Регулирующая ступень турбомашины

Регулирующая ступень турбомашины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. РЕГУЛИРУКЩАЯ СТУПЕНЬ ТУРБОМАШИНЫ, преимущественно паровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закреплвннь1е в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках, отличающаяся тем, что, с целью повышения вибрационной надежности рабочих лопаток, сопловые лопатки на границах сегментов вьшолнены с высотой меньшей, чем в средней части сегментов , а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения jf ,m+i:a f , где m - число лопаток с меньшей высотйй на каждой границе сегмента; 1 - порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитьгеаемой от каждой границы сегмента . уменьшенная высота -и лопатки; е постоянная высота лопаток в средней части сегмента, при этом Umi5,t$m. 00 о о. о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

0% (И) 3| ю F 01 D 9/02 5/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛБСТВУ (21) 3476367/24-06 (22) 28.06.82 (46) 15.07.84. Бюл. Г| 26 (72) В.К.Рыжков, Ю.Н.Неженцев, Е.Д.Консон, О.Г.Вассерберг, С.А.Масной и К.Н.Боришанский (71) Производственное объединение турбостроения "Ленинградский металлический завод" (53) 621. 165 (088. 8) (56) 1. Щегляев А.В. Паровые турбинв|, М., "Энергия", 1976, с. 236.

2. Щегляев А.В. Паровые турбины, М., "Энергия", 1976, с. 240. (54)(57) 1. РЕГУЛИРУКМЦАЯ СТУПЕНЬ

ТУРБОМАШИНЫ, преимущественно паровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток,,установленные в сопловых коробках, о т л и ч а ю .— щ а я с я тем, что, с целью повышения вибрационной надежности рабочих лопаток, сопловые лопатки на границах сегментов выполнены с высотой меньшей, чем в средней части сегментов, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения

Е; ш+1--, -- =(— -), Р где m — число лопаток с меньшей высотой на каждой границе сегмента; — порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитывае-, мой от каждой границы сегмента; 3

, — уменьшенная высота, -й лопатки;

E — - постоянная высота лопаток в средней части сегмента, при этом 14пФ5, j à cm. Я

1103000

2. Ступеньпоп. 1, отличаю щ а я с я тем, что расстояние Ь между соседними сегментами определяется из соотношения

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано преимущественно в паровых турбинах.

Известна дроссельная система парораспределения для регулирования расхода рабочего тела (для паровой турбины — расхода пара) с помощью одного или нескольких регулирующих клала нов, причем после прохождения клапа- 10 нов рабочее тело направляется одновременно ко всем равномерно расположенным по окружности сопловым лопаткам,.а затем к рабочим лопаткам турбины (11 .

Недостатком такой дроссельной системы парораспределения является снижение экономичности турбины при частичных нагрузках из-за дополнитель" ных потерь в неполйостью открытых 2{> регулирующих клапанах.

Известна также регулирующая ступень турбомашины, преимущественно паровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, 2 и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках. Это так называемое сопловое парораспределение, при котором пар от каждого из регулирующих клапанов подводится ЗО к самостоятельному, не связанному с другими, сегменту сопловых лопаток, причем открытие клапанов производится постепенно, по мере возрастания мощности турбины. Сопловые лопатки, принадлежащие различным сегментам, расположены последовательно по окружности на одном и том же ра. диусе, в результате чего рабочие лопатки при вращении ротора проходят 4О поочередно мимо сопловых лопаток pàçличных сегментов. Потери в регулирующих клапанах в случае соплового парораспределения оказываются значи жльно меньшими, чем при дроссельно 4 парораспределении (21 . (а 0,6 а а(а-0,4), b где t — шаг сопловых лопаток; а — целое число, при этом 1=9= 10, Однако при сопловом парораспределении оказываются более тяжелыми условия эксплуатации вращающихся рабочих лопаток, проходящих поочередно то мимо сегментов сопловых лопаток, в которые пар подается, то мимо сегментов, s которые пар не поступает. В результате рабочие лопатки подвергаются значительным переменным во времени усилиям, обусловленным поочередной нагрузкой и разгружением лопаток при прохождении мимо различных сегментов. Так как время нагружения и разгрузки рабочих лопаток весьма мало, то в них могут возникнуть значительные динамические напряжения, приводящие в некоторых случаях к усталостным поломкам лопаток регулирующей ступени. Для повышения вибрационной надежности рабочие лопатки соединяются в пакеты, что приводит к возрастанию времени нагружения и разгрузки и, тем самым, к снижению уровня динамических напряжений в лопатках. Кроме того, динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени возникают и из-за неравномерности потока пара, создаваемой потенциальными воз.мущениями и вязкими следами сопловых лопаток. Возникающие при этом максИмальные Ilo величине возмущающие силы, действующие на рабочие лопатки, имеют частоты, близкие к n,,где п —частота вращения турбины; z — число сопловых лопаток (условное), которое разместилось бы по окружности при установке с равномерным шагом (t), равным фактическому шагу сопловых лопаток.

Цель изобретения — повышение вибрационной надежности рабочих лопаток регулирующей ступени турбомашины.

Указанная цель достигается тем, что в регулирующей ступени турбомаши.э 1103000 ны, преимущественно паровой турбины, содержащей рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках, сопловые лопатки на границах сегментов выполнены с высотой меньшей, чем в средней части сегментов, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения где m — - число лопаток с меньшей высотой на каждой границе сегмея15 та; 1 — порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитываемой -от каждой границы сегмента;

1 в уменьшенная высота (-й лопаткин

3 — постоянная высота лопаток в средней части сегмента, при этом 1"m 5 j < m.

j ° 25

Расстояние 4 между соседними сегментами определяется из соотношения (а-0, 6) а Ъ и (а-0, 4), где t — шаг сопловых лопаток; а — целое число, при этом 1< аа10.

На фиг. 1 изображен один из сег 30 ментов регулирующей ступени, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А сегмента с шагами сопловых лопаток, равными t ; на фиг.3— то же, с одной лопаткой уменьшенной высоты на каждой границе; на фиг.4. то же, с шагами сопловых лопаток t"

1, Э отличными от t на фиг. 5 — то же, с двумя лопатками уменьшенной высоты на каждой границе; яа фиг. 6 — попе- 40 речный разрез двух соседних сегментов; на фиг. 7 — зависимость относительной величины возмущающей силы от расстояния между сегментами.

Регулирующая ступень турбомашины 45 содержит рабочие лопатки 1, закрепленные в диске 2 ротора 3, и сегменты 4 сопловых лопаток 5, установленные в сопловых коробках. Перед сегментами 4 установлен регулирующий клапан. Сопловые лопатки на границах сегментов 4 выполнены меньшей высоты, чем высота лопаток 5 в средней части сегментов 4, а изменение высоты зоны лопаток определяется из 55 соотношения

К -в+1 а (— -)

Я где m — число лопаток с меньшей высотой на каждой границе сег мента 4; — порядковый номер лопатки с меньшей высотой, отсчитываемой от каждой границы сегмента 4; ; — уменьшенная высота i -й сопловой лопатки; — постоянная высота сопловых лопаток 5 в средней части сегментов, при этом 16ш- 5,i ь m.

Сегменты расположены друг от дру. га на расстоянии b, определяемом соотношением (а-0,6),Ьc(a-0 4) .. где t — шаг сопловых лопаток; а — целое число, причем 1<аа10.

Сопловые лопатки в сегментах 4 установлены с различными шагами, при. чем разница в величинах шагов g t определяется соотношением

at S+1 г где S — - число сегментов 4;

z — общее число сопловых лопаток ступени при установке их с одинаковым шагом й..

Регулирующая ступень турбомашины (паровой турбины) работает следующим образом.

При вращении ротора 3 турбины рабочие лопатки 1 поочередно проходят то мимо сегментов 4, в которые пар поступает, то мимо других сегментов 4, в которые пар не подается

Рабочие лопатки 1 подвергаются при . этом переменным во времени усилиям, вызывающим в них динамические напряжения. Снижение. уровня динамических напряжений в рабочих лопатках 1 и по вышение вибрационной надежности данной регулирующей ступени объясняются следующими причинами.

При выборе меньшей высоты сопловых лопаток на границах сегментов нагружение и разгрузка рабочих лопаток происходит медленнее, что приводит к повышению их вибрационной надежности. Это объясняется тем, что динамические напряжения в рабочих лопатках пропорциональны напряжениям парового изгиба и уменьшаются при возрастании времени нагружения и разгрузки.

Так как напряжения парового изгиба в рабочих лопатках пропорциональны квадрату высоты сопловых лопаток, то при меньших высотах сопловых ло1103000

30 паток на границах сегментов время полного нагружения и разгрузки рабочих лопаток возрастет. Например, и «О при условии - - = — э = ь ... =39

„Я Z 5 где e,, e, eq — высота соответственно,первой второй, третьей сопловых лопаток на границах сегментов: постоянная высота сопловых лопаток

10 в средней части сегментов, нагрузка на рабочие лопатки эа время прохождения первого шага сопловых лопаток возрастает до 1/2 от номинальной (сегмент 4 на фиг. 3), а при условии — - —, — =ч-, 4 = a= е,у е = Ь нагрузка за время йрохождения первого шага возрастает до 1/3, а второго шага — до 2/3 от номинальной (сегмент 4 на фиг. 5). В общем слу20

m+1 г чае если -- = (—.-), где m — число

Ф е лопаток с меньшей высотой на каждой

= .=е границе сегмента ю ="m 2

25 то нагрузка на рабочие лопатки эа время прохождения первого шага сопловых лопаток составляет

2 — от номинальной, второго шага — "

m m и т.д.

Динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени при резонансных колебаниях 1 тона определяются формулой

1 8 S 35

d =11+- - — —.— — )б, (1)

k3 K(j+0,5)) где k — число колебаний рабочей лопатки эа оборот ротора турбины;

5 — декремент колебаний;

S — число сегментов сопловых лопаток; — число целых колебаний рабочей лопатки за время нагружения или разгрузки;

45 „ — напряжения парового изгиба в рабочих .лопатках.

Так как при колебаниях рабочих лопаток регулирующей ступени величина декремента может быть весьма мала 50 (о 0,01-0,02), то второе слагаемое в формуле (1) много больше первого и именно оно определяет величину динамических напряжений. Поэтому увеличение времени нагружения и разгрузки сопрбвождается возрастанием величины j и в соответствии с формулой (1) приводит к снижению уровня динамических напряжений в рабочих лопатках.

Дополнительное снижение динамических напряжений в рабочих лопатках достигается выбором рационального расстояния между сегментами, обеспечивающим сдвиг по фазе и частичную компенсацию возмущающих сил с частотами.f"-nz, действующих на рабочие лопатки от сопловых лопаток, расположенных в разных сегментах.

Зависимость относительной амплитуды возмущающей силы (Ро,„, ) от расстояния (Ъ) между сегментами, показанными на фиг. 6, в случае открытия всех регулирующих клапанов и при одинаковых расстояниях между сегментами приведена на фиг. 7. Как видно из фиг. 7,,если расстояние между сегментами заключено в диапазоне (а-0,6)g» (a-0,4), где а — целое

Ь число, то относительная величина возмущающих сил с частотами f"nz уменьшается на 25-357 по сравнению со слуЬ чаем — =а.

Дополнительное снижение уровня динамических напряжений в рабочих лопатках достигается также и за счет выбора различных шагов сопловых лопаток в сегментах, т.е., например, при условии t 4t, где t и t" шаги сопловых лопаток в сегментах на фиг. 2 и 4. В том случае, когда шаги сопловых лопаток во всех S сегментах различны, амплитуды возмущающих сил с частотами f nz могут быть уменьшены по ти в S раэ за счет увеличения числа отличных от нуля гармоник возмущающих сил.

1103000

073

0,2

Рие 7

Составитель В.Гуторов

Редактор И.Касарда Техред Т.Маточка Корректор И.Муска

Заказ 4923/26 Тираж 502 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óærîðîä, ул.Проектная, 4