RU2789652C1 - Steam turbine low pressure cylinder stage guide vane - Google Patents
Steam turbine low pressure cylinder stage guide vane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789652C1 RU2789652C1 RU2022115981A RU2022115981A RU2789652C1 RU 2789652 C1 RU2789652 C1 RU 2789652C1 RU 2022115981 A RU2022115981 A RU 2022115981A RU 2022115981 A RU2022115981 A RU 2022115981A RU 2789652 C1 RU2789652 C1 RU 2789652C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- peripheral
- angle
- section
- root
- steam
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности, паротурбиностроения, и может быть использовано при проектировании направляющих лопаток, входящих в состав ступеней цилиндров низкого давления осевых паровых турбин.The proposed technical solution relates to the field of power engineering, in particular, steam turbine building, and can be used in the design of guide vanes that are part of the low-pressure cylinder stages of axial steam turbines.
Актуальной задачей паротурбиностроения в настоящее время является повышение внутреннего относительного КПД паровых турбин. Ступени цилиндра низкого давления паровой турбины работают в условиях повышенных объемных расходов, следовательно, в условиях повышенных скоростей потока пара. В частности, возможно появление сверхзвуковых течений.An urgent task of steam turbine construction at present is to increase the internal relative efficiency of steam turbines. The low pressure cylinder stages of a steam turbine operate at higher volume flow rates, hence higher steam flow rates. In particular, the appearance of supersonic flows is possible.
Внутренний относительный КПД паровой турбины находится в прямой зависимости от потерь энергии в ступени, содержащей направляющие лопатки и рабочие лопатки. Чем ниже потери энергии, тем выше КПД. Потери энергии в ступени с дозвуковым течением пара подразделяются на следующие виды: профильные, вторичные, потери от утечек. При возникновении сверхзвуковых течений добавляется еще одна составляющая - волновые потери или потери от скачков уплотнений пара. Помимо проблемы снижения потерь энергии, существуют еще следующие проблемы: опасность поломок рабочих лопаток из-за повышенной вибрационной нагрузки и эрозионный износ, снижающий надежность рабочих лопаток в ступенях, работающих на влажном паре.The internal relative efficiency of the steam turbine is directly dependent on energy losses in the steps containing guide blades and working blades. The lower the energy loss, the higher the efficiency. Energy losses in the steps with a subsonic course of the steam are divided into the following types: profile, secondary, losses from leaks. If supersonic currents occur, another component is added - wave losses or losses from steam seals. In addition to the problem of reducing energy losses, there are still the following problems: the danger of breakdowns of working blades due to increased vibration load and erosion wear that reduces the reliability of working blades in steps working on a wet pair.
Существует много различных способов снижения потерь энергии в ступенях цилиндра низкого давления. Некоторые из них: контроль, прогнозирование образования вихревых течений, отрывов потока при проектировании направляющих лопаток применение корневого и периферийного обводов проточной части неосесимметричной формы, осевой и тангенциальный наклоны (изгибы) и многие другие способы. Осевой и тангенциальный наклоны (изгибы) являются одним из наиболее широко применяемых методов в современном турбиностроении. М.Е. Дейч («Газодинамика решеток турбомашин», Москва, Энергоатомиздат, 1996 г., стр. 388-402) предложил концепцию использования саблевидных лопаток как частный случай тангенциального изгиба. Из открытых источников известно, что тангенциальный и осевой изгибы могут значительно влиять на распределение степени реактивности по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток (A. Torre, S. Cecchi «Latest Developments & Perspectives in optimized Design of Low Pressure Steam Turbine», European Turbomachinery Conference, 2007 г., стр. 16). При увеличении диапазона распределения степени реактивности по высоте аэродинамического профиля возрастает степень реактивности на периферийном участке и повышается вибрационная нагрузка на рабочие лопатки (К.Н. Боришанский «Разновидности автоколебаний лопаток паровых турбин и меры борьбы с ними», Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, 2 (171), 2003 г., стр. 60). Для снижения вибрационной нагрузки целесообразно сокращение диапазона изменения степени реактивности по высоте профиля, при этом степень реактивности должна быть по возможности на периферийном участке снижена, а на корневом участке увеличена.There are many different ways to reduce energy losses in low pressure cylinder stages. Some of them: control, prediction of the formation of vortex flows, flow separations when designing guide vanes, the use of root and peripheral contours of the flow part of a non-axisymmetric shape, axial and tangential inclinations (bends) and many other methods. Axial and tangential inclinations (bends) are one of the most widely used methods in modern turbine building. M.E. DECHCH (“Gas Damnia of Turbomashin Reshetok, Moscow, Energoatomizdat, 1996, pp. 388-402) proposed the concept of using saber-shaped blades as a special case of tangential bending. Из открытых источников известно, что тангенциальный и осевой изгибы могут значительно влиять на распределение степени реактивности по высоте аэродинамического профиля направляющих лопаток (A. Torre, S. Cecchi «Latest Developments & Perspectives in optimized Design of Low Pressure Steam Turbine», European Turbomachinery Conference, 2007, p. 16). With an increase in the distribution range of the degree of reactivity in the height of the aerodynamic profile, the degree of reactivity in the peripheral area increases and the vibrational load on the working blades (K.N. Borishansky "" varieties of carbon fiber turbines and combat measures and combating measures ", scientific and technical statements of the St. Petersburg State Polytechnic University, 2 (171), 2003, p. 60). To reduce the vibration load, it is advisable to reduce the range of changes in the degree of reactivity in height of the profile, while the degree of reactivity should be reduced as possible on the peripheral area, and increased on the root area.
Способы защиты от эрозии рабочих лопаток разделяются на активные и пассивные. Активные влияют на структуру и направление парокапельного потока, попадающего на рабочую лопатку. Пассивные повышают устойчивость к эрозии поверхности рабочих лопаток. К известным активным способам защиты от эрозии относятся уменьшение влажности перед ступенью, применение влагоудаления, увеличение осевого зазора между направляющими и рабочими лопатками. В частности, несколько способов периферийного влагоудаления за направляющей лопаткой описано в учебнике Щегляева А.В. «Паровые турбины» (Москва, «Энергия», 1976 г., стр. 156-157).Ways to protect rotor blades from erosion are divided into active and passive. Active affect the structure and direction of the vapor stream that falls on the working spatula. Passive ones increase the resistance to erosion of the surface of the rotor blades. Famous active methods of protection against erosion include a decrease in humidity before the step, the use of moisture loss, an increase in the axial clearance between the guides and the working blades. In particular, several methods of peripheral moisture -freeing behind the guide shovel are described in the textbook A. Scheglyaev. "Steam Turbines" (Moscow, "Energy", 1976, pp. 156-157).
Решением вышеуказанных технических проблем является разработка конструкции направляющей лопатки ступени цилиндра низкого давления паровой турбины с комбинацией изгибов входной и выходной кромки в осевом и тангенциальном направлении.The solution to the above technical problems is the development of a steam turbine low-pressure cylinder stage guide vane design with a combination of inlet and outlet edge bends in the axial and tangential direction.
В описании настоящего изобретения используются следующие определения.In describing the present invention, the following definitions are used.
Высота аэродинамического профиля направляющей лопатки - спроецированное на меридиональную плоскость расстояние между двумя наиболее удаленными точками аэродинамического профиля, измеренное вдоль радиальной прямой, которая является прямой, перпендикулярной оси паровой турбины и пересекается с ней.The airfoil height of the guide vane is the distance between the two most distant points of the airfoil, projected onto the meridional plane, measured along a radial straight line, which is a straight line perpendicular to the axis of the steam turbine and intersects with it.
Меридиональная плоскость - плоскость, образованная осью паровой турбины и радиальной прямой.Meridional plane - a plane formed by the axis of the steam turbine and the radial straight line.
Тангенциальная плоскость - плоскость, перпендикулярная меридиональной плоскости.Tangential plane - a plane perpendicular to the meridional plane.
Известно изобретение «Направляющая лопатка для турбомашины, в частности для паровой турбины» (заявка WO 2007113149; F01D 9/02; дата публикации 11.10.2007 г.). Направляющая лопатка имеет следующие геометрические характеристики: аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейными входной и выходной кромками. Согласно изобретению, направляющая лопатка имеет изгиб выходной кромки в тангенциальном направлении и изгиб входной и выходной кромок в осевом направлении по всей высоте аэродинамического профиля. Также лопатка имеет закрутку в радиальном направлении. Наклон в тангенциальном направлении выполнен таким образом, что угол наклона γ между касательной к кривой выходной кромки и радиальной прямой в тангенциальной плоскости изменяется в диапазоне от 0° до 15° в направлении вращения ротора с уменьшением угла γ от корневого торца к периферийному торцу. Изгиб в осевом направлении выполнен таким образом, что углы δ1 и δ2 наклона между касательными к входной и выходной кромкам и радиальными прямыми в меридиональной плоскости изменяются в диапазоне от 15° до -20° в направлении, соответствующем направлению потока пара в паровой турбине.Known invention "A guide vane for a turbomachine, in particular for a steam turbine" (application WO 2007113149; F01D 9/02; publication date 11.10.2007). The guide vane has the following geometric characteristics: an aerodynamic profile with root and peripheral ends, curved inlet and outlet edges. According to the invention, the guide vane has a tangential bend in the trailing edge and a bend in the leading and trailing edges in the axial direction over the entire height of the airfoil. Also, the blade has a twist in the radial direction. The inclination in the tangential direction is made in such a way that the angle of inclination γ between the tangent to the trailing edge curve and the radial straight line in the tangential plane varies in the range from 0° to 15° in the direction of rotation of the rotor with a decrease in the angle γ from the root end to the peripheral end. Bending in the axial direction is made in such a way that the angles δ 1 and δ 2 of inclination between the tangents to the input and output edges and the radial straight lines in the meridional plane change in the range from 15° to -20° in the direction corresponding to the direction of steam flow in the steam turbine.
Данное решение направлено на одновременное уменьшение окружных и радиальных градиентов давления по высоте аэродинамического профиля направляющей лопатки с целью снижения потерь энергии. Однако предложенная конструкция не решает двух других проблем - опасности эрозионного износа и поломки рабочих лопаток вследствие повышенных вибраций.This solution is aimed at the simultaneous reduction of circumferential and radial pressure gradients along the height of the airfoil of the guide vane in order to reduce energy losses. However, the proposed design does not solve two other problems - the danger of erosive wear and breakage of rotor blades due to increased vibrations.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Сопловой аппарат паровой турбины и паровая турбина, использующая его» (патент JP 4184565; F01D 9/02; дата публикации 19.11.2008 г.). Изобретение относится к ступени цилиндра низкого давления паровой турбины. Ступень паровой турбины содержит комплект направляющих лопаток, установленный перед комплектом рабочих лопаток. Каждая направляющая лопатка имеет аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по высоте аэродинамического профиля, имеющего по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними. В известном техническом решении отношение ширины соплового канала S направляющей лопатки к шагу направляющих лопаток Т составляет S/T, отношение S/T имеет, по крайней мере, одно минимальное значение на высоте от 60% до 80% высоты аэродинамического профиля в направлении высоты от корневого торца к периферийному торцу.The closest technical solution to the proposed technical solution in terms of essential features and selected as a prototype is the invention "Steam turbine nozzle apparatus and a steam turbine using it" (patent JP 4184565; F01D 9/02;
В тангенциальном направлении выходная кромка направляющей лопатки может быть изогнута следующим образом:In the tangential direction, the trailing edge of the guide vane can be bent as follows:
- выходная кромка изогнута по кривой по всей высоте аэродинамического профиля;- trailing edge is curved along the entire height of the airfoil;
- на корневом участке выходная кромка выполнена по прямой линии, на периферийном участке - изогнута по кривой;- on the root section, the trailing edge is made in a straight line, on the peripheral section, it is bent along a curve;
- на корневом и периферийном участках выходная кромка наклонена по прямым линиям и изогнута по кривой на среднем участке;- on the root and peripheral sections, the trailing edge is inclined along straight lines and curved along a curve in the middle section;
- на корневом участке выходная кромка изогнута по кривой, на периферийном участке - выполнена по прямой линии;- on the root section, the exit edge is bent along a curve, on the peripheral section - is made in a straight line;
- выходная кромка является радиальной прямой по всей высоте аэродинамического профиля;- trailing edge is a radial straight line along the entire height of the airfoil;
В осевом направлении выходная кромка может быть изогнута следующим образом:In the axial direction, the trailing edge can be bent as follows:
- на корневом участке выходная кромка выполнена по прямой линии, на периферийном участке - изогнута по кривой;- on the root section, the output edge is made in a straight line, on the peripheral section - curved along the curve;
- выходная кромка является прямой по всей высоте аэродинамического профиля;- trailing edge is straight along the entire height of the airfoil;
- выходная кромка изогнута по кривой по всей высоте аэродинамического профиля;- trailing edge is curved along the entire height of the airfoil;
- на корневом участке выходная кромка изогнута по кривой, на периферийном участке - выполнена по прямой линии;- on the root section, the exit edge is bent along a curve, on the peripheral section - is made in a straight line;
- на корневом и периферийном участках выходная кромка наклонена по прямым линиям и изогнута по кривой на среднем участке.- on the root and peripheral sections, the trailing edge is inclined along straight lines and curved along a curve in the middle section.
- выходная кромка направляющей лопатки изогнута на среднем участке по направлению течения пара.- the outlet edge of the guide vane is bent in the middle section in the direction of steam flow.
Технический результат, заявленный данным изобретением, заключается в повышении экономичности ступени в результате гашения аэродинамических следов на выходе из каналов направляющих лопаток, и снижении эрозионного износа рабочих лопаток, входящих в состав ступени, вследствие улучшенного разгона капель влаги перед рабочими лопатками.The technical result claimed by this invention is to increase the efficiency of the stage as a result of damping aerodynamic wakes at the outlet of the channels of the guide vanes, and to reduce the erosion wear of the rotor blades included in the stage, due to improved acceleration of moisture droplets in front of the rotor blades.
Недостатком данного решения является то, что в нем не приводится конкретное оптимальное техническое решение, направленное на достижение заявленной оптимальной геометрии ступени - получение необходимого значения S/T на указанном участке высоты аэродинамического профиля направляющей лопатки, и, соответственно, достижение повышения эффективности ступени и снижения эрозионного износа рабочих лопаток, входящих в ступень. Также на корневом участке аэродинамического профиля достигаются наибольшие значения абсолютной скорости пара, что приводит к росту потерь энергии вследствие возникновения волновых эффектов и скачков уплотнений пара, и, соответственно, влияет на снижение внутреннего относительного КПД ступени и ухудшение вибрационного состояния рабочих лопаток, при этом в заявленном решении отдельно не рассматривались мероприятия, направленные на снижение вибрационной нагрузки на рабочую лопатку.The disadvantage of this solution is that it does not provide a specific optimal technical solution aimed at achieving the stated optimal stage geometry - obtaining the required S / T value at the specified height section of the aerodynamic profile of the guide vane, and, accordingly, achieving an increase in stage efficiency and a decrease in erosion wear of the working blades included in the stage. Also, at the root section of the aerodynamic profile, the highest values of the absolute steam velocity are achieved, which leads to an increase in energy losses due to the occurrence of wave effects and shocks of steam seals, and, accordingly, affects the reduction in the internal relative efficiency of the stage and the deterioration of the vibration state of the rotor blades, while in the claimed The decision did not separately consider measures aimed at reducing the vibration load on the working blade.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины, сохранении удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток в составе ступени и снижении их эрозионного износа.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the internal relative efficiency of the steam turbine low-pressure cylinder stage, and, accordingly, the internal relative efficiency of the steam turbine, maintaining a satisfactory vibration state of the rotor blades in the stage and reducing their erosive wear.
Для достижения указанного выше технического результата направляющая лопатка ступени цилиндра низкого давления паровой турбины имеет аэродинамический профиль с корневым и периферийным торцами, криволинейные входную и выходную кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте аэродинамического профиля. Аэродинамический профиль имеет по высоте корневой и периферийный участки, а также средний участок, расположенный между ними.To achieve the above technical result, the guide vane of the low-pressure cylinder stage of the steam turbine has an aerodynamic profile with root and peripheral ends, curved inlet and outlet edges, curved in the axial and tangential direction along the entire height of the aerodynamic profile. The aerodynamic profile has root and peripheral sections in height, as well as an average section located between them.
При этом, согласно заявляемому изобретению, входная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35° между касательной в меридиональной плоскости к входной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке, имеющем высоту 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, угол α непрерывно возрастает к периферийному торцу, причем входная кромка изогнута в направлении против течения пара на указанном участке.At the same time, according to the claimed invention, the input edge is bent in the axial direction at an angle of -7°<α<35° variable over the entire height of the airfoil between the tangent in the meridional plane to the input edge and the radial straight line, while in the peripheral section having a height of 0 ,2-0.45 of the airfoil height, the angle α continuously increases towards the peripheral end, and the inlet edge is bent in the direction against the steam flow in the specified area.
Выходная кромка изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35° между касательной в меридиональной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой, при этом на периферийном участке угол β непрерывно возрастает от 0° до максимального значения у периферийного торца, причем выходная кромка изогнута в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке, высота которого составляет 0,4-0,45 высоты аэродинамического профиля, а на периферийном участке - в направлении против течения пара.The trailing edge is bent in the axial direction at an angle of -7°<β<35°, which is variable over the entire height of the airfoil, between the tangent in the meridional plane to the trailing edge and the radial straight line, while in the peripheral section the angle β continuously increases from 0° to the maximum value y peripheral end, and the outlet edge is bent in the direction of the steam flow in the middle section and in the root section, the height of which is 0.4-0.45 of the airfoil height, and in the peripheral section - in the direction against the steam flow.
Выходная кромка изогнута в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε между касательной в тангенциальной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой в точке касания к выходной кромке, причем угол 0°<ε<35° на корневом участке уменьшается от корневого торца к периферийному торцу, а на периферийном участке и среднем участке угол 0°<ε<5°.The trailing edge is bent in the tangential direction from the root end to the peripheral end in the direction of steam flow under an angle ε variable over the entire height of the airfoil between the tangent in the tangential plane to the trailing edge and the radial straight line at the point of contact with the trailing edge, and the angle 0°<ε< 35° on the root section decreases from the root end to the peripheral end, and on the peripheral section and the middle section, the angle is 0°<ε<5°.
Изгиб входной кромки в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<α<35° между касательной в меридиональной плоскости к входной кромке и радиальной прямой, непрерывное возрастание угла α к периферийному торцу на периферийном участке, имеющем высоту 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, а также изгиб входной кромки в направлении против течения пара на указанном участке, обеспечивает повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины за счет уменьшения относительного расхода пара на периферийном участке, который достигается искривлением линий тока пара на этом участке за счет изгиба входной кромки на периферийном участке в направлении против течения пара. Следовательно, увеличивается относительный расход пара на среднем участке, где влияние торцевых вторичных течений и связанные с ними потери энергии незначительны.Bending the input edge in the axial direction at the entire height of the aerodynamic profile with an angle of -7 ° <α <35 ° ° between the tangent in the meridional plane to the input edge and the radial straight, continuous increase in the angle α to the peripheral end of the peripheral area having a height of 0.2 -0.45 of the airfoil height, as well as the bending of the inlet edge in the direction against the steam flow in the specified section, provides an increase in the internal relative efficiency of the low-pressure cylinder stage of the steam turbine by reducing the relative steam flow in the peripheral section, which is achieved by bending the steam flow lines at this section due to the bending of the inlet edge on the peripheral section in the direction against the steam flow. Consequently, the relative steam consumption increases in the middle section, where the influence of end secondary flows and the energy losses associated with them are insignificant.
По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, диапазон угла α выбран следующим образом:According to the results of computational and experimental studies carried out by the authors, the range of angle α is chosen as follows:
- при значениях α, меньших -7° чрезмерно увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток, омываемых паром, что приводит к увеличению профильных потерь;- at values of α less than -7°, the area of the profile surfaces of the guide vanes, washed by steam, increases excessively, which leads to an increase in profile losses;
- при значениях α, больших 35° имеет место повышенная степень реактивности на периферийном участке, что приводит к неоправданному увеличению потерь, связанных с протечкой пара над рабочими лопатками, а также к возрастанию усилий, действующих на рабочие лопатки и ухудшению их вибрационного состояния. Соответственно, диапазон угла -7°<α<35° обеспечивает пониженную степень реактивности на указанном участке. Также диапазон угла α обеспечивает приемлемые габариты ступени для компактного размещения элементов проточной части.- at the values of α, large 35 ° there is an increased degree of reactivity in the peripheral area, which leads to an unjustified increase in losses associated with a pair of steam above the working blades, as well as to an increase in the efforts acting on the working blades and the deterioration of their vibrational state. Accordingly, the angle range -7°<α<35° provides a reduced degree of reactivity in the specified area. Also, the range of angle α provides acceptable step dimensions for compact arrangement of the elements of the flow path.
Изгиб входной кромки на периферийном участке обеспечивает повышение внутреннего относительного КПД ступени за счет оптимизации течения пара на указанном участке, обеспечивающей минимальные отрывы потока пара у периферийного торца. Для осуществления данной оптимизации наилучшим вариантом является непрерывное возрастание угла α к периферийному торцу на периферийном участке. Значение высоты периферийного участка, равное 0,2-0,45 высоты аэродинамического профиля, соответствует оптимальному соотношению относительных расходов пара через различные участки аэродинамического профиля, обеспечивающего с одной стороны увеличенный относительный расход пара через максимально экономичный средний участок, а с другой стороны - максимально безотрывные течения на корневом и среднем участках.Bending of the inlet edge in the peripheral section provides an increase in the internal relative efficiency of the stage by optimizing the steam flow in the specified section, which ensures minimal separation of the steam flow at the peripheral end. To implement this optimization, the best option is to continuously increase the angle α to the peripheral end in the peripheral section. The value of the height of the peripheral section, equal to 0.2-0.45 of the airfoil height, corresponds to the optimal ratio of the relative steam flow rates through various sections of the airfoil, which, on the one hand, provides an increased relative steam flow through the most economical middle section, and on the other hand, the most continuous currents in the root and middle sections.
Изгиб выходной кромки в осевом направлении под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом -7°<β<35° между касательной в меридиональной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой, непрерывное возрастание угла β на периферийном участке от 0° до максимального значения к периферийному торцу, позволяет обеспечить увеличенное расстояние между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток, что способствует выравниванию параметров пара перед рабочими лопатками за счет размывания аэродинамических следов от выходных кромок направляющих лопаток и, соответственно, увеличению вибрационной надежности рабочих лопаток путем предотвращения колебаний рабочих лопаток из-за неоднородности набегающего потока пара. Также увеличение расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток на периферийном участке способствует лучшему дроблению капель влаги, сходящих с выходных кромок направляющих лопаток и, соответственно, снижению эрозии рабочих лопаток, а также повышению экономичности ступени за счет уменьшения торможения рабочих лопаток крупными каплями влаги и предупреждения снижения КПД из-за эрозионного искажения аэродинамических профилей рабочих лопаток. Также увеличение расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток в совокупности с изгибом выходной кромки направляющей лопатки на периферийном участке в направлении против течения пара, способствует максимальному оседанию капель влаги, сходящих с выходных кромок направляющих лопаток на периферийных участках на периферийном обводе ступени, оснащенном влагоприемными желобами для эвакуации влаги из цилиндра низкого давления паровой турбины.Bending of the trailing edge in the axial direction at an angle of -7°<β<35° variable over the entire height of the airfoil between the tangent in the meridional plane to the trailing edge and the radial straight line, the continuous increase in the angle β in the peripheral section from 0° to the maximum value to the peripheral end , allows you to provide an increased distance between the outlet edges of the guide vanes and the input edges of the rotor blades, which helps to equalize the steam parameters in front of the rotor blades due to the blurring of aerodynamic wakes from the trailing edges of the guide vanes and, accordingly, increase the vibration reliability of the rotor blades by preventing vibrations of the rotor blades due to due to inhomogeneities of the oncoming steam flow. Also, an increase in the distance between the trailing edges of the guide vanes and the input edges of the rotor blades in the peripheral section contributes to better crushing of moisture droplets coming off the trailing edges of the guide blades and, accordingly, to a decrease in the erosion of the rotor blades, as well as to an increase in the efficiency of the stage by reducing the drag of the rotor blades by large drops. moisture and prevention of efficiency reduction due to erosive distortion of the aerodynamic profiles of rotor blades. Also, an increase in the distance between the outlet edges of the guide vanes and the leading edges of the rotor blades, together with the bending of the outlet edge of the guide vane in the peripheral section in the direction against the steam flow, contributes to the maximum settling of moisture droplets coming from the outlet edges of the guide vanes in the peripheral sections on the peripheral bypass of the stage, equipped with moisture-receiving chutes for evacuation of moisture from the low-pressure cylinder of the steam turbine.
По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, диапазон угла β выбран следующим образом:Based on the results of computational and experimental studies carried out by the authors, the range of the angle β is chosen as follows:
- при значениях β, меньших -7° чрезмерно увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток, омываемых паром, что приводит к увеличению профильных потерь;- at values of β less than -7°, the area of the profile surfaces of the guide vanes washed with steam increases excessively, which leads to an increase in profile losses;
- при значениях β, больших 35° габариты ступени не позволяют обеспечить компактное размещение элементов проточной части.- at values of β greater than 35°, the dimensions of the stage do not allow for a compact arrangement of the elements of the flow path.
Непрерывное увеличение угла β на периферийном участке от 0° до максимального значения у периферийного торца, то есть значения, большего, чем угол β для любой другой точки выходной кромки, обусловлено возрастанием количества влаги, сходящей с выходных кромок направляющих лопаток к периферийному торцу и, соответственно, необходимостью увеличения расстояния от выходных кромок направляющих лопаток до входных кромок рабочих лопаток для лучшего дробления капель влаги и улучшенного осаждения влаги на периферийном обводе ступени.The continuous increase in the angle β in the peripheral section from 0° to the maximum value at the peripheral end, that is, a value greater than the angle β for any other point of the trailing edge, is due to an increase in the amount of moisture coming from the trailing edges of the guide vanes to the peripheral end and, accordingly , the need to increase the distance from the outlet edges of the guide vanes to the input edges of the working blades for better crushing of moisture drops and improved moisture deposition on the peripheral bypass of the stage.
Изгиб выходной кромки в направлении по течению пара на среднем участке и на корневом участке обеспечивает оптимальное значение осевого расстояния между выходными кромками направляющих лопаток и входными кромками рабочих лопаток с точки зрения экономичности применительно к параметрам пара на указанных участках, характеризующихся меньшей степенью влажности по сравнению с периферийным участком.The bending of the trailing edge in the direction of the steam flow in the middle section and in the root section provides the optimal value of the axial distance between the trailing edges of the guide vanes and the leading edges of the rotor blades in terms of efficiency in relation to the steam parameters in these sections, which are characterized by a lower degree of moisture compared to the peripheral plot.
Улучшенное дробление капель влаги перед рабочими лопатками и оптимизированная эвакуация влаги через влагоприемные желоба способствует сохранению удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток путем предупреждения их эрозионного износа.Improved crushing of moisture droplets in front of the rotor blades and optimized evacuation of moisture through the moisture-receiving troughs contribute to maintaining a satisfactory vibration state of the rotor blades by preventing their erosive wear.
Изгиб выходной кромки в тангенциальном направлении от корневого торца к периферийному торцу в направлении течения пара под переменным по всей высоте аэродинамического профиля углом ε между касательной в тангенциальной плоскости к выходной кромке и радиальной прямой в точке касания к выходной кромке, обеспечивает уменьшение различия термодинамических параметров потока пара в радиальном направлении и, соответственно, уменьшение потерь энергии, связанных с неравномерностью потока пара, а также приводит к увеличению степени реактивности у корневого торца в целях исключения обратных потоков пара и влаги на корневом участке.Bending of the trailing edge in the tangential direction from the root end to the peripheral end in the direction of steam flow at an angle ε variable over the entire height of the airfoil between the tangent in the tangential plane to the trailing edge and the radial straight line at the point of contact with the trailing edge, reduces the difference in the thermodynamic parameters of the steam flow in the radial direction and, accordingly, a decrease in energy losses associated with uneven steam flow, and also leads to an increase in the degree of reactivity at the root end in order to exclude reverse flows of steam and moisture in the root area.
По результатам расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выбор диапазона угла ε 0°<ε<35°, с уменьшением угла ε на корневом участке от корневого торца к периферийному торцу, а на среднем и периферийном участках 0°<ε<5°, обусловлен тем, что при значениях ε, больших 35° на корневом участке, увеличивается относительная высота той части данного участка, на котором имеет место сверхзвуковое течение и, соответственно, дополнительные потери, связанные со скачками уплотнений пара. Также на корневом участке увеличивается площадь профильных поверхностей направляющих лопаток и, соответственно, профильные потери энергии. Также при значениях ε, больших 35° на корневом участке, и значениях ε, больших 5° на среднем и периферийном участках, реактивность ступени возрастает значительно выше значений, необходимых для предотвращения обратных токов пара и влаги, что приводит к неоправданному увеличению потерь, связанных с протечкой пара над рабочими лопатками, а также к возрастанию усилий, действующих на рабочие лопатки и ухудшению их вибрационного состояния.According to the results of computational and experimental studies conducted by the authors, the choice of the range of angle ε 0°<ε<35°, with a decrease in the angle ε on the root section from the root end to the peripheral end, and on the middle and peripheral sections 0°<ε<5°, It is due to the fact that at the values of ε, large 35 ° in the root area, the relative height of that part of this site increases, at which there is a supersonic current and, accordingly, additional losses associated with the surges in steam seals. Also, on the root section, the area of profile surfaces of the guide blades and, accordingly, profile energy losses, increases. Also, at values of ε greater than 35° in the root section, and values of ε greater than 5° in the middle and peripheral sections, the stage reactivity increases significantly above the values necessary to prevent steam and moisture backflows, which leads to an unjustified increase in losses associated with steam leakage over the rotor blades, as well as an increase in the forces acting on the rotor blades and deterioration of their vibration state.
Таким образом, предлагаемая конструкция направляющей лопатки, предназначенной для функционирования в составе ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить повышение внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины за счет уменьшения относительного расхода пара и оптимизации течения пара на периферийном участке, размывания аэродинамических следов от выходных кромок, уменьшения торможения рабочих лопаток крупными каплями влаги путем улучшенного разгона этих капель, уменьшение потерь энергии, связанных с неравномерностью потока пара, сохранение удовлетворительного вибрационного состояния рабочих лопаток в составе ступени и снижение их эрозионного износа за счет улучшенного разгона и дробления капель влаги перед рабочими лопатками, оптимизированной эвакуации влаги и исключения обратных потоков пара и влаги на корневом участке, а также за счет достижения оптимальных значений степени реактивности по всей высоте аэродинамического профиля направляющей лопатки.Thus, the proposed design of the guide vane, intended for operation as part of the steam turbine low-pressure cylinder stage, in the set of essential features disclosed above, makes it possible to increase the internal relative efficiency of the steam turbine low-pressure cylinder stage, and, accordingly, the internal relative efficiency of the steam turbine due to reducing the relative steam consumption and optimizing the steam flow in the peripheral section, blurring aerodynamic wakes from the trailing edges, reducing the drag of the rotor blades by large drops of moisture by improving the acceleration of these drops, reducing energy losses associated with uneven steam flow, maintaining a satisfactory vibration state of the rotor blades in the composition steps and reduction of their erosion wear due to improved acceleration and crushing of moisture drops in front of working blades, optimized evacuation of moisture and excluding the reverse flows of steam and moisture on the root in the first section, as well as by achieving optimal values of the degree of reactivity over the entire height of the airfoil of the guide vane.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения направляющей лопатки, входящей в состав ступени цилиндра низкого давления паровой турбины.Presented graphic materials contain an example of a specific implementation of the guide vane, which is part of the low pressure cylinder stage of a steam turbine.
На фиг. 1 представлен общий вид направляющей лопатки; на фиг. 2 - виды, находящиеся в проекционной связи: вид А на паровыход в тангенциальной плоскости ступени цилиндра низкого давления паровой турбины с направляющими лопатками и вид Б ступени с направляющей лопаткой и рабочей лопаткой в меридиональной плоскости.In FIG. 1 shows a general view of the guide vane; in fig. 2 - species located in a projection connection: type A for the steaming in the tangential plane of the step of the low pressure of the steam turbine with guide blades and the type B of the stage with the guide spatula and the working spatula in the meridional plane.
На фиг. 2 показаны только элементы, важные для понимания изобретения. Не представлены детали паровой турбины, например, корпус цилиндра низкого давления, уплотнения и т.д. Направление течения рабочей среды (пара) показано стрелкой.In FIG. 2 shows only elements important to understanding the invention. Steam turbine parts such as low pressure cylinder housing, seals, etc. are not shown. The direction of flow of the working medium (steam) is shown by an arrow.
Ступень цилиндра низкого давления паровой турбины содержит комплект направляющих лопаток 1, установленных перед комплектом рабочих лопаток 2. Каждая направляющая лопатка 1 имеет аэродинамический профиль с корневым 3 и периферийным 4 торцами, криволинейные входную 5 и выходную 6 кромки, изогнутые в осевом и тангенциальном направлении по всей высоте Н аэродинамического профиля. Профиль входной кромки 5 образован кривой типа В-сплайн, при этом концевые точки данной кривой лежат на корневом 3 и периферийном 4 торцах аэродинамического профиля. Профиль выходной кромки 6 образован кривой типа В-сплайн, концевые точки которой лежат на корневом 3 и периферийном 4 торцах аэродинамического профиля, при этом точке В данной кривой соответствует наибольшая величина координаты по оси X паровой турбины из всех точек данного В-сплайна.The stage of the steam turbine low-pressure cylinder contains a set of
Аэродинамический профиль имеет по высоте корневой h1 и периферийный h2 участки, а также средний участок h3, расположенный между ними. Направляющие лопатки 1 закреплены своими корневыми 3 и периферийными 4 торцами в корневом 7 и периферийном 8 обводе ступени. Корневой 7 и периферийный 8 обводы выполнены коническими, концентричными оси X паровой турбины, имеющими прямолинейные образующие, лежащие в меридиональной плоскости. Меридиональная плоскость образована осью X паровой турбины и радиальной прямой 9.The airfoil has a root height h 1 and a peripheral h 2 sections, as well as an average section h 3 located between them. The
Входная кромка 5 изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте Н углом -7°<α<35° между касательной 10 в меридиональной плоскости к входной кромке 5 и радиальной прямой 9, с непрерывным возрастанием угла α к периферийному торцу 4 на периферийном участке h2, имеющем высоту h2=0,2-0,45 высоты Н. Входная кромка 5 изогнута в направлении против течения пара на периферийном участке h2. Отрицательные значения угла α соответствуют изгибу входной кромки 5 в осевом направлении по течению пара. Положительные значения угла а соответствуют изгибу входной кромки 5 в осевом направлении против течения пара. В конкретном примере выполнения направляющей лопатки 1 на виде Б, значения угла α находятся в указанном диапазоне и являются положительными по всей высоте Н.The
Выходная кромка 6 изогнута в осевом направлении под переменным по всей высоте Н углом -7°<β<35° между касательной 11 в меридиональной плоскости к выходной кромке 6 и радиальной прямой 9, с непрерывным возрастанием угла β от 0° в точке В до максимального значения у периферийного торца 4 на периферийном участке h2. Выходная кромка 6 изогнута в направлении по течению пара на среднем участке h3 и корневом участке h1, высота которого составляет 0,4-0,45 высоты Н. На периферийном участке h2 выходная кромка 6 изогнута в направлении против течения пара. Отрицательные значения угла β соответствуют изгибу выходной кромки 6 в осевом направлении по течению пара. Положительные значения угла β соответствуют изгибу выходной кромки 6 в осевом направлении против течения пара. На границе среднего h3 и периферийного h2 участков в точке В значение угла β всегда равно 0°.The trailing
Выходная кромка 6 изогнута в тангенциальном направлении от корневого торца 3 к периферийному торцу 4 в направлении течения пара под переменным по всей высоте Н углом ε между касательной 12 в тангенциальной плоскости к выходной кромке 6 и радиальной прямой 9 в точке касания к выходной кромке 6. Угол 0°<ε<35° на корневом участке h1 уменьшается от корневого торца 3 к периферийному торцу 4, а на периферийном участке h2 и среднем участке h3 угол 0°<ε<5°.The
Направляющая лопатка 1, включающая аэродинамический профиль, корневой 7 и периферийный 8 торцы, входную 5 и выходную 6 кромки, обычно изготавливается сварной из деталей, получаемых штамповкой и гибкой из листового материала. Для изготовления направляющих лопаток применяют в качестве материалов высокохромистые стали, например, 08X13, 08Х13Ш.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.The proposed design works as follows.
При работе паровой турбины водяной пар, поступающий в цилиндр низкого давления, проходит последовательно через ступени цилиндра низкого давления. Пар поступает на входные кромки 5 направляющих лопаток 1, образующих комплект, проходит через каналы между соседними направляющими лопатками 1, при этом пар расширяется, поступает на входные кромки 13 рабочих лопаток 2 и приводит во вращение ротор 14 паровой турбины (направление вращения ротора 14 показано стрелкой). При этом, в отдельных ступенях цилиндра низкого давления пар может быть влажным. В каналах направляющих лопаток 1 имеет место значительная разница термодинамических и газодинамических параметров по высоте Н аэродинамического профиля, что приводит к существенным потерям энергии вследствие появления дополнительных течений, не совпадающих с расчетным течением пара. В частности, по высоте Н может сильно меняться степень реактивности ступени, увеличиваясь от корневых торцев 3 к периферийным 4. У корневого 3 и периферийного 4 торцев имеют место значительные вторичные течения, связанные с отрывом потоков пара от указанных торцев, приводящие к дополнительным потерям энергии. На выходе пара из каналов направляющих лопаток 1 имеют место аэродинамические следы, вызывающие колебания рабочих лопаток 2, что ведет к снижению их надежности. В результате применения изгиба входных 5 и выходных 6 кромок направляющих лопаток 1 в меридиональной плоскости достигается оптимальное направление линий тока пара. Вследствие этого уменьшаются потери от вторичных течений у корневого 3 и периферийного 4 торцев, увеличивается степень реактивности на корневом участке h1 вблизи корневого торца 3, что предотвращает возникновение обратных токов пара у корневых торцев 3 и снижается степень реактивности на периферийном участке h2, что снижает вибрационную нагрузку на рабочие лопатки 2.During operation of a steam turbine, water vapor entering the low pressure cylinder passes through the stages of the low pressure cylinder in series. The steam enters the input edges 5 of the
При работе ступеней цилиндра низкого давления по поверхностям направляющих лопаток 1, главным образом на периферийных участках h2, движется влага в виде пленок, которые дробятся при сходе с выходных кромок 6, а в потоке пара в каналах соседних направляющих лопаток 1 движутся капли влаги. При соударении капель влаги с рабочими лопатками 2 происходит их эрозия, ведущая к снижению экономичности и вибрационной надежности. Изгиб входных 5 и выходных 6 кромок направляющих лопаток 1 в меридиональной плоскости обеспечивает увеличение осевого зазора между выходными кромками 6 направляющих лопаток 1 и входными кромками 13 рабочих лопаток 2, что способствует размыванию аэродинамических следов от выходных кромок 6 и, соответственно, улучшению вибрационного состояния рабочих лопаток 2, лучшему разгону капель влаги и, соответственно, лучшему дроблению капель влаги на более мелкие, и меньшим значениям скоростей соударения капель влаги с рабочими лопатками 2. Также увеличение осевого зазора между выходными кромками 6 направляющих лопаток 1 и входными кромками 13 рабочих лопаток 2 способствует лучшему оседанию части капельной влаги, сосредоточенной у периферийного торца 4, на периферийном обводе 8 ступени, оснащенном влагоприемными желобами 15 и оптимизированной эвакуации влаги через указанные желоба 15.During the operation of the stages of the low-pressure cylinder, moisture moves in the form of films along the surfaces of the
Изгиб выходных кромок 6 в тангенциальной плоскости в совокупности с изгибом в меридиональной плоскости обеспечивает при прохождении потоком пара каналов направляющих лопаток 1 оптимальное с точки зрения экономичности распределение термодинамических параметров пара, по высоте Н аэродинамического профиля, в частности, повышения степени реактивности, что позволяет избежать обратных токов пара у корневого обвода 7.The bend of the output edges 6 in the tangential plane, together with the bend in the meridional plane, provides, when passing by a stream of pair of channels of the
Как показали результаты расчетно-экспериментальных исследований, проведенных авторами, выполнение согласно предлагаемому техническому решению в совокупности существенных признаков обеспечивает прирост внутреннего относительного КПД ступени цилиндра низкого давления паровой турбины до 0,4%, и, соответственно, внутреннего относительного КПД паровой турбины до 0,04%, а также дополнительное снижение темпа эрозионного износа рабочих лопаток в 1,5-1,8 раза.As shown by the results of computational and experimental studies conducted by the authors, the implementation according to the proposed technical solution in the aggregate of essential features provides an increase in the internal relative efficiency of the steam turbine low-pressure cylinder stage up to 0.4%, and, accordingly, the internal relative efficiency of the steam turbine up to 0.04 %, as well as an additional reduction in the rate of erosive wear of rotor blades by 1.5-1.8 times.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789652C1 true RU2789652C1 (en) | 2023-02-07 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813717C1 (en) * | 2023-08-21 | 2024-02-15 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Working blade of high-load stage of steam turbine |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1475267A (en) * | 1922-07-12 | 1923-11-27 | Gen Electric | Elastic-fluid turbine |
| GB1080015A (en) * | 1963-11-13 | 1967-08-23 | English Electric Co Ltd | Steam turbines |
| SU1268748A1 (en) * | 1985-05-27 | 1986-11-07 | Ленинградский Ордена Ленина Кораблестроительный Институт | Steam turbine nozzle |
| US4714407A (en) * | 1984-09-07 | 1987-12-22 | Rolls-Royce Plc | Aerofoil section members for turbine engines |
| RU2173780C1 (en) * | 1999-12-29 | 2001-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова" | Turbine stage guide blade |
| RU2666710C1 (en) * | 2017-12-12 | 2018-09-11 | Публичное акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ПАО "Силовые машины") | Fixed vane of wet steam turbine |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1475267A (en) * | 1922-07-12 | 1923-11-27 | Gen Electric | Elastic-fluid turbine |
| GB1080015A (en) * | 1963-11-13 | 1967-08-23 | English Electric Co Ltd | Steam turbines |
| US4714407A (en) * | 1984-09-07 | 1987-12-22 | Rolls-Royce Plc | Aerofoil section members for turbine engines |
| SU1268748A1 (en) * | 1985-05-27 | 1986-11-07 | Ленинградский Ордена Ленина Кораблестроительный Институт | Steam turbine nozzle |
| RU2173780C1 (en) * | 1999-12-29 | 2001-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова" | Turbine stage guide blade |
| RU2666710C1 (en) * | 2017-12-12 | 2018-09-11 | Публичное акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ПАО "Силовые машины") | Fixed vane of wet steam turbine |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2815341C1 (en) * | 2023-05-31 | 2024-03-13 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Steam turbine working blade |
| RU2813717C1 (en) * | 2023-08-21 | 2024-02-15 | Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины") | Working blade of high-load stage of steam turbine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2492440B1 (en) | Turbine nozzle blade and steam turbine equipment using same | |
| RU2549387C2 (en) | Blade with airfoil and axial turbomachine | |
| EP1082545B1 (en) | Turbomachinery impeller | |
| EP0704602B1 (en) | Turbine blade | |
| KR100566759B1 (en) | Turbine nozzle vane | |
| US7229248B2 (en) | Blade structure in a gas turbine | |
| US20110164970A1 (en) | Stator blade for a turbomachine, especially a stream turbine | |
| US9404368B2 (en) | Blade cascade and turbomachine | |
| US6099248A (en) | Output stage for an axial-flow turbine | |
| JP2009531593A5 (en) | ||
| US4643645A (en) | Stage for a steam turbine | |
| US9441502B2 (en) | Gas turbine annular diffusor | |
| US9004850B2 (en) | Twisted variable inlet guide vane | |
| GB2481822A (en) | Rotor blade with air flow passages | |
| US9011084B2 (en) | Steam turbine stator vane and steam turbine using the same | |
| EP1057969B1 (en) | Turbine device | |
| US20070071606A1 (en) | Turbine blade | |
| CN106256994B (en) | Axial flow turbine | |
| RU2789652C1 (en) | Steam turbine low pressure cylinder stage guide vane | |
| JP2010534792A (en) | Steam turbine stage | |
| US20050175448A1 (en) | Axial flow turbo compressor | |
| RU2353818C1 (en) | Vaned diffuser of centrifugal compressor | |
| CN110778532A (en) | Air gap fin for turbine engine compressor | |
| GB2162587A (en) | Steam turbines | |
| CA1253438A (en) | Stage for a steam turbine |