Сектор для сборки ступени турбины и соответствующий способ изготовления
SECTOR FOR TURBINE STAGE ASSEMBLY AND CORRESPONDING MANUFACTURING METHOD

Данное изобретение относится к сектору для сборки ступени турбины. В частности, вариант выполнения данного изобретения относится к сектору для сборки ступени паровой турбины. Более конкретно, ступень, собранная из указанных секторов, содержит полые лопатки.
Из уровня техники известны ступени турбомашин, собранные из отдельных секторов. Например, в заявке на патент США № 2003/0185673 A1 (HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA), опубликованной 02.10.2003, описана ступень турбомашины, образованная из соединенных друг с другом секторов, каждый из которых содержит центральную часть, периферийную часть и лопатку. Конфигурация центральной и периферийной частей при сборке ступени обеспечивает соединение секторов, устойчивое к возможному радиальному смещению смежных центральных и периферийных частей друг относительно друга под действием избыточных нагрузок на лопатки. Тем не менее, возможно осевое смещение как центральных, так и периферийных частей друг относительно друга.
В заявке на патент США № 2010/0129211 A1 (ALSTOM TECHNOLOGIES LTD), опубликованной 27.05.2010, описана ступень турбокомпрессора, содержащая статорные лопатки. Указанную ступень собирают из отдельных лопаточных секторов, каждый из которых содержит центральную часть, периферийную часть и прикрепленные между ними лопатки. Кроме того, периферийная часть каждого сектора имеет первую соединительную часть, содержащую углубление, и вторую соединительную часть, содержащую выступ. Центральная часть имеет гладкие (плоские) соединительные части. При сборке ступени турбины смежные лопаточные секторы соединяют между собой периферийными соединительными частями и центральными соединительными частями, при этом, благодаря взаимодействующим углублению и выступу, периферийное соединение получается весьма надежным и устойчивым к возможному осевому или радиальному смещению смежных периферийных соединительных частей друг относительно друга под действием избыточных нагрузок на лопатки ступени. В отличие от этого, центральное соединение не будет устойчивым к возможному осевому или радиальному смещению смежных центральных соединительных частей друг относительно друга под действием избыточных нагрузок на лопатки.
Однако вышеприведенные примеры секторов ступеней турбомашин не содержат каналов, проходящих в лопатках и в кольцевых центральной и/или периферийной частях указанных секторов, в связи с чем из таких ступеней невозможно организовать отвод конденсата.
Отвод конденсата зачастую бывает необходим, чтобы избежать повреждения лопаток ступени конденсатом, образующимся при работе турбины в результате частичной конденсации пара на последней ступени или ступенях турбин.
В частности, конденсация возникает на аэродинамической части лопаток статора в так называемой «конденсационной ступени», обычно являющейся последней ступенью турбины.
Если вследствие конденсации образуются капли, они отделяются от неподвижных лопаток статора и ударяют по вращающимся лопаткам ротора, вследствие чего возможны повреждения последних.
Для уменьшения повреждений, вызванных воздействием капель, может быть уменьшена скорость вращения лопаток ротора. Однако при этом также уменьшается КПД турбины.
Как вариант, для уменьшения любого повреждения лопаток ротора существуют решения, предусматривающие сбор конденсата до образования капель.
Самое распространенное из таких решений заключается в использовании полых лопаток статора в областях вероятного возникновения конденсации, выполнении отверстий и/или пазов, проходящих через аэродинамическую часть указанных лопаток от аэродинамической поверхности к внутренней полости, и откачке, выполняемой из указанной полости таким образом, что весь конденсат удаляется с аэродинамической поверхности и поступает во внутреннюю полость. Таким образом может быть значительно уменьшен выброс капель.
Ступень турбины является общеизвестной. Такую ступень изготавливают с помощью способа, включающего этапы механической обработки внутреннего и внешнего колец, каждое из которых имеет соответствующий канал. Внутренняя поверхность каждого из этих колец имеет отверстия, проточно сообщающиеся с указанным каналом. Также изготавливают лопатки турбины, каждая из которых имеет соответствующее отверстие и полость, проточно сообщающуюся с окружающим пространством через указанное отверстие.
Затем лопатки приваривают к кольцам. В частности, каждое отверстие, выполненное в отдельном кольце, располагают в проточном сообщении с полостью соответствующей лопатки.
В результате в собранном состоянии ступени водяной конденсат может быть отведен через отверстие лопатки, проходя, таким образом, в полость и далее в канал, выполненный в одном из двух колец.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной задачей настоящего изобретения является создание конструкции ступени турбины, предусматривающей возможность отвода конденсата из ступени турбины через отверстия и полости в лопатках, а также через канал, выполненный в центральной кольцевой части ступени турбины. При этом необходимо обеспечить надежную герметичность указанного канала для отвода конденсата при любых условиях эксплуатации турбины, в том числе при повышенных рабочих температурах и повышенных нагрузках на лопатки ступени турбины.
Первый аспект настоящего изобретения относится к сектору для сборки ступени турбины, содержащему центральную часть и периферийную часть, лопатки, прикрепленные между указанными центральной частью и периферийной частью, первую боковую сторону и вторую боковую сторону, противоположные друг другу, причем первая боковая сторона выполнена с возможностью соединения со второй боковой стороной другого сектора и содержит первую соединительную часть, а вторая боковая сторона содержит вторую соединительную часть, выполненную с возможностью сопряжения с первой соединительной частью первой боковой стороны другого сектора, причем по меньшей мере одна лопатка имеет отверстие, расположенное на соответствующей наружной поверхности, и внутреннюю полость, находящуюся в проточном сообщении с указанным отверстием, при этом сектор имеет канал, находящийся в проточном сообщении с указанной полостью и расположенный внутри центральной части, при этом первая соединительная часть имеет канавку, по меньшей мере частично окружающую указанный канал, а вторая соединительная часть имеет гребень, по меньшей мере частично окружающий указанный канал и предназначенный для введения в канавку другого сектора.
Первая соединительная часть и вторая соединительная часть расположены на центральной части.
Каждая из указанных первой боковой стороны и второй боковой стороны задает соответствующую плоскость сопряжения, заданную также радиальным направлением и центральной осью сектора.
Вторая соединительная часть имеет выступ, проходящий от плоскости сопряжения второй боковой стороны, а первая соединительная часть имеет выемку, проходящую во внутреннем направлении от плоскости сопряжения первой боковой стороны.
Вторая соединительная часть имеет карман, а первая соединительная часть имеет шпонку, предназначенную для введения в указанный карман с обеспечением скрепления первой соединительной части и второй соединительной части.
Форма шпонки является взаимодополняющей для формы кармана.
Шпонка и карман могут быть расположены на радиально наружной стенке канала.
Лопатки, центральная часть и периферийная часть выполнены за одно целое.
Указанный сектор может иметь дополнительную канавку, расположенную на первой боковой стороне, и дополнительный гребень, расположенный на второй боковой стороне.
Указанные дополнительная канавка и дополнительный гребень расположены на периферийной части.
Сектор может иметь отверстия, которые расположены на первой боковой стороне и второй боковой стороне на периферийной части и каждое из которых выполнено с обеспечением совмещения с отверстиями другого сектора для установки в них соединительного элемента.
Второй аспект настоящего изобретения относится к способу изготовления ступени турбины, включающему использование вышеописанных секторов, соединение указанных секторов с образованием двух половин ступени, и соединение указанных половин для сборки ступени турбины, причем при указанном соединении секторов выполняют сопряжение второй соединительной части, расположенной на второй боковой стороне по меньшей мере одного сектора, с первой соединительной частью, расположенной на первой боковой стороне смежного сектора.
В указанном способе при выполнении сопряжения вводят гребень, расположенный на второй соединительной части, в канавку, расположенную на первой соединительной части.
Дополнительно, при выполнении указанного сопряжения между гребнем и канавкой располагают уплотнительный материал для герметичного соединения двух каналов соответствующих секторов.
Дополнительные подробности и конкретные варианты выполнения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид спереди турбинной ступени, собранной из секторов согласно варианту выполнения данного изобретения,
фиг.2 изображает вид сзади части турбинной ступени, показанной на фиг.1,
фиг.3 изображает вид в аксонометрии сектора для сборки турбинной ступени согласно варианту выполнения данного изобретения, фиг.3а изображает сечение части сектора, показанного на фиг.3,
фиг.4а, 4b, 5а и 5b изображают соответствующие части сектора, показанного на фиг.3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого предмета изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
Ниже приведено подробное описание сектора для сборки ступени турбины со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых указанный сектор обозначен номером 2 позиции. Ступень турбины обозначена номером 1 позиции. В частности, ступень 1 представляет собой ступень паровой турбины. Однако в другом варианте выполнения данного изобретения, не изображенном на чертежах, аналогичное техническое решение может быть применено к ступени газовой турбины.
Ступень 1 имеет центральную ось «А». Относительно оси «А» ступень имеет центральную часть 1b и периферийную часть 1a. Другими словами, часть 1b можно считать внутренней частью ступени 1, тогда как часть 1a можно рассматривать как внешнюю часть ступени 1 относительно оси «А». Поток текучей среды (газа в случае газовой турбины и пара в случае паровой турбины) внутри турбины направлен по существу вдоль центральной оси «А». От оси «А» ступень 1 проходит в наружном направлении, главным образом, в условной плоскости, перпендикулярной оси «А». В данной условной плоскости могут быть заданы радиальные направления «R», каждое из которых лежит в указанной плоскости и пересекает центральную ось «А» ступени 1. Данные радиальные направления «R» используются в качестве базовых в нижеследующем описании.
Ступень 1 содержит лопатки 6. Каждая лопатка 6 проходит в радиальном направлении от центральной части 1b к периферийной части 1a. Кроме того, каждая лопатка 6 имеет наружную поверхность 7, образованную аэродинамической частью, геометрические параметры которой выбирают в зависимости от конкретной области применения.
По меньшей мере одна из лопаток 6, предпочтительно несколько лопаток 6, а еще более предпочтительно все лопатки, имеет отверстие 8, расположенное на наружной поверхности 7. Данные отверстия 8 имеют пазы 25, каждый из которых ориентирован в радиальном направлении вдоль лопатки 6, так что в процессе эксплуатации пазы расположены поперечным образом относительно потока текучей среды. Более того, лопатки 6 также имеют полость 9, расположенную во внутренней области. Другими словами, лопатки 6 являются полыми.
Более подробно, полость 9 проходит вдоль по меньшей мере части радиальной длины лопатки 6, предпочтительно вдоль всей ее радиальной длины. Каждое отверстие 8 также проходит вдоль по меньшей мере части радиальной длины лопатки 6. В контексте данного описания под «радиальной длиной» понимается длина лопатки 6 вдоль радиального направления, а именно направления, перпендикулярного центральной оси «А» ступени 1 и проходящего от указанной оси. Отверстие 8 выполнено с обеспечением проточного сообщения полости 9 с пространством, находящимся снаружи лопатки 6.
В частности, полость 9, расположенная внутри лопатки 6, имеет внутреннюю поверхность 10. Форма внутренней поверхности 10 может быть задана любым образом, известным специалисту в данной области техники, в поперечном направлении лопатки 6. Следует отметить, что, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, лопатки 6, центральная часть 2b и периферийная часть 2а выполнены за одно целое. Другими словами, сектор 2 может быть выполнен за одно целое. В контексте данного описания выполнение сектора 2 «за одно целое» также охватывает любой способ аддитивного производства, при котором небольшие частицы материала сплавляют друг с другом с образованием сектора 2.
Ступень 1 имеет по меньшей мере один канал 5, который может быть расположен на периферийной части 1а и/или центральной части 1b ступени 1. Более подробно, канал 5 может быть расположен в проточном сообщении с внутренней областью турбины, в которой установлена ступень 1. В частности, канал 5 находится в проточном сообщении с полостями 9 лопаток 6.
Сам канал 5 может находиться в проточном сообщении с областью низкого давления (не показана) за пределами турбины. Таким образом, часть потока, проходящего внутри турбины, может быть втянута через отверстия 8 в полости 9, а затем в канал 5 с удалением тем самым жидкого конденсата с наружной поверхности 7 лопаток 6.
Согласно одному варианту выполнения изобретения ступень 1 содержит несколько секторов 2. В частности, каждый сектор 2 с геометрической точки зрения представляет собой круговой сектор, то есть сектор круга или, более точно, кругового кольца. Каждый сектор 2 имеет центральную часть 2b и периферийную часть 2а, а также вышеуказанные лопатки 6. Каждая лопатка 6 прикреплена к центральной части 2b и периферийной части 2а.
Более подробно, сектор 2 имеет гнездо 24, показанное на фиг.5а и 5b. Гнездо 24 проходит вдоль окружного направления. Кроме того, гнездо 24 расположено в центральной части 2b сектора 2 таким образом, что оно обращено к центральной оси «А». Как показано на фиг.5b, канал 5 частично окружает гнездо 24. Гнездо 24 предназначено для размещения уплотнений ротора турбины, в которой может быть установлена ступень 1. Ни уплотнение, ни ротор не показаны на прилагаемых чертежах, поскольку не являются частью изобретения.
В соответствии с фиг.3 сектор 2 имеет первую боковую сторону 16 и вторую боковую сторону 17. Указанные стороны 16, 17 расположены напротив друг друга. Каждая из первой и второй сторон 16, 17 задает соответствующую плоскость сопряжения. Каждая плоскость сопряжения задана соответствующим радиальным направлением «R», обозначенным на фиг.3, и центральной осью «А» сектора 2. Первая сторона 16 выполнена с возможностью соединения со второй стороной 17 другого сектора 1.
В частности, первая сторона 16 содержит первую соединительную часть 18. Вторая сторона 17 содержит вторую соединительную часть 19, которая выполнена с возможностью сопряжения с первой соединительной частью 18 первой стороны 16 другого сектора 1. Другими словами, первая часть 18 и вторая часть 19 имеют взаимодополняющую форму. Фактически, соединительные части 18, 19 предпочтительно выполнены таким образом, что они могут быть скреплены друг с другом с исключением тем самым необходимости сваривания секторов 2. В частности, первая часть 18 и вторая часть 19 расположены на центральной части 2b сектора 2.
Более подробно, вторая соединительная часть 19 имеет выступ 22, проходящий от радиальной плоскости второй стороны 17. Как показано на фиг.5а, выступ 22 имеет клиновидную форму, так что передний участок второй соединительной части 19 можно считать «разрезом» ступени 1 по радиальной плоскости, тогда как заднюю сторону, которая ограничивает выступ 22, можно считать «разрезом» по плоскости, пересекающей радиальную плоскость под углом. Указанный угол пересечения задан с учетом геометрии и ориентации лопаток 6 таким образом, что «разрез» не пересекает лопатки 6.
Первая соединительная часть 18 имеет выемку 21, проходящую во внутреннем направлении от радиальной плоскости первой стороны 16. Как видно из фиг.5а и 5b, форма выемки 21 является взаимодополняющей для формы выступа 22.
Кроме того, для скрепления соединительных частей 18, 19 друг с другом вторая часть 19 имеет карман 29, тогда как первая соединительная часть имеет шпонку 28, предназначенную для введения в карман 29.
В соответствии с фиг.5а и 5b центральная часть 2b сектора 2 имеет радиально наружную стенку 30, на которой непосредственно закреплены лопатки 6. Кроме того, данная стенка 30 частично ограничивает вышеописанный канал 5. Как шпонка 28, так и карман 29 расположены на стенке 30. В частности, карман обращен в радиально наружном направлении, тогда как шпонка 28 выступает от стенки 30 в радиально внутреннем направлении. Шпонка 28 и карман 29 имеют взаимодополняющую форму.
Первая соединительная часть 18 имеет канавку 26, которая по меньшей мере частично окружает канал 5. Аналогичным образом, вторая соединительная часть 19 имеет гребень 27, который по меньшей мере частично окружает канал 5. Фактически, как показано на фиг.5а и 5b, гребень 27 и канавка 26 по существу проходят по периметру канала 5. Гребень 27 выполнен с возможностью введения в канавку 26 другого сектора 2. В процессе сборки между гребнем 27 и канавкой 26 может быть расположен уплотнительный материал, предпочтительно уплотняющая паста, более предпочтительно силикон, для обеспечения герметичного соединения двух каналов 5 соответствующих секторов 2. Благодаря этому преимущественно может быть исключено сваривание указанных секторов 2.
В альтернативном варианте выполнения, не показанном на чертежах, гребень 27 может быть расположен на первой соединительной части 18, при этом канавка 26 расположена на второй соединительной части 19.
Как показано на фиг.4а и 4b, сектор 2 также имеет дополнительную канавку 31, расположенную на первой боковой стороне 16, и дополнительный гребень 32, расположенный на второй боковой стороне 17. Указанные элементы расположены на периферийной части 2а. Дополнительная канавка 31 и дополнительный гребень 32 окружают канал 5, расположенный в периферийной части 2а, таким же образом, как вышеописанные гребень 27 и канавка 26 окружают канал 5, расположенный в центральной части 2b.
На сторонах 16, 17 сектора 2, в частности на части 2а, расположены два отверстия 33. Каждое из указанных отверстий выполнено с обеспечением совмещения с соответствующим отверстием 33 другого сектора 2. Таким образом, в отверстия 33 может быть введен соединительный элемент (не показан на чертежах), предпочтительно болт, для скрепления смежных секторов 2.
Следует отметить, что согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения ступень 1 содержит четыре сектора 2, угловая апертура каждого из которых составляет 90º относительно центральной оси «А». Возможны другие варианты выполнения, содержащие другое количество секторов 2, имеющих другие угловые апертуры.
Другой вариант выполнения данного изобретения относится к способу изготовления ступени 1 турбины. Данный способ включает этапы создания секторов 2, описанных выше. Затем сектора 2 соединяют друг с другом с образованием двух половин 20 ступени.
В частности, на этапе соединения секторов 2 выполняют сопряжение второй соединительной части 19, расположенной на второй боковой стороне 17 по меньшей мере одного сектора, с первой соединительной частью 18, расположенной на первой боковой стороне 16 смежного сектора 2. Предпочтительно таким образом соединяют все сектора, образующие отдельную половину 20 ступени.
Кроме того, гребень 27, расположенный на второй соединительной части 19, вводят в канавку 26 первой соединительной части 18. Аналогичным образом, дополнительный гребень 32 вводят в дополнительную канавку 31. При выполнении данного этапа между гребнем 27 и канавкой 26 и между дополнительным гребнем 32 и дополнительной канавкой 31 располагают уплотнительный материал. Таким образом, части каналов 5 соответствующих секторов 2 могут быть соединены герметичным образом без выполнения сварки.
Путем соединения двух половин 30 может быть собрана вышеописанная ступень 1.