Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин
Приведены результаты сравнительных исследований исходного и нового профилей. Новый профиль получен на базе решения обратной задачи, позволившей обеспечить минимизацию аэродинамических потерь и необходимые показатели прочности рабочей лопатки в зоне с бандажным отверстием. Результаты рассмотрены с то...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10933 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин / Е.В. Левченко, В.П. Субботович, А.Ю. Юдин, А.Ю. Бояршинов // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 10-15. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860061052191899648 |
|---|---|
| author | Левченко, Е.В. Субботович, В.П. Юдин, А.Ю. Бояршинов, А.Ю. |
| author_facet | Левченко, Е.В. Субботович, В.П. Юдин, А.Ю. Бояршинов, А.Ю. |
| citation_txt | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин / Е.В. Левченко, В.П. Субботович, А.Ю. Юдин, А.Ю. Бояршинов // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 10-15. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Приведены результаты сравнительных исследований исходного и нового профилей. Новый профиль получен на базе решения обратной задачи, позволившей обеспечить минимизацию аэродинамических потерь и необходимые показатели прочности рабочей лопатки в зоне с бандажным отверстием. Результаты рассмотрены с точки зрения улучшения газодинамики данной зоны рабочей лопатки в области трансзвуковых скоростей. Показано, что в этой области новый профиль имеет значительно меньший коэффициент профильных потерь, чем исходный, используемый в реальной лопатке.
Наведені результати порівняльних досліджень вихідного і нового профілів. Новий профіль одержаний на базі розв’язування оберненої задачі, що дозволила забезпечити мінімізацію аеродинамічних втрат і необхідні показники міцності робочої лопатки в зоні з бандажним отвором. Результати розглянуті з погляду поліпшення газодинаміки даної зони робочої лопатки в області трансзвукових швидкостей. Показано, що в цій області новий профіль має значно менший коефіцієнт профільних втрат, ніж вихідний, який використовується в реальній лопатці.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:04:41Z |
| format | Article |
| fulltext |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 10
УДК 621.165
Е. В. Левченко*, канд. техн. наук
В. П. Субботович**, канд. техн. наук
А. Ю. Юдин**, канд. техн. наук
А. Ю. Бояршинов***
* Открытое акционерное общество «Турбоатом»
(г. Харьков, E-mail: office@turboatom.com.ua)
** Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»
(г. Харьков, E-mail: turbine@kpi.kharkov.ua)
*** Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины
(г. Харьков, E-mail: shuben@ipmach.kharkov.ua)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ
ЛОПАТОК ПОСЛЕДНЕЙ СТУПЕНИ ПАРОВЫХ ТУРБИН
Приведены результаты сравнительных исследований исходного и нового профилей. Но-
вый профиль получен на базе решения обратной задачи, позволившей обеспечить мини-
мизацию аэродинамических потерь и необходимые показатели прочности рабочей ло-
патки в зоне с бандажным отверстием. Результаты рассмотрены с точки зрения
улучшения газодинамики данной зоны рабочей лопатки в области трансзвуковых скоро-
стей. Показано, что в этой области новый профиль имеет значительно меньший ко-
эффициент профильных потерь, чем исходный, используемый в реальной лопатке.
Наведені результати порівняльних досліджень вихідного і нового профілів. Новий про-
філь одержаний на базі розв’язування оберненої задачі, що дозволила забезпечити міні-
мізацію аеродинамічних втрат і необхідні показники міцності робочої лопатки в зоні з
бандажним отвором. Результати розглянуті з погляду поліпшення газодинаміки даної
зони робочої лопатки в області трансзвукових швидкостей. Показано, що в цій області
новий профіль має значно менший коефіцієнт профільних втрат, ніж вихідний, який ви-
користовується в реальній лопатці.
Введение
При создании мощных паровых турбин чрезвычайно важно обеспечение максималь-
но возможной торцевой площади последней ступени, определяемой максимально достижи-
мой длиной рабочей лопатки и средним диаметром. Сумма площадей всех выхлопов части
низкого давления определяет максимальный пропуск пара в конденсатор при заданной ве-
личине выходной потери.
Последняя ступень является одним из наиболее сложных и ответственных элементов
турбины, существенно влияющих на ее надежность, экономичность и, по существу, характе-
ризующих технический уровень турбиностроения. К настоящему времени получили разви-
тие методы расчета пространственного потока, проведен широкий комплекс эксперимен-
тальных и расчетных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) эле-
ментов последних ступеней. При этом учитывалась тенденция повышения удельных паро-
вых нагрузок на последние ступени, обусловленная, в частности, ухудшением условий водо-
снабжения и соответственно повышением конечного давления. В результате оказалось воз-
можным при неизменном расходе пара в конденсатор сократить число выхлопов и цилинд-
ров низкого давления. Это приводит к снижению удельной металлоемкости турбоагрегата,
но из-за уменьшения суммарной площади выхлопа ухудшает экономичность турбоустанов-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 11
ки. Часть потерь, обусловленных уменьшением площади выхлопа, удается скомпенсировать
за счет повышения газодинамической эффективности ступени.
В последние десятилетия вопросы надежности ступеней изучались в лабораторных и
эксплуатационных условиях, а также с применением теоретических методов. Было установ-
лено, что обеспечение надежности лопаточного аппарата требует рассмотрения не только
НДС рабочих лопаток, но и влияния силовых факторов, воздействию которых они подвер-
гаются в различных условиях эксплуатации. При этом работоспособность лопаток определя-
ется, наряду с прочностью, при статических и динамических нагрузках газодинамическим
качеством ступени, влияющим на уровень циклических и нестационарных воздействий па-
рового потока.
Разработка конструкции последней ступени мощной конденсационной паровой тур-
бины связана со специфическими трудностями, обусловленными большими тепловыми пе-
репадами пара, сверхзвуковыми скоростями пара, его влажностью, высокими окружными
скоростями при низких собственных частотах колебаний.
Условия проектирования профиля рабочей лопатки с бандажным отверстием
При разработке конструкции рабочей лопатки последней ступени принимается ряд
мер по отстройке ее от резонансных колебаний. Одним из средств повышения вибрационной
надежности длинных рабочих лопаток является установка бандажных связей стержневого
типа, которые размещаются на расстоянии 0,6–0,9 длины лопатки от корневого сечения.
При задании условий проектирования профиля рабочей лопатки с бандажным отвер-
стием использованы результаты исследований [1], которые приведены ниже.
Отверстие под бандаж уменьшает эффективную площадь поперечного сечения ло-
патки, поэтому для компенсации потерянной площади необходимо выполнять местное
утолщение – усиливающий поясок. Если усиливающий поясок имеет наружные и внутрен-
ние контуры, очерченные кривыми, эквидистантными контурам профиля, и обеспечивает
площадь поперечного сечения лопатки, равную номинальной, наличие отверстия приводит к
концентрации напряжений с коэффициентом ασ = 3. Такая величина характерна для тонкой
пластины с круговым отверстием, ось которого перпендикулярна плоскости пластины. По-
перечное сечение лопатки в зоне, где обычно устанавливаются связи, представляет собой
слабо прочную пластину с незначительно меняющейся толщиной вдоль образующей профи-
ля. При этом ось отверстия под бандаж направлена к плоскости под углом установки профи-
ля.
Характерной особенностью зоны лопатки с отверстием является то, что при наличии
усиливающего пояска, очерченного кривыми, эквидистантными основному профилю, попе-
речное сечение слабо изменяется по толщине от входной до выходной кромки и отношение
его толщины к хорде составляет, как правило, ≈1:10. Данное обстоятельство позволяет при
исследовании характера НДС идентифицировать эту зону лопатки пластинами, которые лег-
ко отнести к классу «толстых».
В отличие от классической задачи теории упругости о концентрации напряжений в
тонкой пластине с круговым отверстием, где коэффициент концентрации близок к ασ = 3, в
рассматриваемом случае имеет место существенное изменение местных напряжений вдоль
образующей отверстия. Это связано, главным образом, с наклоном оси отверстия к плоско-
сти толстой пластины.
Основной положительный эффект компенсации потерянной площади из-за отверстия
дает доля площади усиливающего пояска непосредственно в зоне отверстия. Это обстоя-
тельство и привело к стремлению сосредоточить как можно большую массу пояска ближе к
области отверстия.
В процессе поиска наилучшего решения были проведены специальные исследования
влияния угла наклона оси отверстия к плоскости пластины, имитирующей участок лопатки,
при различных формах усиливающего пояска. На толстых пластинах с помощью метода фо-
тоупругости при указанном выше отношении толщины пластины к ее хорде и диаметре от-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 12
верстия, соответствующем реальной лопатке (d = 12 мм), было исследовано напряженное
состояние зоны бандажного отверстия рабочей лопатки.
Максимальные значения напряжения получены на образующих отверстия, представ-
ляющих собой следы пересечения модели плоскостью, перпендикулярной линии действия
растягивающей силы (т.е. продольной оси лопатки) с контуром отверстия.
На рис. 1 показаны величины и характер изменения коэффициентов концентрации
напряжений в характерных точках исследуемой области в зависимости от геометрии усили-
вающего пояска: 1 – в остроугольных скосах; 2, 3 – в месте перехода лопатки в галтель
утолщения; 4 – максимальное значение; 5 – в остроугольных скосах пластины без утолще-
ния.
Коэффициент концентрации вдоль образующей отверстия в данном случае (рис. 1), в
отличие от тонкой пластины с круговым отверстием (где ασ = 3), изменяется от величины
ασ = 3 в средней зоне отверстия (точки А и В) до величины, характеризуемой величиной
ασ = 4,5–7,0 – на остроугольных скосах отверстия на внешних поверхностях утолщения (в
зависимости от угла наклона оси отверстия к торцевым поверхностям утолщения).
Итак, геометрия профиля в зоне бандажного отверстия должна определяться при вы-
полнении следующих условий: а) масса пояска должна быть сосредоточена в зоне, близкой к
отверстию, и, таким образом, в максимальной степени компенсировать ослабление сечения;
б) обводы профиля необходимо выполнять под углами к оси отверстия α ≥ 45° и обеспечить
величину коэффициентов концентрации ασ ≤ 2.
Столь умеренный уровень напряжения (ασ ≤ 2) объясняется еще и тем обстоятельст-
вом, что благодаря такому выбору формы профиля существенно возрастает его площадь и
его момент сопротивления изгибу. Это приводит к удалению зоны выхода отверстия на по-
верхность пояска от основного силового поля (от центробежных сил и парового изгиба),
формируемого плавно меняющимися контурами тела лопатки.
Профиль рабочей лопатки в зоне с бандажным отверстием
Новые методы решения прямой, гибридных и обратной задач теории решеток тур-
бомашин разработаны на кафедре турбиностроения НТУ «ХПИ» [2–7]. Эти методы позво-
лили, с учетом изложенных выше условий, провести поиск рациональной формы зоны ло-
патки с бандажным отверстием с целью минимизации аэродинамических потерь и обеспече-
ния необходимых показателей прочности.
С точки зрения улучшения газодина-
мики данной зоны рабочей лопатки были рас-
смотрены два варианта профиля с утолщени-
ем. На рис. 2 представлены варианты: 1 - но-
вый профиль и 2 - исходный профиль, кото-
рый используется в реальной эксплуатируе-
мой лопатке. Новый профиль удовлетворяет
заданным условиям прочности и условию ми-
нимума коэффициента профильных потерь на
режиме проектирования.
На рис. 3 приведены зависимости от-
носительных расчетных (CFD) коэффициентов
профильных потерь (для исходного профиля –
кривая 2; для нового – кривая 1)
мин
прпрпр ζζ=ζ (отношение текущего значения
коэффициента профильных потерь к мини-
мальному значению этого коэффициента) от
числа Маха
tWM
2
, определенного по относи-
тельной теоретической скорости за решеткой
Рис. 1. Зависимость коэффициентов
концентрации напряжений от угла наклона
оси отверстия к торцевой плоскости
утолщения и угла наклона этой плоскости
к плоскости лопатки
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 13
при шаге решетки 84,2 мм. Такой шаг решетки имеет место на расстоянии от корня 0,64
длины лопатки. Это расстояние соответствует нижнему значению диапазона возможного
размещения бандажной связи, диктуемого условиями вибростойкости. Именно на этом рас-
стоянии у рабочего колеса последней ступени расположена проволочная связь в турбинах К-
320-23,5 и К-325-23,5, а расчетное значение
tWM
2
достигает в указанных турбинах величины
≈1,4. Анализ годовых графиков нагрузок турбин ТЕС Украины показал, что длительные пе-
риоды в году турбины работают на режимах сниженных объемных расходов и реальные
числа Маха в указанной области рабочей лопатки ниже в 1,2–1,6 раза. Поэтому новый про-
филь и был спроектирован на трансзвуковой режим.
Поскольку новый профиль создавался как оптимальный для трансзвукового режима,
его коэффициент профильных потерь на этом режиме более чем в четыре раза меньше по
сравнению с коэффициентом профильных потерь исходного профиля. При повышении чис-
ла Маха отличие коэффициентов профильных потерь существенно уменьшается и при
35,1
2
>
tWM практически отсутствует.
Рис. 2. Форма профилей рабочей лопатки
для зоны с бандажным отверстием
прζ
tWM
2
Рис. 3. Зависимость относительного
коэффициента профильных потерь от
tWM
2
Исходный профиль Новый профиль
Рис. 4. Распределение чисел Маха в межлопаточных каналах при
tWM
2
=0,65:
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 14
В канале решетки, образованном исходными профилями, даже на режиме
65,0
2
=
tWM есть область сверхзвукового течения (рис. 4–7). В каналах, образованных новы-
ми профилями, на этом режиме течение везде дозвуковое. На режиме 95,0
2
=
tWM в каналах
обеих решеток есть области сверхзвуковых течений, однако характеры изменения скорости
заметно отличаются. На режиме 22,1
2
=
tWM картины течения становятся похожими, а на
режиме 46,1
2
=
tWM – качественно одинаковыми.
Исходный профиль Новый профиль
Рис. 5. Распределение чисел Маха в межлопаточных каналах при
tWM
2
=0,935
Исходный профиль Новый профиль
Рис. 6. Распределение чисел Маха в межлопаточных каналах при
tWM
2
=1,22
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 15
Заключение
В турбинах, которые работают на органическом топливе, тепловой перепад на по-
следнюю степень может составлять десятую часть общего перепада. Повышение КПД по-
следней ступени на 1% равноценно увеличению КПД всей турбины приблизительно на
0,1%. В турбинах для АЭС прирост КПД при тех же начальных условиях составит уже около
0,2%. Поэтому новый профиль, спроектированный для использования в рабочей лопатке по-
следней степени на радиусах проволочной связи, рассматривается авторами статьи как пер-
спективный.
Литература
1. Сухинин В. П. Концентрация напряжений в зоне бандажных отверстий лопаток паровых турбин /
В. П. Сухинин, Р. М. Меллерович, Р. М. Герман // Пробл. прочности. – 1990. – № 8. – С. 34–37.
2. Субботович В. П. Задача расчета скорости на поверхности лопатки турбомашины как задача оп-
тимизации / В. П. Субботович, А. Ю. Юдин // Вестн. Нац. техн. ун-та «ХПИ». – Харьков: НТУ
«ХПИ». – 2004. – № 12. – С. 101–106.
3. Субботович В. П. Расчет двухмерного течения в межлопаточных каналах сопловых и рабочих ре-
шеток турбин / В. П. Субботович, А. Ю. Юдин // Там же. – 2006. – № 5. – С. 43–46.
4. Субботович В. П. Обтекание трехмерным потоком решетки профилей турбомашины на поверхно-
сти вращения / В. П. Субботович, А. Ю. Юдин, Т. К. Фан // Там же. – 2008. – № 6. – С. 41–46.
5. Субботович В. П. Постановка и метод решения обратной задачи для определения формы межло-
паточных каналов кольцевых решеток турбомашин / В. П. Субботович, А. Ю. Юдин // Там же. –
2005. – № 29. – С. 49–56.
6. Субботович В. П. Обратная задача теории решеток на осесимметричной поверхности тока /
В. П. Субботович, А. Ю. Юдин, Т. К. Фан // Там же. – 2009. – № 3. – С. 56–61.
7. Субботович В. П. Постановка и метод решения гибридных задач расчета течения в решетках тур-
бомашин / В. П. Субботович, А. Ю. Юдин // Там же. – 2005. – № 6. – С. 7–12.
Поступила в редакцию
10.11.09
Исходный профиль Новый профиль
Рис. 7. Распределение чисел Маха в межлопаточных каналах при
tWM
2
=1,46
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10933 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:04:41Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Левченко, Е.В. Субботович, В.П. Юдин, А.Ю. Бояршинов, А.Ю. 2010-08-10T09:02:38Z 2010-08-10T09:02:38Z 2010 Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин / Е.В. Левченко, В.П. Субботович, А.Ю. Юдин, А.Ю. Бояршинов // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 10-15. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10933 621.165 Приведены результаты сравнительных исследований исходного и нового профилей. Новый профиль получен на базе решения обратной задачи, позволившей обеспечить минимизацию аэродинамических потерь и необходимые показатели прочности рабочей лопатки в зоне с бандажным отверстием. Результаты рассмотрены с точки зрения улучшения газодинамики данной зоны рабочей лопатки в области трансзвуковых скоростей. Показано, что в этой области новый профиль имеет значительно меньший коэффициент профильных потерь, чем исходный, используемый в реальной лопатке. Наведені результати порівняльних досліджень вихідного і нового профілів. Новий профіль одержаний на базі розв’язування оберненої задачі, що дозволила забезпечити мінімізацію аеродинамічних втрат і необхідні показники міцності робочої лопатки в зоні з бандажним отвором. Результати розглянуті з погляду поліпшення газодинаміки даної зони робочої лопатки в області трансзвукових швидкостей. Показано, що в цій області новий профіль має значно менший коефіцієнт профільних втрат, ніж вихідний, який використовується в реальній лопатці. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Энергетическое машиностроение Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин Article published earlier |
| spellingShingle | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин Левченко, Е.В. Субботович, В.П. Юдин, А.Ю. Бояршинов, А.Ю. Энергетическое машиностроение |
| title | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| title_full | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| title_fullStr | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| title_full_unstemmed | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| title_short | Повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| title_sort | повышение эффективности конструкции рабочих лопаток последней ступени паровых турбин |
| topic | Энергетическое машиностроение |
| topic_facet | Энергетическое машиностроение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10933 |
| work_keys_str_mv | AT levčenkoev povyšenieéffektivnostikonstrukciirabočihlopatokposledneistupeniparovyhturbin AT subbotovičvp povyšenieéffektivnostikonstrukciirabočihlopatokposledneistupeniparovyhturbin AT ûdinaû povyšenieéffektivnostikonstrukciirabočihlopatokposledneistupeniparovyhturbin AT boâršinovaû povyšenieéffektivnostikonstrukciirabočihlopatokposledneistupeniparovyhturbin |