РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ДЛЯ ЧАСТИ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
STEAM-TURBINE ENGINE LOW-PRESSURE STAGE WORKING BLADE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в целом к рабочей лопатке для паровой турбины, а конкретнее, к рабочей лопатке, имеющей геометрию, способствующую увеличению рабочих скоростей, для использования в последней ступени части низкого давления паровой турбины.
Канал прохождения потока пара в паровой турбине в целом формируется неподвижным корпусом и ротором. В этой конструкции большое количество неподвижных направляющих лопаток присоединены к корпусу в виде ряда лопаток, расположенных по окружности и проходящих во внутреннем направлении в канал прохождения потока пара. Точно так же, большое количество рабочих лопаток присоединены к ротору в виде ряда лопаток, расположенных по окружности и проходящих в наружном направлении в канал прохождения потока пара. Неподвижные лопатки и рабочие лопатки расположены чередующимися рядами так, что ряд неподвижных лопаток и расположенный сразу за ним ряд рабочих лопаток образуют ступень. Неподвижные лопатки служат для направления потока пара так, чтобы он входил в расположенный за ними ряд рабочих лопаток под правильным углом. Аэродинамический профиль лопаток извлекают энергию из пара, развивая, таким образом, мощность, необходимую для приведения во вращение ротора и присоединенной к нему нагрузки.
По мере прохождения водяного пара через паровую турбину его давление падает в каждой последующей ступени, пока не достигается требуемое выпускное давление. Таким образом, свойства водяного пара, такие как температура, давление, скорость и влагосодержание изменяются от ряда к ряду, поскольку водяной пар расширяется, проходя по своей траектории. Следовательно, в каждом ряду лопаток используются лопатки, имеющие аэродинамический профиль, который оптимизирован для состояния водяного пара, соответствующего этому ряду.
В дополнение к состоянию водяного пара, лопатки также выполнены с учетом центробежных нагрузок, которые они испытывают во время работы. В частности, большие центробежные нагрузки прикладываются к лопаткам из-за высокой скорости вращения ротора, что, в свою очередь, приводит к возникновению механических напряжений в лопатках. Снижение концентрации механических напряжений в лопатках является проблемой проектирования, причем это особенно касается последних рядов лопаток части низкого давления паровой турбины, где лопатки имеют больший размер и вес из-за большего размера и подвергаются коррозийным воздействиям из-за влажности в потоке водяного пара.
Эта проблема, связанная с проектированием рабочих лопаток для части низкого давления турбины, усиливается тем фактом, что аэродинамический профиль лопаток в целом определяет силы, действующие на лопатки, механическую прочность лопаток, их резонансные частоты и термодинамические рабочие характеристики. Эти соображения накладывают ограничения на выбор аэродинамического профиля лопаток, поэтому оптимальный аэродинамический профиль лопаток для конкретного ряда является вопросом компромисса между механическими и аэродинамическими свойствами, связанными с профилем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте настоящего изобретения предложена рабочая лопатка паровой турбины. Рабочая лопатка содержит аэродинамическую часть, к одному концу которой присоединена корневая часть. От корневой части отходит хвостовик с пазовым замком, который представляет собой хвостовик со скошенным осевым входом. К аэродинамической части на конце, противоположном корневой части, присоединена концевая часть, за одно целое с которой выполнен бандаж, имеющий первую плоскую часть, вторую плоскую часть, углубление, расположенное в боковом направлении между первой плоской частью и второй плоской частью. Углубление расположено ниже первой плоской части на первом конце, где первая плоская часть и углубление примыкают друг к другу. Углубление приподнимается вверх до второй плоской части на втором конце, где вторая плоская часть и углубление примыкают друг к другу. Вторая плоская часть приподнята над первой плоской частью. Бандаж расположен под углом относительно концевой части, причем угол лежит в диапазоне приблизительно от 10 градусов до приблизительно 30 градусов.
В другом аспекте настоящего изобретения предложена часть низкого давления паровой турбины. В этом аспекте настоящего изобретения ряд лопаток последней ступени паровой турбины размещен вокруг рабочего колеса турбины. Каждая лопатка из этого ряда лопаток имеет аэродинамическую часть, длина которой составляет приблизительно 10,56 дюймов (26,82 сантиметра) или больше этой величины. К одному концу аэродинамической части присоединена корневая часть, от которой проходит хвостовик с пазовым замком, причем хвостовик представляет собой хвостовик со скошенным осевым входом. К аэродинамической части на конце, противоположном корневой части, присоединена концевая часть. За одно целое с концевой частью выполнен бандаж, который имеет первую часть, нависающую над стороной повышенного давления аэродинамической части, и вторую часть, нависающую над стороной пониженного давления аэродинамической части. Бандаж размещен под углом относительно концевой части, причем угол лежит в диапазоне приблизительно от 10 градусов до приблизительно 30 градусов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой вид в аксонометрии в частичном разрезе паровой турбины;
Фиг.2 представляет собой вид в аксонометрии рабочей лопатки паровой турбины в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид в аксонометрии хвостовика с пазовым замком со скошенным осевым входом, изображенного на лопатке, показанной на Фиг.2, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4 представляет собой вид сбоку в аксонометрии, изображающий увеличенный вид бандажа, изображенного в Фиг.2, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения; и
Фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии, иллюстрирующий взаимосвязь смежных бандажей в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на его применение в связи с работой паротурбинного двигателя. Кроме того, по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на расчетные размеры и содержащий ряд расчетных измерений. Однако для специалистов, использующих идею изобретения, должно быть очевидно, что настоящее изобретение аналогично применимо к любой подходящей турбине и/или двигателю. Также, для специалистов, использующих идею изобретения, должно быть очевидно, что настоящее изобретение аналогично применимо к различным масштабам расчетных размеров и/или расчетных измерений.
Со ссылкой на чертежи, Фиг.1 показывает вид в аксонометрии в частичном разрезе паровой турбины 10. Паровая турбина 10 содержит ротор 12, содержащий вал 14 и ряд отстоящих друг от друга в осевом направлении рабочих колес 18. Рабочие лопатки 20 механически присоединены к каждому рабочему колесу 18 ротора. Более конкретно, лопатки 20 расположены рядами, которые проходят по окружности вокруг каждого рабочего колеса 18. Неподвижные лопатки 22 проходят по окружности вокруг вала 14 и расположены в осевом направлении между смежными рядами лопаток 20. Неподвижные лопатки 22 совместно с лопатками 20 образуют ступень турбины и ограничивают часть канала прохождения пара через турбину 10.
При работе водяной пар 24 поступает во входной патрубок 26 турбины 10 и направляется через неподвижные лопатки 22. Лопатки 22 направляют водяной пара 24 вниз по потоку к лопаткам 20. Водяной пар 24 проходит через остальные ступени, передавая силу лопаткам 20 и вызывая вращение вала 14. По меньшей мере один конец турбины 10 может выступать в радиальном направлении в сторону от ротора 12 и может быть присоединен к нагрузке или механизму (не показаны), например, но не ограничиваясь этим, к генератору и/или другой турбине. Соответственно, большой паротурбинный агрегат может фактически включать несколько турбин, которые все коаксиально присоединены к одному и тому же валу 14. Такой узел может, например, содержать турбину высокого давления, присоединенную к турбине среднего давления, которая присоединена к турбине низкого давления.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения и как изображено на Фиг.1, турбина 10 содержит пять ступеней, обозначенных L0, L1, L2, L3 и L4. Ступень L4 представляет собой первую ступень и является наименьшей (в радиальном направлении) из пяти ступеней. Ступень L3 представляет собой вторую ступень и является следующей ступенью в осевом направлении. Ступень L2 представляет собой третью ступень и показана расположенной в середине этих пяти ступеней. Ступень L1 представляет собой четвертую, предпоследнюю ступень. Ступень L0 представляет собой последнюю ступень и является самой большой (в радиальном направлении). Нужно понимать, что пять ступеней показаны только в качестве одного примера, при этом турбина низкого давления может иметь больше или меньше пяти ступеней.
Фиг.2 представляет собой вид в аксонометрии рабочей лопатки 20 паровой турбины в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Лопатка 20 содержит сторону 30 повышенного давления и сторону 32 пониженного давления, соединенные вместе на передней кромке 34 и задней кромке 36. Хорда лопатки представляет собой расстояние, измеренное от задней кромки 36 до передней кромки 34 в любой точке вдоль радиальной длины 38. В иллюстративном варианте выполнения радиальная длина 38 или длина лопатки приблизительно равна 10,56 дюйма (26,82 сантиметра). Хотя длина лопатки в иллюстративном варианте выполнения составляет приблизительно 10,56 дюйма (26,82 сантиметра), специалистам должно быть понятно, что идея изобретения применима также к различным величинам этого расчетного размера. Например, специалист может применить изменение масштаба к лопатке 20 с коэффициентом пропорциональности, таким как 1,2, 2 и 2,4, чтобы получить длину лопатки, равную, соответственно, 12,67 дюймов (32,18 сантиметра), 21,12 дюйма (53,64 сантиметра) и 25,34 дюймов (64,36 сантиметра).
Лопатка 20 выполнена с хвостовиком 40 с пазовым замком, аэродинамической частью 42 и корневой частью 44, проходящей между ними. Аэродинамическая часть 42 проходит в радиальном направлении наружу от корневой части 44 к концевой части 46. Бандаж 48 выполнен в виде единого целого как часть концевой части 46 с радиусом 50 галтели, расположенной в промежуточной части. Как показано на Фиг.2, бандаж 48 имеет первую плоскую часть 52, вторую плоскую часть 54 и углубление 56, расположенное в боковом направлении между первой плоской частью 52 и второй плоской частью 54. Углубление 56 расположено ниже первой плоской части 52 на первом конце, где первая плоская часть и углубление 56 примыкают друг к другу. Углубление 56 приподнято вверх до второй плоской части 54 на втором конце, где вторая плоская часть и углубление примыкают друг к другу. Как показано на Фиг.2, вторая плоская часть 54 приподнята над первой плоской частью 52. В этой конструкции бандаж 48 расположен под углом относительно концевой части 46, причем угол имеет значения в диапазоне от приблизительно 10 градусов до приблизительно 30 градусов, причем угол равный 22,5 градусам является предпочтительным. В иллюстративном варианте выполнения хвостовик 40, аэродинамическая часть 42, корневая часть 44, концевая часть 46 и бандаж 48, все изготовлены как единая деталь из коррозионностойкого материала, как, например, хромированной стали высокой прочности. В иллюстративном варианте выполнения лопатка 20 присоединена к рабочему колесу 18 турбины (изображена на Фиг.1) через хвостовик 40 и проходит в радиальном наружном направлении от рабочего колеса 18 турбины.
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид в аксонометрии хвостовика 40, показанного на лопатке, изображенной на Фиг.2 в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В этом варианте выполнения хвостовик 40 представляет собой хвостовик со скошенным осевым входом, имеющим угол скоса, равный приблизительно 21 градусу, который взаимодействует с сопряженным пазом, ограниченным в рабочем колесе 18 турбины (показан на Фиг.1). В одном варианте выполнения хвостовик со скошенным осевым входом имеет конструкцию с тремя выступами, которая имеет шесть контактных поверхностей для взаимодействия с рабочим колесом 18 турбины (показан на Фиг.1). Хвостовик со скошенным осевым входом является предпочтительным для получения распределения средних и локальных механических напряжений, защиту в условиях повышенной скорости, превышающей допустимую, и адекватных пределов пластической усталости (LCF), а также для предпочтительного размещения корневой части 44 аэродинамической части. Кроме того, на Фиг.З показано, что хвостовик 40 имеет осевую ширину 43, которая в одном варианте выполнения может находиться в диапазоне от приблизительно 3,87 дюймов (9,85 сантиметров) до приблизительно 9,24 дюймов (23,64 сантиметров), причем значение, равное 3,87 дюймам (9,85 сантиметров), является предпочтительной шириной. Хвостовик 40 также имеет канавку 41, выполненную приблизительно на 360 градусов, которая удерживает фиксирующую проволоку для поддержания осевого положения лопатки 20. Специалисты понимают, что хвостовик со скошенным осевым входом может иметь больше или меньше чем три выступа. Принадлежащая настоящему правообладателю заявка на патент США с регистрационным номером 12/205,939 (номер дела GE 229084), озаглавленная «ХВОСТОВИК С ПАЗОВЫМ ЗАМКОМ ДЛЯ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА», поданная одновременно с настоящей заявкой, содержит более подробное обсуждение хвостовика с пазовым замком.
В дополнение к обеспечению дополнительных деталей относительно хвостовика 40, на Фиг.3 также изображен увеличенный вид области перехода, где хвостовик 40 проходит от корневой части 44. В частности, на Фиг.3 показан радиус 58 галтели в месте, где корневая часть 44 переходит в платформу 60 хвостовика 40.
На Фиг.4 изображен вид сбоку в аксонометрии, показывающий увеличенный вид бандажа 48, изображенного на Фиг.2, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Как упомянуто выше, бандаж 48 имеет первую плоскую часть 52, вторую плоскую часть 54 и углубление 56, расположенное в боковом направлении между первой плоской частью 52 и второй плоской частью 54. Углубление 56 расположено ниже первой плоской части 52 на первом конце, где первая плоская часть и углубление 56 примыкают друг к другу. Углубление 56 приподнято вверх до второй плоской части 54 на втором конце, где вторая плоская часть и углубление примыкают друг к другу. Вторая плоская часть 54 приподнята над первой плоской частью 52. На Фиг.4 также показано, что бандаж 48 проходит от места 62 вдоль концевой части 46, которое расположено на заданном расстоянии от передней кромки 34 лопатки 20, до задней кромки 36 лопатки. Кроме того, первая плоская часть 52 бандажа 48 нависает над стороной 30 повышенного давления лопатки 20, а вторая плоская часть 54 бандажа 48 нависает над стороной 32 пониженного давления лопатки 20. В этой конструкции бандаж 48 расположен под углом относительно концевой части 46, причем угол имеет значения в диапазоне от приблизительно 10 градусов до приблизительно 30 градусов, причем угол равный 22,5 градусам является предпочтительным. На Фиг.4 также показано, что бандаж 48 имеет неконтактирующую поверхность 64, которая выполнена так, что она не вступает в контакт со смежными бандажами лопаток в ступени паровой турбины, и контактирующую поверхность 66, которая выполнена так, что она входит в контакт со смежными бандажами лопаток в ступени турбины.
Фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии, иллюстрирующий взаимосвязь смежных бандажей 48 в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Обычно бандажи 48 выполнены с зазором 68 у неконтактирующих поверхностей 64 между смежными бандажами и осуществляют контакт посредством контактирующих поверхностей 66 во время первоначальной сборки и/или при условиях нулевой скорости. В одном варианте выполнения зазор 70 может находиться в диапазоне от приблизительно - 0,002 дюйма (- 0,051 миллиметра) до приблизительно 0,008 дюйма (0,203 миллиметра). На Фиг.5 показано, что неконтактирующая поверхность 64 включает часть первой плоской части 52, второй плоской части 54 и углубления 56, тогда как контактирующая поверхность 66 включает часть второй плоской части 54. Во время работы, по мере вращения рабочего колеса 18 турбины (показано на Фиг.1), лопатки 20 начинают раскручиваться. Когда количество оборотов в минуту (RPM) лопаток 20 приближается к рабочему уровню, лопатки раскручиваются благодаря центробежной силе, зазоры в контактирующих поверхностях 66 смыкаются, и они становятся совмещенными друг с другом так, что имеется расчетное взаимодействие со смежными бандажами. Результат состоит в том, что лопатки формируют единую непрерывно взаимосвязанную конструкцию. В этой конструкции взаимосвязанный бандаж обеспечивает улучшенную жесткость лопатки, улучшенное демпфирование лопатки и улучшенное уплотнение на внешних радиальных участках лопаток 20.
В иллюстративном варианте выполнения рабочий уровень для лопаток 20 составляет 3600 оборотов в минуту, однако, специалистам будет понятно, что идея изобретения одинаково применима к различным масштабам этого расчетного размера. Например, специалист может изменить масштаб рабочего уровня на коэффициенты пропорциональности, такие как 1,2, 2 и 2,4, чтобы получить лопатки, которые работают, соответственно, на 3000 оборотов в минуту, 1800 оборотах в минуту и 1500 оборотах в минуту.
2
Лопатка 20 в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения предпочтительно используется в L2 ступени части низкого давления паровой турбины. Однако лопатка может также использоваться в других ступенях или в других частях (например, высокого или среднего давления). Как упомянуто выше, одна предпочтительная длина для лопатки 20 составляет приблизительно 10,56 дюйма (26,82 сантиметра). Эта длина лопатки может обеспечить выходную кольцеобразную область L2 ступени, равную приблизительно 20,09 квадратных футов (1,87 м). Эта увеличенная и усовершенствованная выходная кольцеобразная область может снизить потери кинетической энергии, которые испытывает водяной пар, когда он покидает эти лопатки L2 ступени. Это снижение потери обеспечивает увеличенный коэффициент полезного действия турбины.
2
2
2
Как отмечено выше, специалисты должны понимать, что, если длина лопатки изменена в масштабе на другую длину, то тогда это масштабирование приведет к тому, что масштаб выходной кольцеобразной области также изменится. Например, если бы использовались коэффициенты пропорциональности, такие как 1,2, 2 и 2,4, чтобы получить длину лопатки, равную, соответственно, 12,67 дюйма (32,18 сантиметра), 21,12 дюйма (53,64 сантиметра) и 25,34 дюйма (64,36 сантиметра), то выходная кольцеобразная область была бы равна, соответственно, приблизительно 28,93 квадратных футов (2,69 м), 80,36 квадратных футов (7,47 м), и 115,75 квадратных футов (10,75 м).
Хотя описание изобретения было показано и описано конкретно в отношении предпочтительного варианта выполнения этого изобретения, специалистам должно быть понятно, что возможны изменения и модификации. Поэтому нужно понимать, что приложенная формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые находятся в рамках объема изобретения.
Список Частей
10 Паровая Турбина
12 Ротор
14 Вал
18 Рабочее Колесо Ротора
20 Рабочая Лопатка
22 неподвижные Лопатки
24 Водяной Пар
26 Входной Патрубок
30 Сторона Повышенного Давления
32 Сторона Пониженного Давления
34 Передняя Кромка
36 Задняя Кромка
38 Радиальная Длина
40 Хвостовик с пазовым замком
41 Канавка
42 Аэродинамическая Часть
43 Осевая Ширина Хвостовика
44 Корневая часть 46 Концевая часть
48 Бандаж
50 Радиус Галтели Между Бандажом и Концевой частью
52 Первая Плоская Часть Бандажа
54 Вторая Плоская Часть Бандажа
56 Углубление
58 Радиус Галтели Между Хвостовиком и корневой частью
60 Платформа
62 Место, где бандаж проходит на заданное расстояние
от передней кромки
64 Неконтактирующая Поверхность
66 Контактирующая Поверхность
68 Зазор