RU2290516C1 - Steam turbine exhaust duct - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention can be used at designing and modification of low-pressure cylinders of steam turbines of thermal and nuclear power stations. Proposed exhaust duct of steam turbine contains manifold arranged after blades of last stage in root zone and connected to source of cooling steam and communicating with turbine blading through ring slot with guide assembly imparting tangential speed component to cooling steam in direction of rotation of working blades, optimum length of vanes of guide assembly being b=mL[5,2+20,81g(εP₀/P_B)]^-1 where b is length of vanes of guide assembly; m is relative extent of section of working blade trailing edges; L is length of working blades of last stage; ε is critical ratio of pressure of steam flowing out of guide assembly; P₀ is steam pressure in manifold; P_B is steam pressure in exhaust duct. Moreover, guide assembly is arranged at a distance not less than 0.22 mL from trailing edges of working blades of last stage in root section, angle of outlet α of guide assembly does not exceed 8°, step is made on convex surface of vanes from trailing edge to narrow section of vane channel with maximum depth in narrow section h=0,3tsinα where h is depth of step in narrow section; t is pitch of vanes of guide assembly; α is outlet angle of guide assembly.

EFFECT: improved reliability and increased economy of low pressure part at low consumption owing to effective cooling of last stage and exhaust duct, reliable erosion protection of trailing edges of working blades and reduced consumption of steam for cooling.

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при конструировании и модернизации цилиндров низкого давления паровых турбин тепловых и атомных электростанций.The invention relates to the field of power engineering and can be used in the design and modernization of low-pressure cylinders of steam turbines of thermal and nuclear power plants.

При работе паровых турбин на малорасходных режимах (режимы пуска, холостого хода и с большими тепловыми нагрузками) происходит нагрев цилиндра низкого давления в результате тепловентиляционных потерь, что обусловливает необходимость охлаждения последней ступени и выхлопного патрубка.When steam turbines operate at low flow rates (start-up, idle, and with high heat loads), the low-pressure cylinder is heated as a result of heat ventilation losses, which necessitates cooling of the last stage and exhaust pipe.

Известен выхлопной патрубок паровой турбины, содержащий расположенный за рабочими лопатками в прикорневой зоне и подключенный к источнику охлаждающего пара коллектор из двух отсеков с кольцевой щелью, причем щель ближнего к рабочим лопаткам отсека оснащена направляющим аппаратом, придающим охлаждающему пару тангенциальную составляющую скорости в сторону вращения рабочих лопаток (RU 1041712, МПК F 01 D 25/12, опубл. 15.09.1983).Known exhaust pipe of a steam turbine, containing located behind the blades in the root zone and connected to the source of cooling steam collector from two compartments with an annular gap, and the slot closest to the working blades of the compartment is equipped with a guide apparatus that imparts a tangential velocity component to the cooling pair in the direction of rotation of the blades (RU 1041712, IPC F 01 D 25/12, publ. 15.09.1983).

Недостатком известного технического решения является наличие в этом устройстве двух отсеков коллектора, закрученная в сторону вращения ротора кольцевая струя одного из которых предназначена для охлаждения рабочих лопаток последней ступени, следовательно, и выхлопного патрубка, а радиальная струя другого отсека коллектора - для предотвращения эрозионных повреждений выходных кромок лопаток проникающей из выхлопного патрубка крупнодисперсной влагой.A disadvantage of the known technical solution is the presence of two collector compartments in this device, the ring jet of one of which is designed to cool the rotor blades of the last stage, and therefore the exhaust pipe, and the radial stream of the other compartment of the collector prevents erosion of the output edges blades penetrating from the exhaust pipe coarse moisture.

Известен выхлопной патрубок паровой турбины, содержащий расположенный за лопатками в прикорневой зоне и подключенный к источнику охлаждающего пара коллектор, сообщенный с проточной частью турбины через кольцевую щель, оснащенную направляющим аппаратом, придающим охлаждающему пару тангенциальную составляющую скорости в сторону вращения рабочих лопаток. Причем, направляющий аппарат выполнен так, чтобы направление истечения пара из него проходило за пределами конуса, окружность одного из оснований которого описывается периферийными точками выходных кромок рабочих лопаток последней ступени, а окружность другого основания - ближайшими к рабочим лопаткам точками выходных кромок лопаток направляющего аппарата (RU 2113597, МПК F 01 D 25/12, опубл. 20.06.1998).An exhaust pipe of a steam turbine is known, comprising a collector located behind the blades in the root zone and connected to a source of cooling steam, connected to the turbine flow part through an annular slot equipped with a guide device that imparts a tangential velocity component to the cooling pair in the direction of rotation of the working blades. Moreover, the guiding apparatus is made so that the direction of the steam flowing out of it passes outside the cone, the circumference of one of the bases of which is described by the peripheral points of the outlet edges of the blades of the last stage, and the circumference of the other base, by the points of the outlet edges of the blades of the guiding apparatus closest to the blades (RU 2113597, IPC F 01 D 25/12, publ. 06/20/1998).

Это известное устройство является наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемому по совокупности признаков и принято за прототип.This known device is the closest device of a similar purpose to the proposed combination of features and is taken as a prototype.

Недостатком известного технического решения является то, что оно, предназначенное для охлаждения преимущественно выхлопного патрубка, не обеспечивает эффективного охлаждения последней ступени, генерирующей тепловентиляционные потоки, нагревающие до недопустимого уровня рабочие лопатки самой ступени и, как следствие, ее выхлопной патрубок. Высокая температура последней ступени снижает надежность стеллитового покрытия входных кромок лопаток, демпферных связей и ухудшает вибрационное состояние цилиндра низкого давления в целом. Взаимодействие газодинамической картины вблизи рабочих лопаток с кольцевой охлаждающей струей, выполняющей одновременно функции охлаждения и защиты от эрозии настолько сложное, что несогласованность геометрических характеристик кольцевого коллектора и его направляющего аппарата с режимными параметрами может существенно ухудшить эффективность работы устройства и даже привести к снижению надежности и экономичности турбины.A disadvantage of the known technical solution is that it, designed to cool mainly the exhaust pipe, does not provide effective cooling of the last stage, generating heat ventilation flows, heating the working blades of the stage itself and, as a result, its exhaust pipe, to an unacceptable level. The high temperature of the last stage reduces the reliability of the stellite coating of the input edges of the blades, damper connections and affects the vibrational state of the low-pressure cylinder as a whole. The interaction of the gas-dynamic picture near the rotor blades with an annular cooling jet, which simultaneously performs the functions of cooling and protection against erosion, is so complex that the inconsistency of the geometric characteristics of the annular collector and its guide vane with operating parameters can significantly impair the device’s performance and even lead to a decrease in the reliability and efficiency of the turbine .

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, as well as the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find a technical solution characterized by signs identical or equivalent to those proposed.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность и экономичность турбины за счет глубокого и безопасного охлаждения последней ступени и выхлопного патрубка минимально необходимым расходом охлаждающего пара, а также обеспечить защиту выходных кромок рабочих лопаток от эрозионных повреждений капельными структурами во всем диапазоне эксплуатационных параметров турбины на малорасходных режимах. Заявляемое устройство выхлопного патрубка по своим геометрическим и скоростным параметрам может быть применено на всех мощных паровых турбинах российского производства. Причем на последних ступенях с рабочими лопатками до 960 мм протяженность защищаемого от эрозии участка выходных кромок достигает корневой половины и более длины лопаток. В турбинах мощностью 1000 МВт и более для ТЭС и АЭС с длиной рабочих лопаток последней ступени 1000 мм протяженность защищаемого участка выходных кромок составляет 40% длины лопаток, а для лопаток 1200 мм - 36%. Увеличение по сравнению с указанной протяженности участка защиты этих лопаток может быть выполнено применением направляющего аппарата 5 коллектора 2 с межлопаточными каналами сверхкритического истечения, то есть с расширяющейся выходной частью.The claimed technical solution allows to increase the reliability and efficiency of the turbine due to the deep and safe cooling of the last stage and the exhaust pipe with the minimum required amount of cooling steam, as well as to protect the output edges of the blades from erosion damage by droplet structures in the entire range of turbine operating parameters at low consumption conditions. The inventive device of the exhaust pipe in its geometric and speed parameters can be used on all powerful steam turbines of Russian production. Moreover, at the last stages with working blades up to 960 mm, the length of the outlet edges section protected from erosion reaches the root half and more than the length of the blades. In turbines with a capacity of 1000 MW or more, for TPPs and nuclear power plants with a blade length of the last stage of 1000 mm, the length of the protected section of the outlet edges is 40% of the length of the blades, and for blades of 1200 mm - 36%. An increase compared with the specified length of the protection section of these blades can be accomplished by using a guide apparatus 5 of the manifold 2 with interscapular channels of supercritical flow, that is, with an expanding output part.

В соответствии с заявляемым техническим решением предложен выхлопной патрубок паровой турбины, содержащий расположенный за лопатками последней ступени в прикорневой зоне и подключенный к источнику охлаждающего пара коллектор, сообщенный с проточной частью турбины через кольцевую щель с направляющим аппаратом, придающим охлаждающему пару тангенциальную составляющую скорости в сторону вращения рабочих лопаток, причем оптимальная длина лопаток направляющего аппарата составляетIn accordance with the claimed technical solution, an exhaust pipe of a steam turbine is proposed, comprising a collector located behind the blades of the last stage in the root zone and connected to a source of cooling steam through a ring slit with a guide apparatus that imparts a tangential velocity component to the cooling pair in the direction of rotation working blades, and the optimal length of the blades of the guide apparatus is

b=mL[5,2++20,8lg(εР₀/Р_в)]^-1, гдеb = mL [5.2 ++ 20.8lg (εР ₀ / Р _в )] ^-1 , where

b - длина лопаток направляющего аппарата;b is the length of the blades of the guide apparatus;

m - относительная протяженность участка выходных кромок рабочих лопаток;m is the relative length of the section of the output edges of the blades;

L - длина рабочих лопаток последней ступени;L is the length of the blades of the last stage;

ε - критическое отношение давлений для истекающего из направляющего аппарата пара;ε is the critical pressure ratio for the steam flowing out of the guide apparatus;

P₀ - давление пара в коллекторе;P ₀ - vapor pressure in the reservoir;

P_в - давление пара в выхлопном патрубке,P _in - steam pressure in the exhaust pipe,

при этом, направляющий аппарат удален от выходных кромок рабочих лопаток последней ступени в корневом сечении на расстояние не менееat the same time, the guide apparatus is removed from the output edges of the working blades of the last stage in the root section by a distance of at least

0,22 mL, где0.22 mL where

m - относительная протяженность участка выходных кромок рабочих лопаток;m is the relative length of the section of the output edges of the blades;

L - длина рабочих лопаток последней ступени,L is the length of the blades of the last stage,

кроме того, угол выхода направляющего аппарата α не превышает 8°, а на выпуклой поверхности его лопаток от выходной кромки до узкого сечения межлопаточного канала выполнен уступ с максимальной глубиной в узком сеченииin addition, the exit angle of the guide vane α does not exceed 8 °, and on the convex surface of its blades from the output edge to the narrow section of the interscapular channel, a ledge with a maximum depth in the narrow section is made

h=0,3tsinα, гдеh = 0.3tsinα, where

h - глубина уступа в узком сечении;h is the depth of the ledge in a narrow section;

t - шаг лопаток направляющего аппарата;t is the pitch of the blades of the guide apparatus;

α - угол выхода направляющего аппарата.α is the exit angle of the guide vane.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - общий вид выхлопного патрубка;figure 1 is a General view of the exhaust pipe;

на фиг.2 - профиль лопаток направляющего аппарата;figure 2 is a profile of the blades of the guide apparatus;

на фиг.3 - изменение скорости свободной турбулентной струи в зависимости от давления в коллекторе.figure 3 - change in the speed of a free turbulent jet depending on the pressure in the manifold.

Выхлопной патрубок паровой турбины включает расположенный за рабочими лопатками 1 коллектор 2, подключенный к источнику охлаждающего пара. Коллектор 2 сообщен с проточной частью турбины 3 кольцевой щелью 4, оснащенной направляющим аппаратом 5 с лопатками 6. Оптимальная длина лопаток направляющего аппарата составляетThe exhaust pipe of a steam turbine includes a collector 2 located behind the working blades 1, connected to a source of cooling steam. The manifold 2 is in communication with the flow part of the turbine 3 with an annular slot 4 equipped with a guide apparatus 5 with blades 6. The optimal length of the blades of the guide apparatus is

b=mL[5,2++20,8lg(εР₀/Р_в)]^-1, гдеb = mL [5.2 ++ 20.8lg (εР ₀ / Р _в )] ^-1 , where

b - длина лопаток направляющего аппарата;b is the length of the blades of the guide apparatus;

m - относительная протяженность участка выходных кромок рабочих лопаток;m is the relative length of the section of the output edges of the blades;

L - длина рабочих лопаток последней ступени;L is the length of the blades of the last stage;

ε - критическое отношение давлений для истекающего из направляющего аппарата пара;ε is the critical pressure ratio for the steam flowing out of the guide apparatus;

P₀ - давление пара в коллекторе;P ₀ - vapor pressure in the reservoir;

P_в - давление пара в выхлопном патрубке.P _in - steam pressure in the exhaust pipe.

Согласно опыту эксплуатации мощных паровых турбин должны соблюдаться следующие основные условия, определяемые газодинамической картиной последней ступени в малорасходных режимах.According to the experience of operating powerful steam turbines, the following basic conditions must be observed, determined by the gas-dynamic picture of the last stage in low-flow conditions.

Во-первых, в корневой области за рабочими лопатками, где в результате вращения ротора формируется область пониженного давления, обуславливающая интенсивное движение в эту зону обратных потоков с капельной влагой и, как следствие, высокие эрозионные нагрузки на выходные кромки, динамический напор кольцевой струи должен быть достаточным для полного "запирания" корневой области от внешних потоков. Это достигается созданием в кольцевой струе сверхкритического истечения охлаждающего пара из направляющего аппарата.Firstly, in the root region behind the rotor blades, where as a result of rotation of the rotor a reduced pressure region forms, which causes intensive movement of reverse flows with drip moisture into this zone and, as a result, high erosion loads on the outlet edges, the dynamic pressure of the annular jet should be sufficient to completely "lock" the root area from external flows. This is achieved by creating a supercritical outflow of cooling steam from the guide apparatus in the annular jet.

Во-вторых, контактирование охлаждающего пара с рабочими лопатками должно осуществляться в той зоне, где окружная скорость лопаток и тангенциальная составляющая скорости пара кольцевой струи равны или сопоставимы. Этим достигается, с одной стороны, безударный вход охлаждающего пара в межлопаточные каналы и свободное проникновение его в самую горячую - периферийную - зону межвенечного зазора последней ступени, где периферийные вихри интенсивно генерируют основные тепловентиляционные потоки. С другой стороны, сближение окружной скорости рабочих лопаток и тангенциальной составляющей скорости пара в кольцевой струе снижает скорости соударения выходных кромок рабочих лопаток с содержащимися в кольцевой струе каплями охлаждающего конденсата до безопасной, согласно фундаментальным критериям эрозионной надежности, величины и таким образом исключает эрозионные процессы на выходных кромках.Secondly, the contacting of the cooling steam with the working blades should be in the area where the peripheral speed of the blades and the tangential component of the steam velocity of the annular jet are equal or comparable. This ensures, on the one hand, the shock-free entry of cooling steam into the interscapular canals and its free penetration into the hottest - peripheral - zone of the interventional gap of the last stage, where the peripheral vortices intensively generate the main heat ventilation flows. On the other hand, the convergence of the peripheral speed of the blades and the tangential component of the steam velocity in the annular jet reduces the collision velocity of the outlet edges of the blades with the drops of cooling condensate contained in the annular jet to a value that is safe, according to the fundamental criteria of erosion reliability, and thus eliminates weekend erosion processes edges.

Обычно скорость рабочих лопаток в зоне оптимального входа охлаждающего кольцевого потока в межлопаточные каналы колеса мощных паровых турбин, для которых проблема охлаждения последних ступеней чрезвычайно актуальна, приближается к критической скорости пара в кольцевой струе, которая должна обеспечиваться соответствующими параметрами пара в коллекторе. Поскольку скорость лопаток нарастает от корня к периферии, то ниже зоны контакта с охлаждающим паром она меньше, а выше зоны контакта превосходит скорость парового потока в кольцевой струе.Typically, the speed of the working blades in the zone of optimal entry of the cooling annular flow into the interscapular channels of the wheel of powerful steam turbines, for which the problem of cooling the last stages is extremely urgent, approaches the critical steam speed in the annular jet, which must be provided by the corresponding parameters of the steam in the manifold. Since the speed of the blades increases from the root to the periphery, it is lower below the contact zone with the cooling steam, and above the contact zone it exceeds the speed of the steam flow in the annular stream.

Критический или сверхкритический уровень скорости пара в кольцевой струе необходим также и по условиям формирования капельных структур охлаждающего конденсата в кольцевой струе, впрыскиваемого для увеличения охлаждающего потенциала в тракт пароподготовки коллектора. Чем выше аэродинамическая нагрузка на капли, тем меньше их размеры, что одновременно снижает интенсивность каплеударных процессов на выходных кромках и улучшает тепломассообмен в последней ступени.A critical or supercritical level of steam velocity in the annular jet is also necessary according to the conditions for the formation of droplet structures of the cooling condensate in the annular jet, which is injected to increase the cooling potential in the steam preparation path of the collector. The higher the aerodynamic load on the droplets, the smaller their size, which simultaneously reduces the intensity of droplet-shock processes at the outlet edges and improves heat and mass transfer in the last stage.

В-третьих, контакт кольцевой струи с рабочими лопатками и последующее движение охлаждающего пара в межлопатных каналах должно осуществляться за внешней границей корневой вихревой зоны, но ниже области выхода активного пара из проточной части последней ступени. Это обеспечивается, при прочих равных условиях, оптимальным расходом охлаждающего пара, определяемым давлением пара в коллекторе и высотой лопаток его направляющего аппарата. Повышенный по сравнению с оптимальным расход пара увеличивает дальнобойность струи (кольца), что затрудняет поступление охлаждающего пара в межлопаточные каналы и одновременно препятствует выходу активного пара из последней ступени в выхлопной патрубок. Уменьшенный расход пара при неизменных его скоростных характеристиках приводит к укорочению высокопотенциального участка струи и сокращению области защиты от эрозии выходных кромок.Thirdly, the contact of the annular jet with the working blades and the subsequent movement of the cooling steam in the inter-blade channels should be carried out outside the outer boundary of the root vortex zone, but below the area where the active steam leaves the flow part of the last stage. This is ensured, ceteris paribus, the optimal flow rate of the cooling steam, determined by the vapor pressure in the manifold and the height of the blades of its guide vane. The increased steam consumption compared to the optimal one increases the range of the jet (ring), which makes it difficult for cooling steam to enter the interscapular channels and at the same time prevents the active steam from leaving the last stage in the exhaust pipe. Reduced steam consumption with constant speed characteristics leads to a shortening of the high-potential section of the jet and a reduction in the area of protection against erosion of the outlet edges.

Учитывая, что защите от эрозионного износа должен подвергаться участок выходной кромки от корня и обычно до середины (до среднего диаметра ступени) рабочих лопаток последней ступени, а окружная скорость лопаток на среднем диаметре большинства мощных паровых турбин приближается к критической скорости пара, условие выполнения равенства скорости лопаток и тангенциальной составляющей скорости пара в кольцевой струе может быть выражено с применением обобщенной экспериментальной зависимости для свободной турбулентной струи с критическим истечением, представленной на фиг.3, где Х - удаление от направляющего аппарата, b - высота лопаток направляющего аппарата коллектора, Р_кр и Р_в - критическое давление пара в узком сечении направляющего аппарата и давление пара в выхлопном патрубке, причем Р_кр=εР₀, где ε - критическое отношение давлений для рабочей среды. На оси ординат указана длина струи, где скорость остается равной критической. Зависимость на фиг.3 может быть аппроксимирована уравнением:Considering that the area of the outlet edge from the root and usually up to the middle (to the average step diameter) of the last stage working blades should be protected from erosion wear, and the peripheral speed of the blades on the average diameter of most powerful steam turbines approaches the critical steam speed, the condition for the equality of speed blades and the tangential component of the steam velocity in an annular jet can be expressed using a generalized experimental dependence for a free turbulent jet with a critical 3, where X is the distance from the guide vane, b is the height of the blades of the manifold vane, P _cr and P _c is the critical vapor pressure in a narrow section of the guide vane and the vapor pressure in the exhaust pipe, with P _cr = εP ₀ , where ε is the critical pressure ratio for the working medium. The jet length is indicated on the ordinate axis, where the velocity remains equal to critical. The dependence in figure 3 can be approximated by the equation:

Принимая длину защиты выходных кромок, равной mL, где m - часть длины кромки, подлежащая защите, L - длина рабочей лопатки последней ступени, величина

будет представляться в виде:Assuming the length of the protection of the output edges equal to mL, where m is the part of the length of the edge to be protected, L is the length of the working blade of the last stage,

will be presented in the form:

, а параметр n=εР₀/Р_в.

, and the parameter n = εР ₀ / Р _в .

Подставляя эти выражения в основное уравнение, можно получить окончательную формулу для длины лопаток направляющего аппарата коллектора, при которой обеспечиваются перечисленные выше требования надежной защиты выходных кромок от эрозионного повреждения и соответствия тангенциальной составляющей струи пара окружной скорости рабочих лопаток, при котором осуществляется благоприятный вход охлаждающего пара в межлопаточные каналы рабочего колеса последней ступени и эффективное охлаждение периферийной зоны.Substituting these expressions in the basic equation, we can obtain the final formula for the length of the blades of the guide vanes of the collector, which ensures the above requirements for reliable protection of the output edges from erosion damage and the tangential component of the steam jet at the peripheral speed of the working blades, at which a favorable input of cooling steam to interscapular channels of the impeller of the last stage and effective cooling of the peripheral zone.

Для соблюдения оптимальных условий безопасного входа охлаждающего пара из кольцевой струи в межлопаточные каналы рабочего колеса положение направляющего аппарата 5 относительно выходных кромок 7 рабочих лопаток 1 должно быть определено с учетом расширения свободной турбулентной кольцевой струи в поперечном направлении, то есть в направлении, параллельном оси турбины, таким образом, чтобы внутренняя граница струи, обращенная к рабочим лопаткам 1, контактировала с выходными кромками 7 на участке между корневой 8 и периферийной 9 вихревыми зонами. Точка А соответствует общей границе защищаемой зоны и зоны входа охлаждающего потока в межлопаточные каналы. Расчетными и экспериментальными исследованиями установлено, что удаление направляющего аппарата 5 от выходных кромок 7 в корневом сечении (расстояние S) должно быть не менее S=0,22 mL.In order to comply with the optimal conditions for the safe entry of cooling steam from the annular jet into the interscapular channels of the impeller, the position of the guide apparatus 5 relative to the outlet edges 7 of the blades 1 should be determined taking into account the expansion of the free turbulent annular jet in the transverse direction, i.e. in the direction parallel to the axis of the turbine, so that the internal boundary of the jet, facing the working blades 1, is in contact with the output edges 7 in the area between the root 8 and peripheral vortex 9 zones. Point A corresponds to the common boundary of the protected zone and the zone of entry of the cooling flow into the interscapular channels. Calculated and experimental studies have established that the removal of the guide apparatus 5 from the output edges 7 in the root section (distance S) should be at least S = 0.22 mL.

Для увеличения зоны защиты выходных кромок от эрозионных повреждений и повышения экономичности за счет снижения расхода пара на охлаждение тангенциальная составляющая скорости пара в кольцевой струе должна быть максимально увеличена, для чего в заявляемом устройстве направляющий аппарат 5 имеет минимальный угол выхода потока α. В практической конструкции направляющего аппарата 5 величина α может быть уменьшена до 6°-8°, что и осуществлено в эксплуатирующихся в настоящее время устройствах.To increase the protection zone of the output edges from erosion damage and increase efficiency by reducing the steam consumption for cooling, the tangential component of the steam velocity in the annular jet should be maximized, for which purpose the guide device 5 has a minimum outlet angle α. In the practical design of the guiding apparatus 5, the value of α can be reduced to 6 ° -8 °, which is implemented in currently operating devices.

Поскольку направляющий аппарат 5 коллектора 2 работает при сверхкритических перепадах давления, что обусловлено скоростью рабочих лопаток последней ступени, в косом срезе конфузорной решетки происходит дополнительное расширение парового потока с возникновением скачков уплотнений и отклонением от геометрического угла выхода потока. С целью уменьшения отклонения потока в косом срезе на выпуклой поверхности лопаток 6 от выходной кромки до узкого сечения межлопаточного канала выполнен уступ с максимальной глубиной в узком сеченииSince the guiding apparatus 5 of the manifold 2 operates at supercritical pressure drops, which is due to the speed of the working blades of the last stage, an additional expansion of the steam flow occurs in the oblique section of the confuser lattice with the occurrence of shock waves and deviation from the geometric exit angle of the flow. In order to reduce the deviation of the flow in an oblique section on the convex surface of the blades 6 from the outlet edge to the narrow section of the interscapular channel, a ledge with a maximum depth in the narrow section is made

h=0,3tsinα, гдеh = 0.3tsinα, where

h - глубина уступа в узком сечении;h is the depth of the ledge in a narrow section;

t - шаг лопаток 6 направляющего аппарата 5;t is the pitch of the blades 6 of the guide apparatus 5;

α - геометрический угол выхода направляющего аппарата 5.α is the geometric exit angle of the guide apparatus 5.

Другое назначение уступа заключается в сбросе жидкостной пленки, движущейся по выпуклой поверхности лопаток 6, в высокоскоростное ядро парового потока, где в зоне скачков уплотнения происходит ее интенсивное дробление на капли размеров, безопасных в эрозионном отношении и благоприятных для процессов тепломассообмена в последней ступени турбины.Another purpose of the step is to discharge a liquid film moving along the convex surface of the blades 6 into a high-speed core of the steam stream, where in the zone of shock waves it is intensively crushed into droplets of sizes that are erosion-safe and favorable for heat and mass transfer processes in the last stage of the turbine.

Работа выхлопного патрубка осуществляется следующим образом. На режимах пуска и холостого хода турбины, а также на теплофикационных режимах с ограниченным расходом пара через часть низкого давления последняя ступень, а при очень малых расходах - и предыдущие ступени, работает в тепловентиляционном режиме с формированием в проточной части вихревых зон 8 и 9 и генерацией тепловентиляционных потерь, компенсируемых отбором мощности от вала турбины. Тепловентиляционные потоки сопровождаются повышением температуры последних ступеней и нагревом покидающим проточную часть паром выхлопного патрубка. Для обеспечения надежной работы лопаток последних ступеней, их стеллитовых накладок на входных кромках и демпферных связей, а также предотвращения - в результате больших температурных градиентов и высоких температурных уровней - коробления выхлопного патрубка 3, что может сопровождаться ухудшением вибрационного состояния турбоагрегата и вакуума в конденсаторе, подают охлаждающий пар в коллектор 2. Высота лопаток 6 направляющего аппарата 5 должна быть определена с учетом давления пара Р₀ в коллекторе 2 и давления Р_в в выхлопном патрубке 3 согласно приведенной выше зависимости.The exhaust pipe is as follows. In the turbine start-up and idle modes, as well as in heating modes with a limited steam flow rate through the low-pressure part, the last stage, and at very low flow rates, the previous stages, works in the heat ventilation mode with the formation of vortex zones 8 and 9 in the flow part and generation ventilation losses compensated by power take-off from the turbine shaft. The heat ventilation flows are accompanied by an increase in the temperature of the last stages and by heating the steam of the exhaust pipe leaving the flowing part. To ensure reliable operation of the blades of the last stages, their stellite overlays at the input edges and damper connections, as well as prevention - as a result of large temperature gradients and high temperature levels - warping of the exhaust pipe 3, which may be accompanied by a deterioration in the vibrational state of the turbine unit and vacuum in the condenser, cooling steam to the manifold 2. The height of the blades 6 of the guide apparatus 5 should be determined taking into account the vapor pressure P ₀ in the manifold 2 and the pressure P _in the exhaust pipe 3 according to the above dependency.

На выходе из направляющего аппарата 5 формируется кольцевая струя с критической скоростью истечения. Согласно оптическим исследованиям на турбинах, с физической точки зрения, струю можно условно рассматривать состоящей из трех областей: центральной высокоскоростной области и боковых - внутренней, обращенной к рабочим лопаткам, и наружной, обращенной к выхлопному патрубку областей. Центральная область, обладающая наибольшим динамическим напором, обеспечивает на участке от корня до точки А защиту выходных кромок от проникновения к ним эрозионно опасной влаги, тем более, что кольцевая струя сама создает своей внешней областью эжектирующий эффект и интенсифицирует обратные потоки. Внутренняя область струи под действием эжектирующего эффекта рабочих лопаток (на малорасходных и безрасходных режимах за лопатками в корневой зоне давление меньше, чем в периферийной) изменяет свою траекторию в направлении точки А, выше ее проникает в межлопаточные каналы и охлаждает среднюю и периферийную - наиболее нагретую - зону лопаток. В периферийной зоне охлаждающий пар смешивается с активным паром и, понижая его температуру, вместе с ним покидает последнюю ступень, снижая таким образом нагрев выхлопного патрубка. Внешняя область кольцевой струи противодействует капельным структурам обратных потоков и, равномерно распределяясь по пространству выхлопного патрубка 3, дополнительно снижает в нем температуру без образования температурных градиентов и застойных зон. Центральная область кольцевой струи выполняет как охладительную, так и заградительную функции.At the exit of the guide apparatus 5, an annular jet is formed with a critical flow rate. According to optical studies on turbines, from a physical point of view, the jet can be conventionally considered to consist of three areas: the central high-speed region and the side - the inner one, facing the working blades, and the outer one, facing the exhaust pipe of the regions. The central region, which has the highest dynamic pressure, provides protection of the output edges from erosion hazardous moisture in the area from the root to point A, especially since the ring jet itself creates an ejection effect in its outer region and intensifies the reverse flows. The internal region of the jet under the influence of the ejecting effect of the working blades (at low and low flow rates behind the blades in the root zone, the pressure is less than in the peripheral zone) changes its path in the direction of point A, penetrates into the interscapular canals and cools the middle and peripheral - the most heated - the area of the blades. In the peripheral zone, the cooling steam mixes with the active steam and, lowering its temperature, leaves the last stage with it, thereby reducing the heating of the exhaust pipe. The outer region of the annular jet counteracts the droplet structures of the reverse flows and, evenly distributed over the space of the exhaust pipe 3, further reduces the temperature in it without the formation of temperature gradients and stagnant zones. The central region of the annular jet performs both cooling and barrage functions.

Таким образом, кольцевая струя осуществляет одновременно две функции - защиту выходных кромок от эрозионных повреждений и надежное охлаждение последней ступени и выхлопного патрубка.Thus, the annular jet performs two functions at the same time - protection of the output edges from erosion damage and reliable cooling of the last stage and exhaust pipe.

При эксплуатации мощных турбин с заявляемой конструкцией выхлопного патрубка бесконтактными средствами измерений вибрационных параметров рабочих лопаток последней ступени установлено, что равномерная кольцевая струя охлаждающего пара, контактируя с лопатками, оказывает на них стабилизирующее тепловое и газодинамическое воздействие; это сопровождается уменьшением амплитуды колебаний и динамических напряжений в лопатках, что, в конечном счете, ведет к снижению усталости металла лопаток и увеличению срока их службы.When operating powerful turbines with the claimed exhaust pipe design using non-contact measuring instruments for the vibration parameters of the working blades of the last stage, it was found that a uniform annular jet of cooling steam, in contact with the blades, exerts a stabilizing thermal and gas-dynamic effect on them; this is accompanied by a decrease in the amplitude of vibrations and dynamic stresses in the blades, which ultimately leads to a decrease in the fatigue of the metal of the blades and an increase in their service life.

Учитывая, что тепловентиляционные потоки части низкого давления мощных паровых турбин достигают значительной величины (в зависимости от длины рабочих лопаток и давления в конденсаторе - одного... двух мегаватт и более), охлаждение целесообразно осуществлять паром с низким уровнем влажности, что существенно повышает охлаждающий потенциал кольцевой струи и улучшает экономичность за счет сокращения расхода охлаждающего пара. Это обстоятельство имеет важное значение для длительных теплофикационных режимов теплофикационных турбин, когда пар на охлаждение поступает из отбора турбины.Considering that the heat and ventilation flows of the low-pressure part of powerful steam turbines reach significant values (depending on the length of the blades and the pressure in the condenser - one ... two megawatts or more), it is advisable to carry out cooling with steam with a low humidity level, which significantly increases the cooling potential annular jet and improves efficiency by reducing the consumption of cooling steam. This circumstance is important for long-term heating modes of heating turbines, when steam for cooling comes from the selection of the turbine.

Приведенная выше зависимость высоты лопаток 6 направляющего аппарата 5 от режимных параметров - давления пара Р₀ в коллекторе 2 и давления пара Р_в в выхлопном патрубке 3 - показывает, что при прочих неизменных условиях уменьшение высоты лопаток 6 сопровождается увеличением необходимого давления пара Р₀ в коллекторе 2 и, как следствие, увеличением расхода охлаждающего пара, что ухудшает экономичность режимов работы турбины с охлаждением проточной части низкого давления. Поэтому заявляемое техническое решение позволяет оптимизировать конструкцию коллектора за счет увеличения длины лопаток 6 направляющего аппарата 5 и соответствующего снижения давления в коллекторе 2, что приводит к уменьшению расхода пара на охлаждение. Предельным условием выступает минимальное давление в источнике пара (в отборе турбины или в паропроводе сброса излишнего пара из котла в конденсатор на режимах пуска и холостого хода), необходимое для обеспечения расчетного давления в коллекторе 2 при критическом перепаде на лопатках 6 и покрытия потерь в контуре пароподготовки и подвода охлаждающего пара к коллектору, а в некоторых случаях - возможность размещения коллектора 2 возрастающего размера в выхлопном патрубке 3 турбины.The above dependence of the height of the blades 6 of the guide apparatus 5 on the operating parameters — the vapor pressure P ₀ in the manifold 2 and the vapor pressure P _in the exhaust pipe 3 — shows that, with other conditions unchanged, a decrease in the height of the blades 6 is accompanied by an increase in the required vapor pressure P ₀ in the manifold 2 and, as a consequence, an increase in the consumption of cooling steam, which affects the efficiency of the turbine operating modes with cooling of the low-pressure flow part. Therefore, the claimed technical solution allows to optimize the design of the manifold by increasing the length of the blades 6 of the guide apparatus 5 and the corresponding reduction in pressure in the manifold 2, which leads to a decrease in steam consumption for cooling. The limiting condition is the minimum pressure in the steam source (in the turbine extraction or in the steam line to discharge excess steam from the boiler to the condenser during start-up and idle operation), necessary to ensure the design pressure in the manifold 2 at a critical differential on the blades 6 and cover losses in the steam preparation circuit and supplying cooling steam to the manifold, and in some cases, the possibility of placing the collector 2 of increasing size in the exhaust pipe 3 of the turbine.

Заявляемое техническое решение рассмотрено для варианта расположения выходных кромок лопаток 6 направляющего аппарата 5 параллельно оси турбины. Однако в тех случаях, когда существующий выхлопной патрубок турбины не позволяет разместить коллектор указанным способом с соблюдением размера S на фиг.1, возможен наклон кольцевой струи на угол не более 8° в сторону рабочих лопаток с сохранением оптимальной величины S на диаметре контактирования струи с выходными кромками, то есть от оси струи до точки А.The claimed technical solution is considered for the location of the output edges of the blades 6 of the guide apparatus 5 parallel to the axis of the turbine. However, in cases where the existing turbine exhaust pipe does not allow the collector to be installed in the indicated manner, observing size S in FIG. 1, it is possible to tilt the ring jet by an angle of not more than 8 ° towards the working blades while maintaining the optimal value of S on the diameter of the contact between the jet and the outlet edges, that is, from the axis of the jet to point A.

Claims (2)

1. Выхлопной патрубок паровой турбины, включающий расположенный за лопатками последней ступени в прикорневой зоне и подключенный к источнику охлаждающего пара коллектор, сообщенный с проточной частью турбины через кольцевую щель с направляющим аппаратом, придающим охлаждающему пару тангенциальную составляющую скорости в сторону вращения рабочих лопаток, отличающийся тем, что оптимальная длина лопаток направляющего аппарата составляет1. The exhaust pipe of a steam turbine, including a collector located behind the blades of the last stage in the root zone and connected to a source of cooling steam, connected to the turbine flow through an annular slot with a guide apparatus that imparts a tangential velocity component to the cooling pair in the direction of rotation of the working blades, characterized in that the optimal length of the vanes of the guide vane is b=mL[5,2+20,81g(εP₀/P_в)]^-1,b = mL [5.2 + 20.81g (εP ₀ / P _in )] ^-1 , где b - длина лопаток направляющего аппарата;where b is the length of the blades of the guide apparatus; m - относительная протяженность участка выходных кромок рабочих лопаток;m is the relative length of the section of the output edges of the blades; L - длина рабочих лопаток последней ступени;L is the length of the blades of the last stage; ε - критическое отношение давлений для истекающего из направляющего аппарата пара;ε is the critical pressure ratio for the steam flowing out of the guide apparatus; Р₀ - давление пара в коллекторе;P ₀ is the vapor pressure in the reservoir; Р_в - давление пара в выхлопном патрубке, при этом направляющий аппарат удален от выходных кромок рабочих лопаток последней ступени в корневом сечении на расстояние не менее 0,22 mL, где m - относительная протяженность участка выходных кромок рабочих лопаток; L - длина рабочих лопаток последней ступени.P _in - steam pressure in the exhaust pipe, while the guide apparatus is removed from the output edges of the blades of the last stage in the root section at a distance of at least 0.22 mL, where m is the relative length of the portion of the output edges of the blades; L is the length of the blades of the last stage. 2. Выхлопной патрубок по п.1, отличающийся тем, что угол выхода направляющего аппарата α не превышает 8°, а на выпуклой поверхности его лопаток от выходной кромки до узкого сечения межлопаточного канала выполнен уступ с максимальной глубиной в узком сечении2. The exhaust pipe according to claim 1, characterized in that the angle of exit of the guide vane α does not exceed 8 °, and a ledge with a maximum depth in a narrow section is made on the convex surface of its blades from the outlet edge to the narrow section of the interscapular channel h=0,3tsinα,h = 0.3tsinα, где h - глубина уступа в узком сечении;where h is the depth of the ledge in a narrow section; t - шаг лопаток направляющего аппарата;t is the pitch of the blades of the guide apparatus; α - угол выхода направляющего аппарата.α is the exit angle of the guide vane.

Images