в периферийном осевом зазоре соответствующих ступеней в нижнем ярусе.
Проточная часть такого двухъярусного цилиндра низкого давления формируется не на основе ступеней Баумана, а на основе двухъярусных ступеней, где лопаточный аппарат верхнего яруса не является продолжением лопаток нижнего яруса, а представляет собой самостоятельный, независимый от нижнего яруса лопаточный аппарат турбинной ступени, аэродинамически не связанной с нижним ярусом, а кинематическая связь осуществляется путем соединения сплошных конических колец, представляющих собой корневые узлы крепления рабочих лопаток верхнего яруса с интегральным бандажом рабочих лопаток нижнего яруса, образуя тем самым разделительную полку между ярусами.
На фиг.1 изображено меридиональное сечение предлагаемого двухъярусного цилиндра.
На фиг.2 приведен меридиональный вид использованной двухъярусной ступени.
На фиг.3 изображена форма лопаточного аппарата рабочего колеса у периферии нижнего яруса.
На фиг.4 изображена форма лопаточного аппарата в корневом сечении верхнего яруса.
Проточная часть двухъярусного ЦНД состоит из турбины нижнего яруса, сформированного в данном случае из шести ступеней 1-6 и турбины верхнего яруса из четырех ступеней 7-10.
При этом сопловые лопатки ступеней верхнего яруса могут располагаться между внутренними 11 и внешними 12 обводами и собираться независимо от нижнего яруса.
В таком случае, проточная часть нижнего яруса представляет собой по существу проточную часть любого современного ЦНД, на верхние бандажи сопловых и рабочих лопаток которого предлагается одеть сопловые и рабочие лопатки верхнего яруса, увеличив тем самым пропускную способность цилиндра и его мощность.
Цилиндр работает следующим образом. Пар из цилиндра среднего давления турбины подводится к входному сечению лопаточного аппарата как верхнего, так и нижнего ярусов, причем, поскольку давление за последними ступенями обоих ярусов одинаково, то и перепады энтальпий на оба яруса одинаковы.
Однако, поскольку средние диаметры ступеней в нижнем ярусе меньше средних диаметров в верхнем ярусе, то и перепады энтальпий на ступенях нижнего яруса срабатываются меньше, чем на ступенях верхнего яруса.
В результате один и тот же общий перепад энтальпий на весь ЦНД в верхнем ярусе срабатывается на меньшем числе ступеней.
При этом, естественно, на разделительных полках возникают различные давления, вызывающие перетечку пара между ярусами. Для ее сокращения предлагается при расчете ступеней верхнего яруса выбирать их реактивность таким образом, чтобы давление в корневом сечении на входе в лопатки верхнего яруса было равно или мало отличалось от давления в периферийном сечении соответствующей лопатки нижнего яруса.
Другими словами, турбина верхнего яруса проектируется как высокореактивная турбина. Все три отмеченных недостатка двухъярусных ЦНД, построенных на основе ступеней Баумана, устранены в предложенном двухъярусном ЦНД.
Во-первых, переход к независимому от нижнего яруса профилированию лопаточного аппарата верхнего яруса снимает проблему веерных потерь энергии, поскольку здесь высоты лопаток относительно лопаток нижнего яруса меньше и во всех сечениях удается сохранить оптимальные шаги и добиться минимальных потерь энергии.
Во-вторых, в связи с независимым проектированием проточной части верхнего яруса за счет выбора степени реактивности возможно до минимума сократить перетечки пара между ярусами.
Наконец, в-третьих, независимое изготовление ступеней верхнего яруса снимает проблему изготовления двухъярусной ступени, а кольцевое соединение верхнего яруса с интегральным бандажом нижнего яруса не нагружает ступени нижнего яруса дополнительной нагрузкой от центробежных сил и установка дополнительных ступеней над существующими ступенями оказывается возможным даже для ступеней с лопатками 1000-1200 мм.