Антиэрозийная рабочая лопатка для последних ступеней паровых конденсационных турбин

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и призвано защищать рабочие лопатки последних ступеней конденсационных паровых турбин от влажной паровой эрозии входных кромок указанных рабочих лопаток. Предложена рабочая лопатка для последних ступеней конденсационных паровых турбин, ее выпуклая поверхность в верхней части на длине, подверженной эрозийному износу, выполнена с продольно-ориентированным оребрением по направлению движения пара с высотой ребер h≥5 мм при шаге t≤2 мм и с толщиной ребер δ≤0,5 мм. Технический результат - снижение энергии силового взаимодействия капель влаги с обтекаемыми поверхностями, защита лопатки от эрозийного износа, повышение вибрационной надежности лопатки. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и призвано защищать рабочие лопатки последних ступеней конденсационных паровых турбин от влажной паровой эрозии входных кромок указанных рабочих лопаток.

Суть проблемы состоит в том, что в конденсационных паровых турбинах их последние ступени работают в области влажно-парового потока, степень влажности которого достигает 8-10%. В этих условиях поверхности входных кромок рабочих лопаток при контакте с высокоскоростными каплями влажно-парового потока подвергаются интенсивному эрозийному износу.

Для его замедления опасные с точки зрения эрозийного износа поверхности защищаются либо с помощью крепления к ним стеллитовых пластин, устойчивых к влажно паровой эрозии, либо путем специальных эрозионноустойчивых покрытий (см., например, А.В. Щегляев, Паровые турбины. Энергоатомиздат. М. 1993; Б.М. Трояновский, Паровые турбины АЭС).

Однако все известные меры защиты, основанные на использовании более устойчивых к каплеударной эрозии поверхностей, не исключают эрозийного износа, а только продлевают срок эксплуатации лопаточного аппарата конденсационных паровых турбин.

В отличие от указанных аналогов, предлагается принципиально другой метод защиты поверхностей от ударно-капельной эрозии, состоящий не в увеличении стойкости поверхностей к указанному виду эрозии, а в снижении энергии силового взаимодействия капель влаги с обтекаемыми поверхностями.

Конструктивная суть предлагаемого изобретения иллюстрируется фигурой 1, где приняты следующие обозначения:

1) рабочая лопатка последней ступени конденсационной паровой турбины;

2) входная кромка лопатки;

3) стенки лопатки;

4) продольно-ориентированное ребро по направлению движения пара.

Как следует из приведенной фигуры 1, в верхней части рабочей среды лопатки 1 со стороны ее стенки 3 на длине l, подлежащей защите от эрозийного износа выполнены продольно-ориентированные ребра 4 по направлению движения пара, толщина которых δ≤0,5 мм при их высоте над поверхностью лопатки h≥5 мм и поперечном шаге t≤2 мм.

При этом длина продольно-ориентированных ребер по направлению движения пара не должна превышать 30% от общей длины выпуклой стороны лопатки.

Для пояснения функционального назначения приведенного конструкторского решения на фигуре 2 показан входной треугольник скорости для ступени, работающей во влажной паровой среде.

Особенности работы такой ступени состоит в том, что паровая и жидкая фаза двухфазного потока выходит из соплового аппарата разными абсолютными скоростями, причем локальные скорости жидкой фазы меняются в зависимости от размеров капель влаги в очень широком диапазоне при постоянном расчетном значении скорости паровой фазы.

При этом средняя абсолютная скорость жидкой фазы с_1в всегда оказывается существенно меньше скорости с_1n.

В результате угол входа на работающую лопатку жидкой фазы β_1в оказывается больше угла входа β_1n паровой фазы.

Поскольку рабочая решетка профилей при проектировании рассчитывается для паровой фазы, то капли жидкой фазы с достаточно большой скоростью контактируют с выпуклой поверхностью стенки 3 рабочей лопатки 1, что и ведет в конечном счете к ее эрозийному износу.

Предлагаемая система защиты рабочих лопаток последней ступени конденсационной турбины работает следующим образом.

Рассматриваемый пучок капель влаги в связи с различными размерами капель влаги с различной, но достаточно большой относительной скоростью w_1в встречают на своем пути не поверхность лопатки, а узкие щели между продольно-ориентированными ребрами, где благодаря увеличенному сопротивлению теряют значительную часть своей кинетической энергии.

При снижении скорости в момент контакта с поверхностью лопатки в два раза кинетическая энергия канала снижается в четыре раза.

Кроме того, в узких щелях между ребрами при течении влажного пара находится не пар, а слой жидкой фазы, и первоначальный контакт капель жидкости происходит не с твердой поверхностью, а с поверхностью жидкой пленки, обеспечивающий дальнейшее снижение силового взаимодействия капель с твердой поверхностью рабочей лопатки.

Следует также отметить, что в плане вибрационной надежности наличие на спинке профиля лопатки у ее вершины, где сам профиль имеет небольшую поперечную толщину, решетки тонкостенных ребер резко увеличивают ее жесткость, что наряду с защитой лопатки от эрозийного износа ведет к повышению ее вибрационной надежности.

Таким образом, предлагается рабочая лопатка для последних ступеней конденсационных турбин, отличающаяся тем, что ее выпуклая поверхность в верхней части на длине, подверженной эрозийному износу, выполняя с продольно - ориентированным оребрением по направлению движения пара, высота ребер которого h≥5 мм, при толщине δ≤0,5 мм и шаге между ребрами t≤2 мм.

При этом оребренная часть спинки лопатки должна занимать не менее 20% общей длинны рабочей лопатки от ее верхней части.

Источники информации

А.В. Щегляев «Паровые турбины». Энергоатомиздат, М. 1993 г. Б.М. Трояновский «Паровые турбины» АЭС.

Рабочая лопатка для последних ступеней конденсационных паровых турбин, отличающаяся тем, что ее выпуклая поверхность в верхней части на длине, подверженной эрозийному износу, выполнена с продольно-ориентированным оребрением по направлению движения пара с высотой ребер h≥5 мм при шаге t≤2 мм и с толщиной ребер δ≤0,5 мм.