Диссертация (781919), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Лопатка имеет единую неразборную конструкцию, разделенную поперечной перегородкой, на внешней поверхности которой располагаются две лопатки верхнего яруса.Если выполнять двухъярусную лопатку с одинаковым числом профилей в обоих ярусах ивыдерживать оптимальный относительный шаг ≈ 0,7, хорда профиля на периферии в верхнемярусе окажется большой, около 380-400 мм, что приведет к малым значениям относительнойвысоты. Снизить значение хорды при сохранении оптимального шага решетки удается за счетувеличения числа профилей в верхнем ярусе.
Рассмотрены два варианта: c двумя и тремя профилями в верхнем ярусе. В результате лучшие характеристики как аэродинамические, так ипрочностные показал вариант с двумя профилями.Общая длина двухъярусной лопатки в предпоследней ступени составляет 1155 мм, высоталопатки нижнего яруса по выходной кромке – 701 мм, а высота лопатки верхнего яруса –434 мм. Прикорневая и периферийная хорда нижнего яруса равны 250 и 360 мм соответственно.Для профилей верхнего яруса хорда меняется не так сильно, значение в корне равно 130 мм, напериферии – 185 мм.
Профилирование нижнего и верхнего ярусов проводилось по трем сечениям. Верхний ярус проектируется с большей степенью реакции и при большем значении параметра u/cф, чем нижний. Среднее значение u/cф для нижнего яруса равно 0,74, тогда как дляверхнего – 0,78, что укладывается в диапазон оптимальных значений u/cф для высокореактивных ступеней (0,6-0,78). Результаты численного моделирования течения в двухъярусной лопат-218ке показали высокую аэродинамическую эффективность полученных профилей. Коэффициентыпрофильных потерь равны 3,7 % для нижнего и 2,9 % для верхнего яруса.
При учете всех дополнительных потерь внутренний относительный КПД предпоследней ступени нижнего ярусасоставляет 87,6 %, а последней ступени верхнего яруса – 77 % (с учетом потерь с выходнойскоростью).Рисунок 3.59 – Двухъярусная «вильчатая» рабочая лопаткаРасчеты в программном комплексе ANSYS Mechanical, предназначенном для расчета металлоконструкций методом конечных элементов, показали, что при изготовлении двухъяруснойлопатки самого нагруженного рабочего колеса (колеса предпоследней ступени) из нержавеющей стали 20Х13, предел прочности которой σв = 710 МПа, напряжения в опасных сечениях лопатки могут достигать 600-650 МПа. По этой причине необходим переход на более легкий ивместе с тем прочный сплав, например, титан.
При изготовлении рабочего колеса из титанамарки ВТ-6, предел прочности которого σв =1200 МПа, напряжения в опасных зонах корневогосечения и межъярусной полки составляют всего 400-500 МПа, что обеспечивает почти трехкратный запас прочности (рисунок 3.60).219Рисунок 3.60 – Распределение напряжения в двухъярусной «вильчатой» лопатке под действиемцентробежных и аэродинамических силНадежность лопатки определяет также и вибрационное состояние, поэтому были проведены расчеты на определение ее собственных частот колебаний. Резонансные частоты двухъярусной рабочей лопатки показаны на Кемпбелл-диаграмме (рисунок 3.61).Рисунок 3.61 – Диаграмма Кэмпбелла для двухъярусной «вильчатой» рабочей лопатки220Нормы необходимого запаса между рабочей и резонансной частотой для обеспечениянадежной работы лопаток и фактический запас от резонансных частот различной кратности дляданной лопатки представлены в таблице 3.12.
Анализируя результаты вибрационного анализа,можно сделать вывод, что вибрационная надежность двухъярусной рабочей лопатки обеспеченана достаточном уровне [280].Таблица 3.12 – Сопоставление необходимого и фактического запаса по частотам собственныхколебаний от частот возмущающих сил кратностью 2-6КратностьНеобходимый запас, %Фактический запас, %21092378,64610,955396449Сложная конструктивная форма лопатки ставит вопрос о технологической возможности ееизготовления.
Поэтому после разработки конструкции новой вильчатой лопатки были рассмотрены вопросы, связанные с возможной технологией ее производства. С целью подтверждениявозможности изготовления «вильчатой» лопатки, рабочий чертеж которой представлен на рисунке 3.62, имеющей сложную геометрическую форму, были разработаны технологическая инструкция и управляющая программа для станка с ЧПУ, на основе которых изготовлен демонстрационный образец (рисунок 3.63).В результате решения комплекса технологических задач экспериментально доказана технологическая возможность изготовления «вильчатой» лопатки: разработан технологических процесс, программа для станка с ЧПУ, изготовлен демонстрационный образец рабочей лопатки.Конструктивная реализация двухъярусной проточной части позволяет осуществлять отборпара на регенеративные подогреватели только из верхнего яруса, что приводит к увеличениюотносительного расхода пара, отбираемого от основного потока с 6-8 до 17-20%. Такая относительная величина отбора пара приводит к нарушению структуры потока в зоне отбора и снижению аэродинамической эффективности послеотборной ступени, обусловленного неравномерным входным полем скоростей.
С целью исследования структуры потока в межступенчатом зазоре и установления влияния отбора на аэродинамическую эффективность проточной части была разработана расчетная модель. На основе проведенных с применением разработанной модели исследований установлено, что при отсутствии отбора пара поле параметров потока в межступенчатом зазоре является равномерным, внутренний относительный КПД предотборнойступени составляет ηoi = 87 %, внутренний относительный КПД послеотборной ступени ηoi =85,9 %.
В случае отбора пара возникает окружная неравномерность параметров потока в межступенчатом зазоре, которая не оказывает влияния на экономичность предотборной ступени (ее221КПД ηoi остался на том же уровне). При этом асимметрия основных параметров потока на входепослеотборной ступени привела к снижению ее экономичности до ηoi = 76 %.Рисунок 3.62 – Рабочий чертеж экспериментального образца «вильчатой» рабочей лопаткиРисунок 3.63 – Электронная модель и изготовленный на станке с ЧПУ демонстрационный образец «вильчатой» рабочей лопатки222С целью нивелирования указанного эффекта и обеспечения высокого уровня аэродинамической эффективности верхнего яруса проточной части проведен комплекс расчетноэкспериментальных исследований, в ходе которых был разработан ряд усовершенствованныхконструктивных схем организации отбора на регенерацию и установлено влияние конструкцииотбора на аэродинамическую эффективность послеотборной ступени.
На основе полученныхрезультатов разработана модифицированная конструкция отборного отсека турбины [286, 287].Снижение влияния отбора пара на аэродинамическую эффективность послеотборных ступенейверхнего яруса обеспечено за счет установки в межступенчатом зазоре аэродинамического отсекателя, позволяющего уменьшить неравномерность параметров потока. Установлено, что отсекатель, полностью перекрывающий осерадиальную отборную щель от области основного потока и конструктивно выполненный заодно с внешним обводом послеотборной ступени, обеспечивает минимальный уровень неравномерности (рисунок 3.64), снижая его на 7 % (с 10 до3 %) по сравнению с отбором традиционной конструкции.а) конструкцияпроточной частиб) картина течения в межступенчатомзазорев) поле полного давления передпослеотборной ступеньюРисунок 3.64 – Конструкция проточной части с аэродинамическим отсекателем и структура потока в межступенчатом зазореУменьшение асимметрии параметров потока привело к сокращению потерь энергии и ростуаэродинамической эффективности послеотборной ступени, КПД которой при установке отсекателя предложенной конструкции увеличился с 76% до 81%.Для подтверждения эффективности нового способа организации отбора пара было проведено экспериментальное исследование масштабной модели межступенчатого пространства ссопловым аппаратом послеотборной ступени.На рисунке 3.65 представлено распределение полного давления за послеотборной сопловойрешеткой на среднем диаметре при двух величинах относительного отбора 17 и 20 %.
Правая223ветвь кривой распределения получена зеркальным отражением левой. Видно, что неравномерность при величине расхода в отбор 20 % составляет почти 15 % от максимального значенияполного давления за решеткой, при этом зона возмущенного отбором потока занимает достаточно большую часть окружности (240°).1,010,98p/pmax0,950,920,890,860,83050100150Gотн = 20 %Gотн = 20 % (с отсекателем потока)200φ, град250300350Gотн = 17 %Gотн = 17 % (с отсекателем потока)Рисунок 3.65 – Распределение относительного полного давления за сопловой решеткой приразличных системах регенеративного отбораЭкспериментальные исследования модели новой системы регенеративного отбора из верхнего яруса двухъярусного ЦНД с помощью аэродинамического отсекателя были проведены всоответствии с той же программой испытаний, что и без отсекателя.
На рисунке 3.65 представлено распределение полного давления за сопловым аппаратом при тех же величинах относительного отбора, что и в случае экспериментального исследования традиционной системы регенеративного отбора. Из приведенных данных видно, что при установке аэродинамического отсекателя окружная неравномерность при наибольшем значении отбора составляет 3 % от максимального значения полного давления за решеткой, что в 5 раз меньше неравномерности вслучае традиционной системы регенеративного отбора.
Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают результаты численного моделирования системы регенеративного отбора в традиционном исполнении и свидетельствуют о том, что входная неравномерность потока сильно изменяет характер течения в межлопаточных каналах.Применение двухъярусных проточных частей в цилиндрах низкого давления неминуемоприводит к необходимости создания новых решений для выхлопного патрубка, конструкциякоторого определяет как эффективность и надежность работы всей паровой турбины, так и га-224баритные размеры цилиндров. Этот факт связан с достижением предельных объемных расходовна выхлопе, при которых даже незначительные конструктивные неточности приводят к интенсивному росту сопротивления патрубка, что снижает эффективность работы турбоустановки, ав ряде случаев приводит к запиранию патрубка.С целью исследования аэродинамики выхлопных патрубков двухъярусных цилиндров былиразработаны расчетные модели, позволяющие моделировать выхлопные патрубки при различных режимах течения и входных полях скоростей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
