Следовательно, вильчатая конструкция двухъярусной ступени при правильном профилировании имеет высокие значения эффективности сопоставимые со значениями ступеней традиционных ЦНД.
Как было сказано ранее, аэродинамическую эффективность двухъярусной рабочей лопатки, необходимо согласовывать с ее прочностными характеристиками, обеспечивающими ее работоспособность. Обычно лопатки ступеней ЦНД большинства паровых турбин выполняют из хромистых нержавеющих сталей (12Х13, 20Х13).
Рис.10 Профили лопаток нижнего яруса
Рис.11Профили лопаток верхнего яруса
Расчеты в программном комплексе ANSYS, предназначенного для расчета металлоконструкций методом конечных элементов, показали, что при изготовлении двухъярусной лопатки самого нагруженного рабочего колеса - колеса предпоследней ступени, из нержавеющей стали 20Х13, предел прочности которой ув =710 МПа, напряжения в опасных сечениях лопатки могут достигать 600-650 МПа.
Поэтому необходим переход на более легкий и вместе с тем прочный сплав, например, титан. При изготовлении рабочего колеса из титана марки ВТ - 6, предел прочности которого ув =1200 МПа, напряжения в опасных зонах корневого сечения и межъярусной полки составляют всего
400-450 МПа, что обеспечивает почти трехкратный запас прочности.
Особое внимание при разработке конструкции двухъярусной лопатки было уделено оптимизации толщины межъярусной полки. С одной стороны, увеличение радиального размера перегородки повышает ее прочность, а с другой стороны растет масса конструкции и увеличиваются напряжения в корневых сечениях лопаток. Как показали расчеты, оптимальная толщина полки составляет 20 мм. В таком случае напряжения в ней не превышают 400-600 МПа.
Рис.12 Распределение u/сф, реактивности (с), и лопаточного КПД (зол) по высоте решетки нижнего яруса
Рис.13 Распределение u/сф, реактивности (с), и лопаточного КПД (зол) по высоте решетки верхнего яруса
Не стоит забывать, что надежность лопатки во многом определяет и вибрационное состояние, поэтому были проведены расчеты на определение ее собственных частот колебаний. Резонансные частоты двухъярусной рабочей лопатки показаны на Кемпбелл - диаграмме (рис. 14). Лучи (k=1,2,3..) выходящие из начала координат, представляют собой зависимость частот возмущающих сил от гармоник различной кратности. Абсциссы точек пересечения лучей с кривыми динамических частот соответствуют резонансным числам оборотов. Нормы необходимого запаса между рабочей и резонансной частотой для обеспечения надежной работы лопаток и фактический запас от резонансных частот различной кратности для данной лопатки представлены в табл. 1. Ближе всего к рабочей частоте лежит резонансное число оборотов третьей кратности, равное 46 Гц. Разница между рабочей и резонансной частотами оказывается не ниже необходимого запаса (см. табл. 1), следовательно, можно сделать вывод, что вибрационная надежность двухъярусной рабочей лопатки обеспечена на достаточном уровне.
Рис.14 Кемпбелл - диаграмма для двухъярусной рабочей лопатки предпоследней ступени. k - лучи отображающие зависимость частот возмущающих сил от гармоник различной кратности, f - кривые динамических частот.
Таблица 1. Сопоставление необходимого и фактического запаса по частотам собственных колебаний от частот возмущающих сил кратностью 2-6
цилиндр давление лопатка
После конструктивной разработки новой «вильчатой» лопатки были рассмотрены вопросы, связанные с ее возможной технологией производства и оценкой ее себестоимости.
Производство лопатки начинается с создания заготовки. Возможны три метода ее получения: сортовой прокат, горячая объемная штамповка (ГОШ) и изотермическая штамповка. Каждый метод характеризуются двумя основными параметрами: коэффициентом используемого материала и точностью. Более высокие значения этих показателей характерны для изотермической штамповки и горячей объемной штамповки (трехмерная модель заготовки отображена на рис. 15).
Увеличение точности заготовки влечет за собой сокращение механической обработки, что нашло отражение в маршрутах обработки детали, показанных в табл. 2. Стоит отметить, что данные методы обработки не единственные возможные варианты.
В общем случае, при применении современного оборудования, первые два этапа обработки заготовки возможны на одном станке (многоцелевой станок с ЧПУ). Сложный профиль в таком случае получается взаимным перемещением инструмента и заготовки по рабочей программе.
Рис.12 Модель заготовки двухъярусной рабочей лопатки, полученной горячей объемной штамповкой, с плоскостью разъема
Таблица 2. Маршруты обработки детали в зависимости от вида заготовки
Чистовые и отделочные этапы шлифования и полирования упрощаются с применением систем ЧПУ, а также средств прямого контроля. В некоторых случаях для повышения точности и производительности имеет смысл спроектировать фасонный круг для врезного метода шлифования.
По предварительным оценкам, стоимость изготовления вильчатой лопатки ЦНД, в зависимости от заготовки составляет от 470,5 тыс. до почти 3,7 млн. руб (меньшая цифра соответствует большему количеству деталей в партии, а большая - изготовлению единичной детали табл.3). Следовательно, изготовление двухъярусной вильчатой лопатки возможно уже сейчас реализовать, используя известные методы производства, при приемлемых значениях стоимости.
Таким образом, после проведенных прочностных и аэродинамических трехмерных расчетов была разработана новая конструкция вильчатой двухъярусной вильчатой лопатки, позволяющая обеспечить 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 интегрального КПД цилиндра низкого давления 87,1%; при этом предлагаемая конструкция обеспечивает высокую степенью надежности - коэффициент запаса прочности рабочей лопатки двухъярусной последней ступени превышает 2,8, что находится на уровне действующих норм.
Изготовление таких лопаток возможно за счет использования широко применяемых на сегодняшний день методов, при этом цена таких лопаток сильно зависит от серийности. Созданные на базе вильчатых лопаток двухъярусные ЦНД могут послужить разумной альтернативой ЦНД с последними лопатками большой длины.
Таблица 3. Предварительные оценки стоимости изготовления лопатки
Выводы
1. Предложена конструкция двухъярусной ступени, основной отличительной особенностью которой является то, что формы и количество каналов каждого яруса формируются независимо, что позволяет снизить потери от верности в проточной части турбомашины.
2. Наибольшую сложность при изготовлении двухъярусных ступеней вызывает конструирование двухъярусной рабочей решетки, авторами предложен вариант изготовления рабочей лопатки такой решетки методом изотермической штамповки.
3. В результате аэродинамического проектирования создана методика профилирования двухъярусных лопаток и на примере проектирования последней ступени турбомашины с длинной лопатки 1200 мм подобраны профиля двухъярусной лопатки, определено оптимальное количество лопаток верхнего яруса.
4. Проведенные прочностные расчеты (статические и динамические) показывают, что предложенная конструкция двухъярусной рабочей лопатки обеспечивает коэффициент запаса прочности более, чем 2,8.
5. Произведенная оценка стоимости изготовления предложенной конструкции рабочей двухъярусной лопатки показывает, что наиболее целесообразным является изготовление по методу изотермической штамповки
Список литературы
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, p. 2740.
3. Cioffi, D. H. Increasing steam turbine capacity, Pro-ceedings 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. Lazarev, L. Ya., Sokolov, V. S., Fadeev, V. A., Chizhov, V. V. Ways toward updating the low-pressure cylinders for high-capacity turbines (a feasibility study) // Power Technol-ogy and Engineering, 36 (2002), pp. 272-274. DOI: 10.1023/A:1021694202740.