РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, а именно, паротурбостроения, и может быть использована при разработке конструкции рабочих лопаток, в том числе для последних ступеней паровых турбин большой мощности.
Рабочие лопатки являются одними из самых ответственных элементов паровой турбины, конструкция которых определяет такие ее характеристики как КПД, мощность и надежность. Достижение более высоких значений указанных параметров лопаток обеспечивается при оптимальном профилировании рабочей части и повышении вибрационной надежности конструкции лопаток.
В процессе работы турбоагрегата при вращении ротора возникают центробежные силы, действие которых вызывает разворот выполненной с закруткой рабочей части лопатки, при этом величина центробежной силы тем больше, чем больше длина лопатки. Кроме того, рабочие лопатки при вращении ротора испытывают вибрационные нагрузки. Действие центробежных сил и вибрационных нагрузок ведет к появлению соответственно статических напряжений (в частности, напряжений растяжения) и динамических напряжений (в частности, напряжений изгиба) в теле лопатки.
При разработке конструкции рабочих лопаток, и особенно - длинномерных лопаток последних ступеней турбины, требуется обеспечить необходимую вибрационную прочность конструкции, что может быть достигнуто, в частности, путем повышения жесткости конструкции и обеспечения конструкционного демпфирования. Для этих целей в конструкцию лопаток вводят дополнительные упруго-демпферные связи: бандажные полки и промежуточные связи (например, демпферные проволоки или снабберы).
Так, для рабочих лопаток последней ступени паровых турбин Ленинградского Металлического завода чаще всего применяют конструкцию с бандажной полкой и дополнительной связью контактного типа в виде демпферной проволоки, установленной в сквозном отверстии, выполненном на промежуточной высоте рабочей части лопатки.
Однако, выполнение сквозного отверстия для установки демпферной проволоки приводит к появлению концентрации статических и динамических напряжений в зонах, примыкающих к сквозному отверстию. В случае превышения значений действующих напряжений допустимого предела выносливости материала лопатки происходит образование трещин в металле, что в дальнейшем может стать причиной разрушения лопатки.
Известна крупногабаритная рабочая лопатка последней ступени паровой турбины [патент Китая № CN 2851582 Y, МПК F01D 5/14, дата приоритета: 28.11.2005, дата публикации патента: 27.12.2006, заявитель: Harbin Turbine Co Ltd], содержащая рабочую часть, хвостовик елочного типа, бандажную полку на вершине рабочей части лопатки и выполненную на профиле промежуточную связь в виде выступа - снаббера. В соответствии с известным техническим решением высота рабочей части лопатки составляет 1200 мм, корневой диаметр рабочей части составляет 1800 мм. Известное техническое решение обеспечивает увеличение площади выхлопа последней ступени, при этом выполнение промежуточной связи в виде снаббера позволяет снизить концентрацию напряжений в зоне расположения демпферной связи.
Однако, данное техническое решение, хотя и обеспечивает ограничение разворота профиля и снижение локальных напряжений в лопатке, но усложняет технологию изготовления рабочих лопаток, так как место соединения снаббера с поверхностью рабочей части лопатки имеет сложную конфигурацию для механической обработки. Особенно следует подчеркнуть, что сборка рабочих лопаток, снабженных снабберами, требует применения специальных приспособлений, обеспечивающих одновременную заводку всех лопаток, а это в значительной степени усложняет сборку рабочих лопаток на роторе турбины. Поэтому в тех случаях, когда жесткость и прочность лопатки можно обеспечить с помощью традиционной конструкции демпферной связи в виде проволоки, ей отдают предпочтение перед более сложной конструкцией со снаббером.
Известна рабочая лопатка турбомашины [авторское свидетельство СССР № SU 1657669 A1, МПК F01D 5/24, дата приоритета: 27.02.1989, дата публикации: 23.06.1991, заявитель: Ленинградский кораблестроительный институт, авторы: Р.Ф. Дорохов, А.В. Косарев], обеспечивающая повышение эффективности демпфирования путем снижения изгибных напряжений. Известная рабочая лопатка содержит хвостовик елочного типа, рабочую часть (или перо) лопатки с круглым сквозным отверстием под демпфирующий элемент, при этом над отверстием со стороны спинки и корыта пера выполнены выемки, имеющие образующие в виде дуг окружностей, с образованием упругих перемычек между отверстием и выемками. При работе турбомашины под действием центробежной силы демпфирующий элемент прижимается к периферийной части отверстия, деформируя при этом упругие перемычки, что обеспечивает увеличение радиуса деформированной оси демпфирующего элемента и, следовательно, уменьшение изгибающего момента в месте соединения демпфирующего элемента с пером, а также снижение изгибных напряжений. Выполнение выемок с образующими в виде дуг окружностей направлено на увеличение гибкости перемычек.
Также известна рабочая лопатка паровой турбины [патент Германии № DE 102009010502 B4, МПК F01D 5/24, дата приоритета: 25.02.2009, дата публикации заявки: 09.09.2010, заявитель: Siemens AG], содержащая аэродинамический профиль, являющийся рабочей частью лопатки, с выполненным в нем сквозным отверстием круглой формы под установку демпферной проволоки. На стенке отверстия, обращенной к оси вращения лопатки турбины выполнено два выступа, обеспечивающие фиксацию демпферной проволоки. Выступы выполнены изогнутыми и образуют эллиптическую контактную поверхность. Известное техническое решение позволяет за счет изменения жесткости участков демпферной проволоки между соседними лопатками осуществить отстройку конструкции рабочей лопатки от резонансных колебаний.
Однако, и в рабочей лопатке турбомашины по а.с. СССР № SU 1657669 A1 B, и в рабочей лопатке паровой турбины по патенту Германии № DE 102009010502 B4 сквозное отверстие под демпферную проволоку выполнено круглой формы, что обуславливает высокую концентрацию статических и динамических напряжений, появляющихся в результате действия центробежных сил и вибрационных нагрузок, в зоне, примыкающей к отверстию.
Проведение контрольных обследований состояния рабочих лопаток в процессе эксплуатации турбоагрегатов показывает, что в указанной зоне могут образовываться трещины. Известны даже случаи полного обрыва рабочих лопаток по поперечному сечению лежащему в горизонтальной плоскости, и проходящему через отверстие.
Авторами были проведены расчетные исследования, результаты которых показали, что концентраторами напряжений являются зоны, примыкающие к точкам окружности, находящимся в горизонтальной плоскости, проходящей через центр окружности, и действие центробежных сил и вибрационных нагрузок является причиной появления усталостных трещин именно в этих зонах.
В качестве технического решения, наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой рабочей лопатке паровой турбины, предлагается выбрать рабочую лопатку последней ступени паровой турбины [патент CN 101349168 B, F01D 5/14, дата приоритета - 13.09.2008, дата публикации заявки - 21.01.2009], содержащую рабочую часть лопатки, бандажную полку, выполненную на вершине рабочей части лопатки, хвостовик вильчатого типа. Согласно известному техническому решению высота аэродинамического профиля (или рабочей части) лопатки составляет 661 мм, при этом определены параметры аэродинамического профиля лопатки: изменение угла закрутки и длина хорды в различных сечениях. На промежуточной высоте рабочей части выполнено сквозное отверстие круглой формы (обозначено ⌀d), предназначенное для установки демпферной проволоки. Известная рабочая лопатка предложена для использования в быстроходных паровых турбинах мощностью 300-600 МВт с воздушным охлаждением, что обуславливает повышенный уровень аэродинамической нагрузки на лопатки последних ступеней и требует повышенной вибрационной надежности данной конструкции.
Однако, как уже было показано выше, результаты расчетного анализа, проведенного авторами, и результаты контроля состояния рабочих лопаток в процессе эксплуатации паровых турбин показали, что выполнение отверстия, предназначенного для установки демпферной связи, в форме окружности является причиной концентрации напряжений в зонах, примыкающих к точкам окружности, находящимся в горизонтальной плоскости, проходящей через ее центр, что ведет к снижению усталостной прочности конструкции.
Таким образом, выполнение отверстия круглой формы является причиной возникновения зон концентрации напряжений в теле лопатки, что ведет к снижению вибрационной прочности рабочей лопатки.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается заявляемой полезной моделью, является повышение вибрационной прочности конструкции рабочей лопатки.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается рабочая лопатка паровой турбины, содержащая рабочую часть лопатки, бандажную полку, выполненную на вершине рабочей части, хвостовик лопатки. На промежуточной высоте рабочей части лопатки выполнено сквозное отверстие для установки демпферной проволоки.
При этом, согласно заявляемому техническому решению, форма сечения сквозного отверстия в осерадиальной плоскости рабочей лопатки представляет собой выпуклый криволинейный четырехугольник, образованный двумя расположенными напротив друг друга полуокружностями равного диаметра и двумя прямолинейными участками-отрезками, каждый из которых соединяет конец (или крайнюю точку) одной полуокружности с соответствующим, расположенным напротив него, концом (или крайней точкой) другой полуокружности. Осерадиальной плоскостью рабочей лопатки принято называть плоскость, образованную продольной осью лопатки и осью вращения турбины. Центры полуокружностей расположены на продольной оси рабочей лопатки. Отрезки, соединяющие расположенные друг напротив друга концы полуокружностей, расположены в продольном направлении, параллельны друг другу и имеют равную длину. Длина отрезков, соединяющих указанные концы полуокружностей, составляет (0,15÷0,3) диаметра полуокружности. Каждая полуокружность расположена таким образом, что ее диаметр, соединяющий концы полуокружности, перпендикулярен продольной оси лопатки.
В результате анализа данных, полученных при проведении расчетно-экспериментальных исследований напряженного состояния рабочей лопатки, авторами выявлено, что выполнение отверстия для установки демпферной проволоки согласно тому, как изложено выше, обеспечивает существенное снижение коэффициента концентрации напряжений в материале лопатки в зоне, примыкающей к отверстию, что обеспечивает повышение вибрационной прочности конструкции.
Результаты исследований, проведенных авторами, подтвердили достижение заявленного технического результата во всем указанном диапазоне длины отрезков, соединяющих концы полуокружностей.
С целью дальнейшего повышения вибрационной прочности конструкции рабочей лопатки хвостовик лопатки может быть выполнен елочным.
Кроме того, применение хвостовика елочного типа обеспечивает повышение технологичности конструкции, так как сборка лопаток с елочным хвостовиком в турбинную ступень осуществляется технологически гораздо проще по сравнению с вильчатым хвостовиком.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлен общий вид рабочей лопатки, на фиг. 2 - главный вид рабочей лопатки, на фиг. 3 - выносной элемент A с изображением отверстия, предназначенного для установки демпферной проволоки, в увеличенном масштабе.
Рабочая лопатка паровой турбины (фиг. 1) содержит рабочую часть 1 лопатки, бандажную полку 2, выполненную на вершине рабочей части 1, елочный хвостовик 3. На промежуточной высоте h рабочей части лопатки выполнено сквозное отверстие 4 для установки демпферной проволоки (фиг. 2). Высота h рабочей части лопатки, на которой выполняется сквозное отверстие 4, определяется из условий вибрационной отстройки согласно применяемым в турбостроении расчетным методикам.
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
Форма сечения отверстия 4 (фиг. 3) в осерадиальной плоскости рабочей лопатки (которой называют плоскость, образованную продольной осью лопатки и осью вращения турбины) представляет собой выпуклый криволинейный четырехугольник BCCB, образованный двумя расположенными напротив друг друга полуокружностями равного диаметра (верхней и нижней), а также двумя прямолинейными участками-отрезками [BB] и [CC], каждый из которых соединяет конец (или крайнюю точку) верхней полуокружности с соответствующим, расположенным напротив него, концом (или крайней точкой) нижней полуокружности. Центры O и O полуокружностей расположены на продольной оси s рабочей лопатки. Отрезки [BB] и [CC] расположены в продольном направлении, параллельны друг другу и имеют равную длину. Длина отрезков [BB] и [CC] составляет (0,15÷0,3) диаметра полуокружности. Полуокружности расположены таким образом, что отрезки [BC] и [BC], являющиеся диаметрами, перпендикулярны оси s.
Рабочая лопатка, включающая рабочую часть, бандажную полку и хвостовик, изготавливается из единой штампованной заготовки.
В качестве материала рабочих лопаток применяют как высокопрочные нержавеющие стали, в основном, 11-процентную хромистую сталь (например, 15Х11МФ), так и титановые сплавы (например, ВТ6), которые обладают такой же прочностью, как сталь, но меньшим удельным весом.
Заявляемое техническое решение работает следующим образом.
При установке на ротор рабочие лопатки последовательно заводят хвостовиками в пазы ротора так, что бандажные полки плотно прилегают друг к другу, обеспечивая повышение жесткости турбинной ступени. Применение в конструкции рабочей лопатки елочного хвостовика обеспечивает по сравнению с вильчатым хвостовиком простоту заводки при сборке рабочих лопаток в турбинную ступень. После установки на ротор всех лопаток производят установку проволочных демпферных связей, обеспечивающих повышение конструкционного демпфирования, для чего в сквозные отверстия устанавливают сегменты демпферной проволоки, образующие единое кольцо. После сборки всех ступеней ротор устанавливают в турбину.
Под действием потока пара ротор с установленными на нем рабочими лопатками вращается. При этом на рабочие лопатки действуют центробежные силы и нагрузки от парового потока, возбуждающие вибрацию. Выполнение конструкции рабочей лопатки в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает снижение статических и динамических напряжений в зоне, примыкающей к отверстию под установку демпферной проволоки. По сравнению с базовым объектом, в котором отверстие для установки демпферной проволоки выполнялось круглой формы, выполнение данного отверстия в соответствии с тем, как предложено в заявляемой полезной модели, позволило снизить коэффициент концентрации напряжений в зоне вблизи отверстия в 1,4-1,6 раз. Достижение указанного результата обеспечивается при выполнении длины отрезков в пределах всего указанного интервала, что подтверждено результатами расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами.
Например, выполнение рабочей лопатки паровой турбины согласно заявляемому техническому решению с рабочей частью длиной 1200 мм и предназначенной для установки на корневом диаметре 1800 мм позволяет снизить в зоне, примыкающей к отверстию для установки демпферной проволоки, концентрацию напряжений при вибрации лопатки в 1,5 раза по сравнению с рабочей лопаткой, выполненной с отверстием круглой формы. Согласно результатам расчетов при заданной амплитуде вибрации такое снижение концентрации напряжений обеспечивает повышение вибрационной прочности, эквивалентное увеличению долговечности конструкции рабочей лопатки более чем в 100 раз.