Русская версия English version

Технические решения создания новых двухъярусных ступеней для цилиндров низкого давления с повышенной пропускной способностью

А.С. Седлов, А.Е. Зарянкин, А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, И.В. Гаранин, С.К. Осипов

Вестник ИГЭУ, 2016 г. выпуск 3, сс. 27—34

Скачать PDF

Аннотация на русском языке: 

Состояние вопроса: Возросший в последнее время интерес к разработке турбин высокой мощности диктует поиск новых методов повышения пропускной способности цилиндров низкого давления. Существующие способы, основанные в основном на увеличении длин последних лопаток, практически полностью себя исчерпали в связи с недостаточностью обеспечения их прочности, а также резким возрастанием потерь на веерность. Двухъярусные ступени являются основой для создания цилиндров низкого давления с двухъярусной проточной частью с повышенной пропускной способностью. Известная конструкция предпоследней двухъярусной ступени Баумана, которая, например, применяется на отечественной турбомашине К-210-130 ЛМЗ с полуторным выхлопом, обладает низкой экономичностью и надежностью. Последняя двухъярусная ступень, а в частности рабочая лопатка, является наиболее нагруженной и, как следствие, конструктивно более сложной. В отношении изготовления сопловых решеток таких проблем не возникает. В связи с этим актуален поиск оптимальной конструкции рабочей лопатки последней двухъярусной ступени цилиндров низкого давления.

Материалы и методы: При выполнении работы использованы отработанные методы тепловых и аэродинамических расчетов осевых турбомашин, методы математического CFD-моделирования, а также методы конечных элементов.

Результаты: На основе прочностных и аэродинамических трехмерных расчетов создана конструкция вильчатой лопатки, сочетающая высокие показатели аэродинамической эффективности ступени, внутренний относительный КПД которой составляет 87,6 % для верхнего и 77% для нижнего яруса, с учетом всех потерь, включая потери с выходной скоростью, что позволяет достигнуть КПД цилиндра низкого давления 87,1 %.

Выводы: Созданные на базе вильчатых лопаток двухъярусные цилиндры низкого давления могут послужить разумной альтернативой создания цилиндров низкого давления с последними лопатками большой длины. При этом предлагаемая конструкция обеспечивает высокую степень надежности (коэффициент запаса прочности рабочей лопатки двухъярусной последней ступени превышает 2,8, что находится на уровне действующих норм), а полученные технические решения могут быть тиражированы на предшествующие ступени. КПД таких цилиндров оказывается выше на
5 %, при этом габаритные размеры (главным образом, ширина) удастся сократить в среднем на 15–20 %.

Ключевые слова: двухъярусный цилиндр низкого давления, паровая турбина, двухъярусная ступень, вильчатая лопатка, хорда профиля, аэродинамические трехмерные расчеты, метод изотермической штамповки

Список литературы на русском языке: 

1. Baumann K. Semidouble-flow steam turbine. US Patent № 1405090, 1917.

2. Chen H., Xue M. Effect of geometry dimension on aerodynamic performance of low pressure exhaust hood for large capacity steam turbine with air-cooled condenser // Power Engineering. – 2003. – Vol. 23. – Р. 2740.

3. Cioffi D.H. Increasing steam turbine capacity, Proceedings of the ASME Power Conference. – Baltimore, United States, 2004. DOI: 10.1115/POWER2004-52160

4. Clark A.M. Improvements in or relating to turbine blades. FR Patent № 189131, 1921.

5. Gubran A.A., Sinha J.K. Comparison between long and short blade vibration using shaft instantaneous angular speed in rotating machine // Proceedings of the ASME Turbo Expo. – Dusseldorf, Germany, 2014. DOI: 10.1115/GT2014-25904

6. Ways toward updating the low-pressure cylinders for high-capacity turbines (a feasibility study) / L.Ya. Lazarev, V.S. Sokolov, V.A. Fadeev, V.V. Chizhov // Power Technology and Engineering. – 2002. – № 36. – Р. 272–274. DOI: 10.1023/A:1021694202740

7. Multidisciplinary and multiobjective optimization design of long blade turbine stage / B. Li, L. Song, J. Li, Z. Feng // Journal of Xi'an Jiaotong University. – 2014. – № 48. – Р. 1–6. DOI: 10.7652/xjtuxb201401001

8. Study on coupled vibration between long-blade bending and shafting torsion of steam turbine / F. Lü, Q. Wei, L. Lu, K. Lü, K. Wang Q., Sun, W. Li, X. Wang // Journal of Chinese Society of Power Engineering. – 2014. – № 34. – Р. 443–449.

9. McBean I., Havakechian S., Masserey P. The development of long last stage steam turbine blades // Proceedings of the ASME Turbo Expo. – Glasgow, United Kingdom, 2010.  DOI: 10.1115/GT2010-22747

10. Development and verification of ultra-long-blade for next generation steam turbine / H. Ooyama, T. Miyawaki, K. Mori, T. Watanabe, Y. Hirakawa, T. Maruyama // Proceedings of the ASME Power Conference. – Denver, USA, 2011. DOI: 10.1115/POWER2011-55303

11. Qi M., Yang J., Yang R., Yang H. Investigation on loading pulsation of LP long blade stage in steam turbine // Proceedings of the ASME Turbo Expo. – San Antonio, Texas, United States, 2013. DOI: 10.1115/GT2013-94652

12. Schellens C.A. Elastic-fluid turbine. US Patent № 1242246, 1917.

13. Senoo S. Development of design method for supersonic turbine aerofoils near the TIP of long blades in steam turbines. Part 1: Overall Configuration // Proceedings of the ASME Turbo Expo. – Copenhagen, Denmark, 2012. DOI: 10.1115/GT2012-68218

14. Simulation of long blades and calculation of critical speeds of the steam turbine rotor by 3D finite element methods / C. Wang, Y. Wang, X. Xu, B. Li // Power Engineering. – 2007. – № 27. – Р. 840–844.

15. Optimization design of typical blade profile of long blade in ultra-supercritical steam turbine / Q. Yang, W. Han, J. Huang, Y. Song // Journal of Propulsion Technology. – 2009. – № 30. – Р. 14–317.

Ключевые слова на русском языке: 
двухъярусный цилиндр низкого давления, паровая турбина, двухъярусная ступень, вильчатая лопатка, хорда профиля, аэродинамические трехмерные расчеты, метод изотермической штамповки
Ключевые слова на английском языке: 
two-tier low pressure cylinder, steam turbine, two-tier stage, fork blade, airfoil chord, aerodynamic 3-dimensional calculations, isothermal forging method
Индекс DOI: 
10.17588/2072-2672.2016.3.027-034
Количество скачиваний: 
31