RU2173780C1 - Turbine stage guide blade - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; turbines. SUBSTANCE: turbine stage guide blade has leading and trailing edges, surface with convex and concave sides, step located along blade height at convex side of surface and pointed towards trailing edge. Step is made in upper half of blade height at a distance from leading edge equal to 30-80% of blade width. EFFECT: improved reliability of operation of wet-steam stage by intensification of breaking and acceleration of moisture large-size dispersed particles before working blade. 4 dwg

Description

Изобретение относится к турбиностроению и может быть использовано в диафрагмах влажнопаровых ступеней турбин. The invention relates to turbine engineering and can be used in diaphragms of wet-steam stages of turbines.

Известна полая направляющая лопатка влажнопаровой ступени турбины, имеющая входную кромку и поверхность с выпуклой и вогнутой сторонами, щели на выпуклой и вогнутой поверхностях для отвода влаги в полость лопатки (Г.А. Филиппов, О. А. Поваров. Сепарация влаги в турбинах АЭС, М., Энергия, 1980, с. 143, рис. 4-6). Недостатком известной направляющей лопатки является то, что щели снижают жесткость и прочность лопаток, а необходимость вывода влаги из диафрагмы усложняет конструкцию. Known hollow guide vane of a wet-steam stage of a turbine, having an input edge and a surface with convex and concave sides, slots on the convex and concave surfaces for removing moisture into the cavity of the blade (G.A. Filippov, O. A. Povarov. Moisture separation in turbines of nuclear power plants, M., Energy, 1980, p. 143, Fig. 4-6). A disadvantage of the known guide vanes is that slots reduce the stiffness and strength of the vanes, and the need to remove moisture from the diaphragm complicates the design.

Известна направляющая лопатка влажнопаровой ступени турбины, имеющая входную кромку и поверхность с выпуклой и вогнутой сторонами, уступ на поверхности, расположенный вдоль высоты лопатки. Уступ выполнен на вогнутой поверхности возле выходной кромки и обращен в сторону входной кромки. Вдоль основания уступа выполнены сквозные отверстия между выпуклой и вогнутой сторонами поверхности, снабженные штуцерами, выведенными в поток над выпуклой поверхностью (А.С. СССР N 1121467, МПК: F 01 D 25/32). Known guide blade of a wet-steam stage of a turbine having an input edge and a surface with convex and concave sides, a ledge on the surface located along the height of the blade. The step is made on a concave surface near the outlet edge and faces the inlet edge. Along the base of the ledge, through holes are made between the convex and concave sides of the surface, equipped with fittings discharged into the stream above the convex surface (AS USSR N 1121467, IPC: F 01 D 25/32).

Это решение имеет следующие недостатки:
- не распыляется влага, текущая по выпуклой стороне, где ее гораздо больше, чем на вогнутой; в результате пленка срывается с выходной кромки с образованием крупнодисперсной влаги - капель, имеющих скорость, гораздо меньшую, чем у потока пара; эти капли приходят на последующие рабочие лопатки с большими скоростями соударения и с большими углами атаки, вызывая ускоренный эрозионный износ лопаток;
- расположение штуцеров практически в минимальном сечении (горле) межлопаточных каналов увеличивает аэродинамические потери и снижает КПД ступени, а кроме того, увеличивает динамические усилия на рабочие лопатки из-за возникновения вихревых областей за штуцерами;
- недостаточная надежность и ремонтопригодность конструкции.This solution has the following disadvantages:
- the moisture flowing along the convex side is not sprayed, where it is much larger than on the concave side; as a result, the film breaks off the output edge with the formation of coarse moisture - drops having a speed much lower than that of the steam stream; these drops come on subsequent working blades with high impact speeds and with large angles of attack, causing accelerated erosion wear of the blades;
- the location of the fittings in almost the minimum section (throat) of the interscapular canals increases aerodynamic losses and reduces the efficiency of the stage, and in addition, increases the dynamic forces on the working blades due to the occurrence of vortex regions behind the fittings;
- lack of reliability and maintainability of the design.

Известна направляющая лопатка ступени турбины, включающая входную и выходную кромки, поверхность с выпуклой и вогнутой сторонами, уступ, расположенный вдоль высоты лопатки на выпуклой стороне поверхности и обращенный в сторону выходной кромки. Уступ расположен вблизи входной кромки и образует вихревую камеру, снижающую профильные потери в решетке (М.Е. Дейч. Газодинамика решеток турбомашин, М., Энергоатомиздат, 1996, стр. 317, рис. 8.17). Known guide vanes of the turbine stage, including the input and output edges, a surface with convex and concave sides, a ledge located along the height of the blade on the convex side of the surface and facing the output edge. The ledge is located near the entrance edge and forms a vortex chamber, which reduces profile losses in the grating (M.E. Deich. Gasdynamics of gratings of turbomachines, M., Energoatomizdat, 1996, p. 317, Fig. 8.17).

По совокупности признаков это решение является наиболее близким к предложенному и принимается за прототип. By the totality of the features, this solution is the closest to the proposed one and is taken as a prototype.

Недостатками известной направляющей лопатки при использовании ее для дробления и разгона влаги в направляющих каналах влажнопаровых ступеней является то, что выполнение уступа вблизи входной кромки не обеспечивает достаточно эффективное дробление и разгон капель, а также что не оговорено, какую зону по высоте лопатки занимает уступ; в то же время практически бесполезно выполнять его в нижней половине высоты, где и количество влаги, содержащейся в пленке, и скорость ее соударения с рабочей лопаткой малы. The disadvantages of the known guide vanes when used for crushing and dispersing moisture in the guide channels of wet-steam steps is that the step near the inlet edge does not provide sufficiently effective crushing and acceleration of the droplets, and that it is not specified which zone along the height of the blade occupies the ledge; at the same time, it is practically useless to perform it in the lower half of the height, where both the amount of moisture contained in the film and the speed of its collision with the working blade are small.

Заявленное решение позволяет повысить надежность работы влажнопаровой ступени турбины путем интенсификации дробления и разгона крупнодисперсной влаги перед рабочей лопаткой. The claimed solution allows to increase the reliability of the wet-steam stage of the turbine by intensifying crushing and dispersing coarse moisture in front of the working blade.

Расположение уступа на расстоянии 30-80% от ширины лопатки по выпуклой стороне от входной кромки позволяет сбросить с лопатки большую часть влаги, т.к. ~65% крупных капель осаждается на лопатке до этой зоны, а также обеспечить наиболее интенсивное дробление и разгон капель, что приводит к уменьшению относительной скорости входа капель на последующие рабочие лопатки и, как следствие, к уменьшению эффекта от соударения капель с ними. The location of the ledge at a distance of 30-80% of the width of the blade on the convex side of the inlet edge allows you to dump most of the moisture from the blade, because ~ 65% of large droplets are deposited on the blade to this zone, as well as to ensure the most intense fragmentation and dispersal of the droplets, which leads to a decrease in the relative rate of droplet entry onto subsequent working blades and, as a result, to a decrease in the effect of droplets colliding with them.

Расположение уступа вдоль верхней половины высоты уменьшает трудоемкость изготовления и является вполне достаточным, поскольку, во-первых, именно в этой зоне осаждается основная часть влаги ,а во-вторых, скорость соударения влаги с рабочей лопаткой в нижней половине ее высоты мала. Кроме того, сброс влаги с выпуклой стороны в указанной зоне обеспечивает отсутствие пленки почти по всей выпуклой стороне и как следствие уменьшение конденсации пара на вогнутой стороне, обусловленной теплоотводом поперек лопатки от вогнутой стороны к выпуклой. The location of the ledge along the upper half of the height reduces the complexity of manufacturing and is quite sufficient, because, firstly, it is in this zone that the main part of the moisture is deposited, and secondly, the rate of impact of moisture with the working blade in the lower half of its height is small. In addition, the discharge of moisture from the convex side in the specified zone ensures the absence of a film along almost the entire convex side and, as a consequence, the reduction of steam condensation on the concave side due to heat removal across the blade from the concave side to the convex side.

Направляющая лопатка пригодна для внедрения не только на новых турбинах, но и на эксплуатируемых - достаточно во время ремонта выфрезеровать уступ лишь на части высоты лопатки. The guide vane is suitable for introduction not only on new turbines, but also on operating ones - during the repair it is enough to mill the ledge only to a part of the blade height.

Предложена направляющая лопатка ступени турбины, включающая входную и выходную кромки, поверхность с выпуклой и вогнутой сторонами, уступ, расположенный вдоль высоты лопатки на выпуклой стороне поверхности и обращенный в сторону выходной кромки. Уступ выполнен в верхней половине высоты лопатки на расстоянии от входной кромки, составляющем 30-80% от ширины лопатки. A guide vane for a turbine stage is proposed, including the input and output edges, a surface with convex and concave sides, a ledge located along the height of the blade on the convex side of the surface and facing the output edge. The step is made in the upper half of the blade height at a distance from the inlet edge of 30-80% of the blade width.

Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых изображены:
На фиг. 1 - направляющая лопатка ступени турбины;
На фиг. 2 - график, иллюстрирующий влияние положения уступа на основные параметры, определяющие эрозионный износ;
На фиг. 3 - схема движения эрозионно-опасной влаги перед лопаткой (а) и распределение осевшей влаги по ее поверхности (б); Фиг. 2 и 3 построены по данным ЦКТИ;
На фиг. 4 - влияние разгона капель на скорость и направление их соударения с поверхностью рабочих лопаток.The invention is illustrated by drawings, which depict:
In FIG. 1 - guide blade of the turbine stage;
In FIG. 2 is a graph illustrating the effect of the step position on the main parameters that determine erosion wear;
In FIG. 3 is a diagram of the movement of erosive moisture in front of the blade (a) and the distribution of settled moisture along its surface (b); FIG. 2 and 3 are constructed according to the CCTI;
In FIG. 4 - the effect of acceleration of droplets on the speed and direction of their impact with the surface of the blades.

Направляющая лопатка ступени турбины включает входную кромку 1, выходную кромку 2 и поверхность с выпуклой 3 и вогнутой 4 сторонами, уступ 5 высотой h на выпуклой 3 стороне, расположенный вдоль высоты H лопатки. Уступ 5 выполнен в верхней половине высоты H лопатки на расстоянии Z от входной кромки 1, равном 30-80% от ширины B лопатки. Уступ обращен в сторону выходной кромки 2. The guide blade of the turbine stage includes an input edge 1, an output edge 2 and a surface with a convex 3 and concave 4 sides, a step 5 of height h on the convex 3 side, located along the height H of the blade. The step 5 is made in the upper half of the blade height H at a distance Z from the inlet edge 1 equal to 30-80% of the blade width B. The ledge faces toward the outlet edge 2.

Уступ можно выполнить на направляющих лопатках при изготовлении или при ремонте турбины путем выфрезеровки небольшого участка по выпуклой стороне 3 поверхности (фиг. 1). Высота h уступа 5 составляет не более 20% от толщины Δ лопатки и сходит на нет на нижней его границе (фиг. 1). Поскольку высота h уступа 5 мала, то и масса удаляемого металла невелика, поэтому нет опасности уменьшения жесткости и прочности лопатки. The step can be made on the guide vanes during the manufacture or repair of the turbine by milling a small area along the convex side 3 of the surface (Fig. 1). The height h of the step 5 is not more than 20% of the thickness Δ of the blade and disappears at its lower border (Fig. 1). Since the height h of the ledge 5 is small, then the mass of the removed metal is small, so there is no danger of reducing the stiffness and strength of the blade.

На фиг. 4 показано влияние относительного удаления z/B уступа от входной кромки 1 на среднемассовый диаметр капель

на абсолютную скорость капель

(построена обратная величина,

, на скорость соударения с последующей рабочей лопаткой

и на скорость износа стеллитовой защиты рабочих лопаток

рассчитываемом по экспериментально апробированной методике (Поддубенко В.В., Яблоник Р.М. Труды ЦКТИ вып. 196, 1982 г., с. 91-94). Все параметры безразмерны, то есть отнесены к значениям при отсутствии уступа и сходе пленки с выходной кромки 2. Минимальные значения параметров, влияющих на эрозионный износ, достигаются при расположении уступа на расстоянии z/B - 0,3-0,8, то есть на 30-80% от ширины B лопатки от входной кромки 1. В этом случае размеры капли приблизительно в 1,3-1,5 раза меньше, а скорость капли в 1,8-2,0 раза больше. При минимальной величине

сама абсолютная скорость капель

максимальна, что тоже является благоприятным фактором. Чем больше скорость капель, тем ближе она к скорости пара C_п и тем меньше угол атаки капель на последующие рабочие лопатки и меньше скорость соударения V_к с лопатками (фиг. 3).In FIG. Figure 4 shows the effect of the relative distance z / B of the step from the inlet edge 1 on the mass average droplet diameter

absolute drop rate

(the reciprocal is plotted,

, on the speed of collision with the subsequent working blade

and the wear rate of stellite blades

calculated by the experimentally tested methodology (Poddubenko V.V., Yablonik R.M. Proceedings of the CCTI, issue 196, 1982, pp. 91-94). All parameters are dimensionless, that is, they are referred to the values in the absence of a step and the film is off the output edge 2. The minimum values of the parameters affecting erosion wear are achieved when the step is located at a distance z / B of 0.3-0.8, i.e. 30-80% of the width B of the blade from the inlet edge 1. In this case, the size of the droplet is approximately 1.3-1.5 times smaller and the droplet speed 1.8-2.0 times greater. At the minimum value

absolute drop velocity itself

maximum, which is also a favorable factor. The higher the droplet velocity, the closer it is to the vapor velocity C _p and the smaller the angle of attack of the droplets on subsequent working blades and the lower the collision velocity V _k with the blades (Fig. 3).

Таким образом, оптимальное расположение уступа 5 (на 30-80% от ширины лопатки от входной кромки 1) обеспечивает максимальный эффект. Это же относится к расположению уступа в верхней половине высоты лопатки, где осаждается основная часть влаги. Thus, the optimal location of the ledge 5 (30-80% of the width of the blades from the input edge 1) provides the maximum effect. The same applies to the location of the ledge in the upper half of the height of the scapula, where most of the moisture is deposited.

При работе влажнопаровой ступени турбины характерны удары крупных капель по выпуклой стороне 3 направляющих лопаток, особенно для верхней половины высоты лопатки (фиг. 2-а). Сплошными линиями показаны траектории капель с диаметром d > 40 мкм, пунктиром - d < 20 мкм. При этом на входную кромку 1 и выпуклую сторону 3 лопатки осаждается основное количество влаги, а на вогнутую сторону 4 - меньшее. В целом на выпуклой стороне 3 осаждается около 65% влаги, а на вогнутой - около 20% и лишь 15% остается в потоке (фиг. 2-б). Влага собирается в пленку, текущую по лопатке. Поскольку на выпуклой стороне 3 выпадает втрое больше влаги, чем на вогнутой 4, то именно пленка на выпуклой стороне 3 представляет основную эрозионную опасность для последующих рабочих лопаток. Уступ 5, расположенный на выпуклой стороне 3, обеспечивает срыв, распыление и разгон влаги (схема фиг. 3), поэтому основная часть пленки не доходит до выходной кромки 2 в конце выпуклой стороны 3. Влага, сброшенная с уступа, разгоняется основным потоком пара до скорости C_к1, большей, чем скорость C_к2 влаги, сходящей с выходной кромки 2 и разгоняемой в кромочном следе, где скорость пара меньше. Поэтому относительная скорость входа V_к1 на рабочие лопатки (скорость соударения) этих капель будет меньше, чем скорость V_к2 капель, движущихся в следе.During the operation of the wet-steam stage of the turbine, large drops are struck on the convex side of 3 guide vanes, especially for the upper half of the height of the blade (Fig. 2-a). The solid lines show the trajectories of droplets with a diameter d> 40 μm, and the dashed line d <20 μm. In this case, the main amount of moisture is deposited on the inlet edge 1 and the convex side 3 of the scapula, and less is deposited on the concave side 4. In general, about 65% of the moisture is deposited on the convex side 3, and about 20% on the concave side, and only 15% remains in the stream (Fig. 2-b). Moisture is collected in a film flowing along the scapula. Since three times more moisture falls out on the convex side 3 than on the concave 4, it is the film on the convex side 3 that represents the main erosion hazard for subsequent blades. The ledge 5, located on the convex side 3, provides a breakdown, spraying and dispersal of moisture (diagram of Fig. 3), so the main part of the film does not reach the output edge 2 at the end of the convex side 3. The moisture discharged from the ledge is accelerated by the main steam flow to speed C _k1 greater than the speed C _{k2 of} moisture coming down from the output edge 2 and accelerated in the edge wake, where the steam speed is less. Therefore, the relative velocity of the entrance V _k1 to the working blades (collision velocity) of these drops will be less than the velocity V _{k2 of the} droplets moving in the wake.

Здесь C_п и V_п - абсолютная и относительная скорости пара.Here C _p and V _p - absolute and relative velocity of the vapor.

Сброс влаги с уступа 5 обеспечивает отсутствие пленки почти по всей выпуклой стороне 3. В результате уменьшится конденсация пара и на вогнутой стороне 4 из-за меньшего теплоотвода поперек лопатки от вогнутой стороны 4 к выпуклой 3. Теплоотвод обусловлен разностью температур вогнутой и выпуклой поверхностей лопатки, так как локальная температура их участков близка к температуре насыщения, определяемой локальными значениями давления. Так как давление на выпуклой стороне ниже, чем у вогнутой поверхности 4, теплоотвод от вогнутой поверхности вызывает конденсацию влаги и образование пленки на ней за счет испарения пленки с выпуклой поверхности 3. При отсутствии пленки на выпуклой поверхности интенсивность конденсации на вогнутой поверхности резко падает. Moisture discharge from the step 5 ensures the absence of a film along almost the entire convex side 3. As a result, the condensation of the vapor on the concave side 4 also decreases due to the lower heat removal across the blade from the concave side 4 to the convex 3. The heat sink is caused by the temperature difference between the concave and convex surfaces of the blade, since the local temperature of their sections is close to the saturation temperature determined by local pressure values. Since the pressure on the convex side is lower than that of the concave surface 4, heat removal from the concave surface causes moisture condensation and film formation on it due to evaporation of the film from the convex surface 3. In the absence of a film on the convex surface, the condensation intensity on the concave surface drops sharply.

Claims (1)

Направляющая лопатка ступени турбины, включающая входную и выходную кромки, поверхность с выпуклой и вогнутой сторонами, уступ, расположенный вдоль высоты лопатки на выпуклой стороне поверхности и обращенный в сторону выходной кромки, отличающаяся тем, что уступ выполнен в верхней половине высоты лопатки на расстоянии от входной кромки, составляющем 30-80% от ширины лопатки. The guide vane of the turbine stage, including the input and output edges, the surface with convex and concave sides, a ledge located along the height of the blade on the convex side of the surface and facing the output edge, characterized in that the ledge is made in the upper half of the height of the blade at a distance from the input edges, comprising 30-80% of the width of the scapula.

Images