Ротор паровой или газовой турбины - RU2347913C2
Код документа: RU2347913C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к ротору паровой или газовой турбины с признаками ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Следующее описание относится к применению изобретения в паровой турбине. Сказанное также относится и к газовым турбинам.
Паровые турбины используются в основном в качестве турбин электростанций для производства электрического тока и в качестве промышленных турбин, используемых для привода генераторов, насосов, вентиляторов и компрессоров. Паровая турбина является теплоэнергетической машиной с вращающимися ходовыми деталями, в которой перепады теплосодержания постоянно протекающего пара в одной или нескольких ступенях преобразуются в механическую работу.
Лопаточная решетка вращающейся подвижной части турбины должна по возможности без потерь преобразовывать тепловое содержание пара в энергию скорости и возникающие при этом силы передавать на вал и корпус турбины. Пар при этом протекает из области с высоким давлением через сопло в область пониженного давления. Чем больше перепад давлений, тем больше получается достигаемая скорость пара. После выхода из сопла пар попадает на изогнутый профиль первой ступени с рабочими лопатками, так называемую ступень регулирования. Затем в стационарной ступени с направляющими лопатками осуществляется отклонение, чтобы затем снова проходить через следующую ступень с рабочими лопатками. В зависимости от конструкции и размеров турбины процесс многократно повторяется. Длина профиля рабочих и направляющих лопаток возрастает в направлении потока. Благодаря этому увеличивается пропускное пространство, вследствие чего уменьшается давление и температура пара. Большие турбины подразделены на части высокого, среднего и низкого давления.
Профиль каждой лопатки представляет компромисс между динамическими, прочностными, циклическими и экономическими требованиями. Профили лопаток имеются в распоряжении большей частью с геометрическими расположенными уступами длинами хорд. Лопатки в турбине подвергаются всесторонним нагрузкам и напряжениям. Для того чтобы обеспечить длительный срок службы и избежать повреждений, лопатки должны быть соответственно надежно рассчитаны в отношении параметров и придания формы. Рабочая лопатка должна иметь, например, достаточную прочность, чтобы воспринимать нагрузку от возникающих центробежных сил, а также изгибающие усилия вследствие передаваемого момента вращения. Другими нагрузочными факторами являются температура на входе максимум 530°С и возникающая в области низкого давления вследствие влажности пара эрозионная коррозия на входных сторонах профиля.
В дополнение к нагрузкам от центробежных сил, температуры и эрозионной коррозии добавляется еще и циклическая нагрузка рабочих лопаток. Рабочие лопатки побуждаются к колебаниям вследствие протекающего пара в сочетании с другими воздействующими усилиями. Циклические нагрузки с течением времени приводят к изменению структуры материала лопаток. Вначале в близких к поверхности областях образуются трещины субмикроскопического размера, которые с течением времени объединяются. После фазы повреждения при объединении трещин образуется техническая трещина, которая проходит перпендикулярно наибольшему главному нормальному напряжению и вызывает заметное увеличение напряжения в вершинах трещин. Если трещину не выявили или лопатку не заменили, то в конце процесса происходит усталостное разрушение. В технологии материалов повреждения из-за циклических нагрузок относятся к наиболее частым причинам повреждений, так как, с одной стороны, неизвестны фактические суммарные нагрузки, а во-вторых, вследствие большого числа факторов, связанных с технологией материалов, нельзя разработать никакой единой теории.
Для подавления колебаний на рабочих лопатках паровых турбин применяют среди прочих следующие решения:
При больших лопатках конечной ступени в области низкого давления турбины колебания подавляет проходящая в отверстия в области профиля проволока.
При рабочих лопатках, которые подвергаются нагрузкам лишь от небольшой окружной скорости, по сегментам приклепывается бандажная лента с помощью расклепывания конца профиля лопаток, установленных в роторе турбины. Этот вариант осуществления часто находит применение в более старых турбинах. В современных турбинах с большими окружными скоростями прочность заклепочного соединения является недостаточной. Здесь заклепочный вариант исключается.
В областях высокого и среднего давления турбин в настоящее время используют почти исключительно рабочие лопатки с бандажами, в которых сочетаются высокие прочностные свойства с высокими коэффициентами полезного действия. Лопатки и относящаяся к ним часть бандажной ленты (бандажа) при этом варианте осуществления образуют единый узел. Бандажи отдельных рабочих лопаток после своей установки в роторе турбины образуют кольцо. Подавление колебаний осуществляется в них на контактных поверхностях между отдельными лопатками. Таким образом исключается недостаток, связанный с малой прочностью заклепочного соединения.
Вариант осуществления рабочих лопаток, снабженных бандажами, имеет, однако, следующие недостатки. На практике не всегда возможно в одной ступени, например со 100 рабочими лопатками, установить их без зазоров относительно друг друга из-за имеющихся в каждой рабочей лопатке различных допусков. Другой причиной являются большие центробежные силы, которые в рабочем состоянии турбины воздействуют на каждую лопатку. Центробежные силы приводят к тому, что лопатки несколько смещаются наружу. Так как каждая рабочая лопатка своими поверхностями корня и бандажа образует клин, то вследствие описанного смещения лопаток наружу происходит образование зазора у поверхностей бандажа между отдельными лопатками. Вследствие образования зазора колебания больше не подавляются желательным образом.
Чтобы избежать описанного недостатка, обусловленного образованием зазора между бандажами рабочих лопаток, в распоряжении имеется множество известных решений.
В обеих плоских поверхностях бандажей после установки рабочих лопаток в ротор турбины вытачивается по плоскому пазу, в котором располагается проходящая по периметру проволока. С помощью проволоки лопатки связаны между собой и колебания подавляются. Недостатком этого решения является то, что в распоряжении должна находиться достаточная высота бандажа, чтобы можно было встраивать проволоку. Большой вес бандажа ввиду принимаемых во внимание результатов при расчете прочности приводит к снижению возможного числа оборотов турбины.
При втором варианте осуществления бандажи изготовляют с малым угловым поворотом относительно корня лопатки. После своей установки в роторе турбины рабочие лопатки находятся под воздействием некоторого напряжения кручения, которое компенсирует образование зазора и благодаря этому обеспечивает подавление колебаний. Однако это решение является дорогим в отношении технологии изготовления и с трудно рассчитываемыми параметрами.
Далее рабочие лопатки для своего применения должны иметь определенную минимальную длину, чтобы можно было производить напряжение кручения. С течением времени напряжение снижается вследствие износа на контактных поверхностях и усталости материала. В этом случае колебания больше не подавляются.
Из JP 06-221102 известна система для демпфирования колебаний лопатки. При этом противолежащие друг другу боковые поверхности бандажей рабочих лопаток снабжены пазами, которые совместно образуют соответствующее полое пространство, в котором находится штифт. При эксплуатации штифты посредством центробежной силы перемещаются наружу до соприкосновения с внутренними поверхностями полого пространства, вследствие чего демпфируются колебания. Образующие полое пространство пазы могут быть выполнены в форме полукруга или прямоугольной трапеции. Полукруглые пазы могут точно изготавливаться лишь с очень большими трудностями и ввиду своей переменной формы не обеспечивают надежного уровня демпфирования, а трапецеидальные пазы могут изготавливаться только за счет прецизионного литья.
В основе изобретения лежит задача снабдить соответствующие родовому понятию рабочие лопатки ротора турбины эффективно действующим демпфером, который изготавливается просто и с незначительными затратами. Изобретение также должно иметь возможность использования в рабочих лопатках, которые устанавливаются в турбинах с большим числом оборотов, а также в рабочих лопатках, которые имеют малую общую длину и малую высоту бандажа.
Указанная задача решается согласно изобретению в роторе паровой или газовой турбины с рабочими лопатками, которые закрепляются в роторе в несколько радиальных рядов и которые состоят из установленного в ротор корня лопатки, рабочей стороны лопатки и бандажа. В расположенных напротив друг друга наклонных поверхностях бандажей ряда рабочих лопаток выполнены открытые вырезы, при этом вырезы двух соседних бандажей вместе образуют, по существу, закрытое полое пространство, которое в радиальном направлении ротора вначале расширяется до наибольшего поперечного сечения, а затем снова сужается. В каждое полое пространство с возможностью свободного перемещения вставлен штифт, наибольшее поперечное сечение которого меньше наибольшего поперечного сечения полого пространства и больше, чем наименьшее поперечное сечение полого пространства. Полое пространство выполнено в форме капли и исходя от наибольшего поперечного сечения клинообразно сужается. Угол при вершине клина, который образуют друг с другом внутренние поверхности вырезов полого пространства больше, чем угол, при котором имеет место самоторможение штифта в полом пространстве.
Предпочтительно вырезы двух соседних бандажей выполнены зеркально-симметрично либо асимметрично относительно друг друга.
Кроме того, форма штифта может быть согласована с формой полого пространства, а штифт выполнен цилиндрическим.
В изобретении в обеих наклонных поверхностях бандажей образовано по вырезу клинообразной формы. При установке рабочих лопаток два выреза в контактных поверхностях рабочих лопаток соответственно образуют закрытое со всех сторон полое пространство, которое имеет форму капли или груши. В каждое полое пространство при установке рабочих лопаток в ротор вставляется штифт, который по своей форме и размеру соответствует полому пространству. Штифт может иметь цилиндрическую или подобно вырезу также профилированную форму. Важным является то, что штифт по своему поперечному сечению и своей длине непринужденно расположен в полом пространстве. Он должен, таким образом, со всех сторон иметь зазор, чтобы поверхности разъема рабочих лопаток контактировали при их установке.
В рабочем состоянии турбины вставленные с зазором штифты вследствие центробежных сил выдвигаются в полом пространстве наружу. Таким образом, они создают независимо от величины имеющегося в данном случае зазора между поверхностями бандажей соединение между рабочими лопатками. Благодаря контактным поверхностям между рабочей лопаткой и штифтом подавляются колебания внутри ступени с рабочими лопатками. Угол при вершине клина в полом пространстве должен быть иным, чем угол, при котором имеет место самоторможение штифта. Обе торцевые стороны в полом пространстве и торцевые стороны штифта должны быть так подогнаны друг к другу, чтобы штифт не заклинило.
Пара материалов между рабочей лопаткой и штифтом подбирается для обеспечения малого износа.
Изобретение имеет следующие преимущества. Каждый штифт с помощью равномерной силы нажатия индивидуально подгоняется к возникающему благодаря тепловому расширению и центробежной силе зазору между рабочими лопатками. В состоянии покоя в ступени легко снимаются напряжения. Действие изобретения считается эффективным в течение всего периода эксплуатации установленной ступени рабочих лопаток. Изготовление является простым и может быть осуществлено с малыми затратами.
Вариант осуществления изобретения представлен на чертежах и поясняется далее более подробно. На чертежах показано:
Фиг.1 - вид спереди рабочей лопатки,
Фиг.2 - вид сбоку фиг.1,
Фиг.3 - вид сверху фиг.1,
Фиг.4 - осевой разрез IV-IV по фиг.5 через рабочую лопатку, установленную в роторе,
Фиг.5 - радиальный разрез V-V по фиг.4,
Фиг.6 - увеличенный вид спереди выреза в бандаже со вставленным штифтом,
Фиг.7 - разрез VII-VII по фиг.6 с обозначенной хвостовой фрезой,
Фиг.8 - область X по фиг.5 в увеличенном масштабе в состоянии покоя турбины,
Фиг.9 - область X по фиг.5 в увеличенном масштабе в рабочем состоянии турбины,
Фиг.10 - треугольник сил относительно центробежной силы, оказываемой на штифт,
Фиг.11 - вариант профилированного штифта и
Фиг.12 - особый вариант уменьшенной по высоте выемки для наименьшей высоты бандажей.
Лопатка турбины, которая используется предпочтительно в области высокого или среднего давления турбины, состоит из корня 1 лопатки, имеющего коническую форму и в представленном случае выполненного в виде вставного хвостовика, а также из имеющей обтекаемую форму рабочей стороны 2 лопатки и из расположенного на конце профиля рабочей стороны 2 лопатки бандажа 3, который обеими своими поверхностями раздела расположен в одной радиальной плоскости с обеими скошенными поверхностями корня лопатки. Поперечное сечение корня 1 лопатки и бандажа 3 представлено на фиг.3 в виде прямоугольника. Однако изобретение одинаковым образом может быть использовано для рабочих лопаток с ромбическим поперечным сечением.
Корни 1 лопаток радиально вставлены в приспособленный, проходящий по периметру паз ротора 6 турбины и в представленном случае по фиг.4 закреплены в роторе 6 соответственно двумя коническими штифтами 7. Кроме того, форма корней 1 лопаток может быть выполнена отличной от представленной, например, в виде простой или двойной Т-образной формы. Корни 1 лопаток и бандажи 3 расположенных последовательно рабочих лопаток в установленном состоянии согласно фиг.5 плотно прилегают друг к другу, при этом существует зазор А малой ширины (фиг.9).
В расположенных напротив друг друга наклонных поверхностях бандажей 3 двух соседних рабочих лопаток с помощью концевой фрезы 8 изготовляют путем фрезерования открытый вырез 5, который проходит через среднюю область на уровне бандажа. В зависимости от диаметра фрезы получается различное профилирование на наклонных поверхностях бандажа 3. Концевая фреза 8 и способ ее работы показаны на фиг.7.
Вырезы 5 двух соседних бандажей 3 в представленном примере выполнены зеркально-симметричными относительно друг друга и образуют вместе, по существу, замкнутое полое пространство. Действие изобретения, однако, сохраняется также в том случае, если оба соседних выреза 5 в противоположность представленному варианту образуют асимметричное полое пространство. Асимметрия может возникать вследствие различных допусков по высоте и глубине вырезов 5 при их изготовлении. Но можно также выбирать различные углы при вершине клина в двух соседних вырезах 5. Для того чтобы установить в ступень последнюю (конечную) рабочую лопатку, может потребоваться, чтобы оба выреза у этой лопатки были выполнены открытыми с профилированной стороны лопатки, чтобы избежать столкновения с обоими вставленными штифтами 4 соседних лопаток. Кроме того, вследствие этого возникает асимметричное полое пространство.
Образованное вырезами 5 полое пространство сужается в радиальном направлении ротора 6. Как можно увидеть на фиг.11 и 12, полое пространство образовано в форме капли, причем поперечное сечение полого пространства вначале расширяется до наибольшего поперечного сечения, чтобы затем снова клинообразно сузиться.
В образованное вырезами 5 полое пространство с возможностью свободного перемещения вставлен штифт 4, наибольшее поперечное сечение которого меньше, чем наибольшее поперечное сечение полого пространства, но больше, чем его наименьшее поперечное сечение. Штифт 4 на обоих концах имеет скос, чтобы избежать нежелательного заклинивания в полом пространстве в продольном направлении. Форма штифта может быть цилиндрической (фиг.12) или профилированной (фиг.11) и соответствовать форме вырезов 5.
На фиг.8 и 9 показано функционирование изобретения. В состоянии покоя машины (фиг.8) положение штифтов 4 в полом пространстве определяется силой тяжести, так что штифт 4 лежит на дне полого пространства. В рабочем состоянии (фиг.9) все штифты 4 в полом пространстве вследствие воздействующей на штифты 4 центробежной силы выдавливаются наружу. Имеющийся зазор А между бандажами 3 двух соседних рабочих лопаток перекрывается штифтом 4, и колебания на рабочих лопатках гасятся за счет контактных поверхностей или поверхностей трения между бандажом 3 и штифтом 4.
На фиг.10 показано распределение сил с помощью центробежной силы (Fz) в зависимости от угла альфа при вершине клина. Меньший угол в вершине клина приводит к увеличению нормального усилия (Fn) и окружного усилия (Fu).
Высота полого пространства определяется углом при вершине клина, который образуют друг с другом вырезы 5. На фиг.12 представлены вырезы 5, у которых обе поверхности клина расположены под углом меньше 90° относительно друг друга. Высота вырезов благодаря этому снижена. Этот вариант осуществления можно использовать при малых высотах бандажей.
Реферат
Ротор паровой или газовой турбины содержит рабочие лопатки, закрепленные в нем в несколько радиальных рядов и состоящие из установленного в ротор корня лопатки, рабочей стороны лопатки и бандажа. В расположенных напротив друг друга наклонных поверхностях бандажей ряда рабочих лопаток выполнены открытые вырезы. Вырезы двух соседних бандажей вместе образуют, по существу, закрытое полое пространство, которое в радиальном направлении ротора вначале расширяется до наибольшего поперечного сечения, а затем снова сужается. В каждое полое пространство с возможностью свободного перемещения вставлен штифт, наибольшее поперечное сечение которого меньше наибольшего поперечного сечения полого пространства и больше, чем наименьшее поперечное сечение полого пространства. Полое пространство выполнено в форме капли и исходя от наибольшего поперечного сечения клинообразно сужается. Угол при вершине клина, который образуют друг с другом внутренние поверхности вырезов полого пространства, больше, чем угол, при котором имеет место самоторможение штифта в полом пространстве. Изобретение позволяет повысить надежность ротора турбины за счет обеспечения демпфирования колебаний, возникающих при работе турбины. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
