Ротор паровой или газовой турбины
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.
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.
1. Ротор паровой или газовой турбины с рабочими лопатками, которые закрепляются в роторе (6) в несколько радиальных рядов и которые состоят из установленного в ротор (6) корня (1) лопатки, рабочей стороны (2) лопатки и бандажа (3), причем в расположенных напротив друг друга наклонных поверхностях бандажей (3) ряда рабочих лопаток выполнены открытые вырезы (5), при этом вырезы (5) двух соседних бандажей (3) вместе образуют по существу закрытое полое пространство, которое в радиальном направлении ротора (6) вначале расширяется до наибольшего поперечного сечения, а затем снова сужается, причем в каждое полое пространство с возможностью свободного перемещения вставлен штифт (4), наибольшее поперечное сечение которого меньше наибольшего поперечного сечения полого пространства и больше, чем наименьшее поперечное сечение полого пространства, отличающийся тем, что полое пространство выполнено в форме капли и исходя от наибольшего поперечного сечения клинообразно сужается, причем угол при вершине клина, который образуют друг с другом внутренние поверхности вырезов (5) полого пространства больше, чем угол, при котором имеет место самоторможения штифта (4) в полом пространстве.
2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что вырезы (5) двух соседних бандажей (3) выполнены зеркально-симметричными относительно друг друга.
3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что вырезы (5) двух соседних бандажей (3) выполнены асимметрично относительно друг друга.
4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что форма штифта (4) согласована с формой полого пространства.
5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что штифт (4) является цилиндрическим.
