Регулирующая ступень турбомашины

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК а) Р 01 П 9/02 5/ БРЕТЕНСТВУ 6 надежности рабочих лопатки на граниолнены с высотойедней части сегмен высоты зоны лопато оотношения ния вибрационнойлопаток, сопловыецах сегментов вып меньше тов, а опреде й, чем в с изменение ляется изе; е меньшей .выгранице сегде ш - числ сото ментпоря мень мойлопато ка ер лопатки с й, отсчитываеграницы сегмен. ковый но ей высот т каждой УПЕНЬпаровой лопатки, и сег" новленные чаю. - повышета,, - уменьшенная ки сота-й лопатпри ГОСУДАРСТЮННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СОИДЕТЕЛБ(54)(57) 1. РЕГУЛИРУКЩАЯ СТТУРБОИАШИНЫ, преимущественнотурбины, содержащая рабочиезакрепленные в диске ротора,менты сопловых лопатокустав сопловых коробках, о т л ищ а я с я тем, что, с целью остоянная высота лопатредней части сегмента,14 пФ 5,1( ш,1103000 2. Ступень по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что расстояние Ь между соседними сегментами определяется из соотношения Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может бытьиспользовано преимущественно в паровых турбинах.Известна дроссельная система парораспределения для регулирования расхода рабочего тела (для паровой турбины - расхода пара) с помощью одного или нескольких регулирующих клаланов, причем после прохождения клапа О нов рабочее тело направляется одновременно ко всем равномерно расположенным по окружности сопловым лопаткам,.а затем к рабочим лопаткам турбины 11 .Недостатком такой дроссельной системы парораспределения является снижение экономичности турбины при частичных нагрузках из-за дополнитель"ных потерь в неполйостью открытых 20 регулирующих клапанах.Известна также регулирующая ступень турбомашины, преимущественнопаровой турбины, содержащая рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, 21 и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках. Это так называемое сопловое парораспределение, при котором пар от каждого из регулирующих клапанов подводится ЗО к самостоятельному, не связанному с другими, сегменту сопловых лопаток, причем открытие клапанов произ. водится постепенно, по мере возрастания мощности турбины, Сопловые лопатки, принадлежащие различным сегментам, расположены последовательно по окружности на одном и том же ра. диусе, в результате чего рабочие лопатки при вращении ротора проходят поочередно мимо сопловых лопаток различных сегментов. Потери в регулирующих клапанах в случае соплового парораспределения оказываются значительно меньшими, чем при дроссельном парораспределении 21 .Однако при сопловом парораспределении оказываются более тяжелыми условия эксплуатации вращающихся рабочих лопаток, проходящих поочередно то мимо сегментов сопловых лопаток, в которые пар подается, то мимо сегментов, в которые пар не поступает, В результате рабочие лопатки подвергаются значительным перемен" ным во времени усилиям, обусловленным поочередной нагрузкой и разгружением лопаток при прохождении мимо различных сегментов, Так как время нагружения и разгрузки рабочих лопаток весьма мало, то в них могут возникнуть значительные динамические напряжения, приводящие в некоторых случаях к усталостным поломкам лопаток регулирующей ступени. Для повышения вибрационной надежности рабочие лопатки соединяются в пакеты, что приводит к возрастанию времени нагружения и разгрузки и, тем самым, к снижению уровня динамических напряжений в лопатках. Кроме того, динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени возникают и из-за неравномерности потока пара, создаваемой потенциальными воз.мущениями и вязкими следами сопловых лопаток. Возникающие при этом максИ- мальные по величине возмущающие силы, действлощие на рабочие лопатки, имеют частоты, близкие к и , где и - частота вращения турбины; г - число сопловых лопаток (условное), которое разместилось бы по окружности при установке с равномерным шагом (й), равным фактическому шагу сопловых лопаток. Цель изобретения - повышение вибрационной надежности рабочих лопаток регулирующей ступени турбомашины.Указанная цель достигается тем, что в регулирующей ступени турбомаши,Э 1103000 ны, преимущественно паровой турбины, содержащей рабочие лопатки, закрепленные в диске ротора, и сегменты сопловых лопаток, установленные в сопловых коробках, сопловые лопатки на границах сегментов выполнены с высотой меньшей, чем в средней части сегментов, а изменение высоты зоны лопаток определяется из соотношения 10 где в - число лопаток с меньшей высотой на каждой границе сегмея"15та;- порядковый номер лопатки сменьшей высотой, отсчитываемой от каждой границы сегмента; 201 в уменьшенная высота ( -й лопатки;3- постоянная высота лопатокв средней части сегмента,при этом 1."ш 65 1 с в,ф25Расстояние 5 между соседними сегментами определяется из соотношения(а, б)с Ъ с (а,4),где й - шаг сопловых лопаток;а - целое число, при этом 1 а 610,На фиг. 1 изображен один из сег 30ментов регулирующей ступени, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечныйразрез А-А сегмента с шагами сопловых лопаток, равными 1 ; на фиг.3 -то же с одной лопаткой уменьшеннойвысоты на каждой границе; на фиг.4. то же, с шагами сопловых лопаток Си1,Фотличными от й; на фиг. 5 - то же,с двумя лопатками уменьшенной высотына каждой границе; яа фиг. 6 - поперечный разрез двух соседних сегментов; на фиг. 7 - зависимость относительной величины возмущающей силы отрасстояния между сегментами.Регулирующая ступень турбомашияы 45содержит рабочие лопатки 1, закрепленные в диске 2 ротора 3, и сегменты 4 сопловых лопаток 5, установленные в сопловых коробках. Перед сегментами 4 установлен регулирующий 50клапан. Сопловые лопатки на границах сегментов 4 выполнены меньшейвысоты, чем высота лопаток 5 в средней части сегментов 4, а изменениевысоты зоны лопаток огФеделяется из 55соотношенияК .в+1 а( - -)Я де в - число лопаток с меньшей высотой на каждой границе сегмента 4;- порядковый номер лопаткис меньшей высотой, отсчитываемой от каждой границы сегмента 4;; - уменьшенная высота-й сопловой лопатки;- постоянная высота сопловыхлопаток 5 в средней частисегментов,при этом 16 в.5, ь в.Сегменты расположены друг от дру.га на расстоянии , определяемомсоотношением(а,6)сйс(а,4(.где- шаг сопловых лопаток;а - целое число, причем 1 а 10.Сопловые лопатки в сегментах 4установлены с различными шагами, причем разница в величинах шагов Ь 1определяется соотношениемь 8+1ггде 3 - число сегментов 4;г - общее число сопловых лопаток ступени при установкеих с одинаковым шагом йРегулирующая ступень турбомашины(паровой турбины) работает следующимобразом.При вращении ротора 3 турбинырабочие лопатки 1 поочередно проходят то мимо сегментов 4, в которыепар поступает, то мимо других сегментов 4, в которые пар не подаетсяРабочие лопатки 1 подвергаются при ,фэтом переменным во времени усилиям,вызывающим в них динамические напряжения. Снижение. уровня динамическихнапряжений в рабочих лопатках 1 и по.вышение вибрационной надежности данной регулирующей ступени объясняются следующими причинами.При выборе меньшей высоты сопловыхлопаток на границах сегментов нагружение и разгрузка рабочих лопатокпроисходит медленнее, что приводитк повышению их вибрационной надежности. Это объясняется тем, что динами- .ческие напряжения в рабочих лопаткахпропорциональны напряжениям парового изгиба и уменьшаются при возрастании времени нагружения и разгрузки. Так как напряжения парового изгиба в рабочих лопатках пропорциональны квадрату высоты сопловых лопаток, то при меньших высотах сопловых ло30 паток на границах сегментов времяполного нагружения и разгрузки рабочих лопаток возрастет. Например,1 д Опри условии - = в ,=ь=3,7 й 5где Ю 6, Ю 5 - высота соответственно,первой второй, третьей сопловыхлопаток на границах сегментов:постоянная высота сопловых лопаток10в средней части сегментов, нагрузкана рабочие лопатки эа время прохождения первого шага сопловых лопатоквозрастает до 1/2 от номинальной(сегмент 4 на фиг. 3), а при условииЧ з 4Е ф Е =Чэнагрузка за время йрохождения первого шага возрастает до 1/3, а второ.го шага - до 2/3 от номинальной(сегмент 4 на фиг. 5). В общем слуго4Е +1 гчае если= ( - .-), где ш - числоФелопаток с меньшей высотой на каждой: .=егранице сегментацию25то нагрузка на рабочие лопатки эавремя прохождения первого шага сопловых лопаток составляет2- от номинальной, второго шага - "ши т.д.Динамические напряжения в рабочих лопатках регулирующей стпенипри резонансных колебаниях 1 тонаопределяются формулойг 1 8 8 35= 1+- --- . -- , (1)К 8 И,)+0 5) "где М - число колебаний рабочей лопатки эа оборот ротора турби.ны;О - декремент колебаний;8 - число сегментов сопловых лопаток;- число целых колебаний рабочей лопатки за время нагружения или разгрузки;456 - напряжения парового изгибав рабочих .лопатках,Так как при колебаниях рабочихлопаток регулирующей ступени величина декремента может быть весьма мала 50(8-0,01-0,02), то второе слагаемое в формуле (1) много больше первого и именно оно определяет величину динамических напряжений. Поэтому увеличение времени нагружения и разгрузки сопровождается возрастанием величины 1, и в соответствии с формулой (1) приводит к снижению уровня динамических напряжений в рабочих лопатках.Дополнительное снижение динамических напряжений в рабочих лопатках достигается выбором рационального расстояния между сегментами, обеспечивающим сдвиг по фазе и частичную компенсацию возмущающих сил с частотами.К"-пг, действующих на рабоиие лопатки от сопловых лопаток, расположенных в разных сегментах.Зависимость относительной амплитуды возмущающей силы (Ро) от расстояния (Ъ) между сегментами, показанными на фиг. 6 в случае открытия всех регулирующих клапанов и при одинаковых расстояниях между сегментами приведена на фиг. 7. Как видно из фиг, 7 если расстояние между сегментами заключено в диапазоне (а,6).Е (а,4), где а - целоеЬчисло, то относительная величина возмущающих сил с частотами Г"пг умень" шается на 25-357 по сравнению со слуЬчаем - =а.йДополнительное снижение уровня динамических напряжений в рабочих лопатках достигается также и за счет выбора различных шагов сопловых лопаток в сегментах, т,е., например, при условии й Ф 1 , где й и с" шаги сопловых лопаток в сегментах на фиг. 2 и 4. В том случае, когда шаги сопловых лопаток во всех 8 сегментах различны, амплитуды возмущающих сил с частотами Е пг могут быть уменьшены поти в Я раэ за счет увеличения числа отличных от нуля гармоник возмущающих сил., Ж, Рауш Подписное ета СССР открытий б., д, 4/5