Тема №6 Тепловой процесс в многоступенчатой турбине

6.1. Основные преимущества многоступенчатых турбин.

А) Применяя большое число ступеней, можно выбрать для каждой ступени небольшой срабатываемый теплоперепад и так понизить скорость истечения из сопел, что даже при умеренных окружных скоростях КПД будет максимальным.

Следовательно, чем меньше , тем выше КПД на окружности.

Если бы была равна нулю, то КПД был бы равен единице.

- будет минимальной при

- В =

При и , а

Б)

Современные лопатки могут выдержать

Тогда (при n=3000 об/мин)

Уменьшение скорости истечения пара и связанное с этим уменьшение Д (при заданной угловой скорости вращения) приводит к увеличению высоты сопел и рабочих лопаток и к увеличению степени парциальности в тех активных ступенях, которые работают с малым объемным расходом пара.

Достижение полной парциальности существенно повышает КПД.

6.2. Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине.

В многоступенчатой турбине пар протекает последовательно по каналам решеток отдельных ступеней.

Теплоперепад в многоступенчатой турбине -

Для активной турбины ( ) с числом ступеней

Скорость истечения пара из сопел

- скорость истечения пара из сопел одноступенчатой

активной турбины с теплоперепадом

Для реактивной турбины ( )

- для ступенчатой турбины

Если принять , то получим:

;

Если принять , то получим:

;

Перепад тепла, срабатываемый в соплах

Где - коэффициент скорости С.

Число ступеней в многоступенчатой турбине зависит от отношения скоростей x , величины окружной скорости u, степени реактивности и перепада тепла

Если и заданы, то при наивыгоднейшем x увеличение u приведет к сокращению числа ступеней и уменьшению осевого размера турбины.

Если при фиксированных , и u снимать x, то это тоже приведет к .

Однако при этом

С увеличением при неизменной u и уменьшается величина , но примерно во столько же возрастает x, что приводит к увеличению Z, так как x в формуле (*) во второй степени.

Рассмотри процесс расширения пара в многоступенчатой турбине без использования выходной скорости.

Считаем для простоты, что турбина имеет три активные ступени.

Изоэнтропный теплоперепад на турбине:

(Z=3)

В соответствии с установившимися давлениями ( ) сопла первой ступени будут срабатывать теплоперепад . Отложив все внутренние потери, найдем энтальпию пара за первой ступенью и внутреннюю работу ступени

Процесс изоэнтропного расширения пара в соплах второй ступени начинается от точки по изоэнтропе

Отложив все внутренние потери, найдем точку с энтальпией и внутреннюю работу

- внутренняя работа турбины.

Внутренний КПД многоступенчатой турбины

В диаграмме i-S изобары с ростом энтропии расходятся.

Проведем через точку линию, параллельную , а из точки - линию, параллельную .

; ;

- возвращенное тепло,

Сумма действительных изоэнтропных теплоперепадов - расчетный теплоперепад.

6.3. Коэффициент возвращенного тепла

Отношение расчетного теплоперепада к изоэнтропному теплоперепаду

Называется коэффициентом возвращенного тепла R

Тогда

Чтобы определить расчетный теплоперепад, надо знать R, то есть, возвращенное число Q

Пусть процесс расширения пара в многоступенчатой турбине протекает в области влажного пара по прямой АВ.

При бесконечном количестве ступеней возвращенное тепло представится площадью

При конечном числе ступеней, первая ступень не использует возвращенного тепла.

Отданное холодному источнику тепло равно

С другой стороны, оно равно ; (*)

(**) - Формула Флюгеля

k=0, 20 – если процесс идет в области перегретого пара.

k=0, 12 – если процесс идет в области насыщенного пара.

k=0, 14 0, 18 – если процесс переходит из области перегрева в область влажного пара.

Для турбин, работающих со степенью реактивности более 30% ( > 0, 3) вместо Z в формулу (**) подставлять 2Z

При помощи T-S диаграммы можно убедиться, что:

- R тем больше, чем ниже , так как большое увеличение энтропии будет сопровождаться еще большим расхождением изобар.

- R тем больше, чем больше ступеней турбины

- R больше в области перегретого пара вследствие более сильного расхождения изобар, чем в области насыщения.

6.4. Классификация паровых турбин. Конденсационные турбины.

Стационарные паровые турбины классифицируют:

1. По цели использования

- энергетические – для привода электрогенератора АЭС

- промышленные – для обеспечения паром различных видов технологических процессов.

- вспомогательные – для привода ПН, водуходувок, котлы и т.п.

2. По характеру теплового процесса

- конденсационные – весь отработавший пар сбрасывается не в конденсатор, а идет на обогрев (отопление) помещений (городка)

* турбины с противодавлением – отработавший пар используется для технологических целей ( )

* турбины с регулируемым отбором пара – имеют один или несколько отборов пара из проточной части

( )

( ).

3. По числу часов использования в году

- базовые – работают более 5000 часов в году

- полупиковые – останавливают на ночь, на выходные и праздничные дни, когда потребление энергии

- пиковые – работают менее 2000 часов в году и предназначены для покрытия утренних и вечерних пиков.

4. По используемым параметрам пара

- турбины докритического и закритического давления (соответственно, базовые – рассчитываются на закритические параметры; а пиковые и полупиковые – на докритические с целью удешевления)

- с промежуточным перегревом пара.

5. По конструктивным особенностям

- по числу цилиндров (одноцилиндровые, многоцилиндровые)

- одновальные и двухвальные

- по типу ступеней (активные и реактивные)

Маркировка турбин

К – конденсационная

Р – турбина с противодавлением

П – конденсационная с регулируемым производственным отбором пара при

Т – конденсационная с регулируемым теплофикационным отбором пара при

ПТ – конденсационная с промышленным и теплофикационным регулируемым

отборами пара.

ПР – турбина с противодавлением и промышленным отбором пара.

· Первое число за буквенным обозначением – номинальная мощность [МВт]

· Следующее число – номинальное давление пара перед турбиной [кгс/ ]

· Для турбин с промышленным регулируемым отбором и противодавлением через дробь указывается давление пара перед турбиной, в отборе и противодавление[кгс/ ]

· Последняя цифра (если есть) – номер заводской модификации.

· Для турбин АЭС часто через дробь после номинального давления указывается частота вращения.

Конденсационные турбины Харьковского турбинного завода имени С.М. Кирова.

К – 220 – 44

К – 500 – 65/3000

К – 500 – 60/1500

Для К – 500 – 65/3000 применяется многоцилиндровая компоновка.

6.5. Осевые усилия на ротор турбины

Возникают от:

- разности статических давлений пара перед рабочими лопатками и за ними;

- разности статических давлений пара на выступающие части ротора;

- динамического воздействия парового потока на рабочие лопатки.

Воспринимаются упорным подшипником. Для того, чтобы исключить перегрузку упорного подшипника и не делать его упорную поверхность чрезмерно большой, необходимо соответствующим образом сбалансировать осевое усиление за счет разгрузочных устройств.

6.5.1. Барабанный ротор (цельнокованый ротор) активно-реактивной турбины.

Статическое усилие пара на рабочие лопатки, обусловленное наличием реактивности, вызывается разностью давлений пара перед рабочими лопатками и за ними, т.е.

Эта разность давлений создает осевое усилие на рабочий венец

- средний диаметр к -ой ступени

- высота лопатки к -ой ступени

Осевое усилие от статической разности давлений:

Аналогично найдем осевое усилие от динамического воздействия парового потока на рабочие лопатки:

Полное осевое усилие, действующее на лопатки, будет равно

Самым радикальным способом разгрузки от осевых усилий является применение двухпоточной конструкции.

Осевое усилие внутри цилиндра уменьшают с помощью установки разгрузочного диска («думмиса»)

Так как пар в турбине (см. рис. 1) протекает слева направо, то суммарное осевое усилие будет тоже действовать слева направо.

Наружный диаметр думмиса равен , а диаметр вала равен . При этом .

В связи с этим на венец первой ступени будут действовать силы, как на рис.2:

- На кольцевой участок венца, расположенный вне радиуса думмиса, действует сила , вызванная разность давлений и и направленная слева направо.

- На кольцевую площадь действует также сила , создавая силу разгрузки, направленную справа налево.

Чем больше разность диаметров и , тем больше сила разгрузки

Слева на думмис действует сила

действует слева направо и компенсирует силу разгрузки . Поэтому камеру думмиса А связывают трубопроводом с камерой отбора или выхлопным патрубком, где давление значительно ниже, чем в первой ступени.

Таким образом сила разгрузки результирующая:

А суммарное осевое усилие, воспринимаемое упорным подшипником

При расчете турбины, работающей на номинальном режиме, разгрузочный диск (думмис) проектируют так, чтобы

6.6. Компоновка многоступенчатой паровой турбины. Принципиальные схемы паротурбинных установок.

Современные паровые турбины выполняют не только многоступенчатыми, но и многоцилиндровыми. Такое выполнение турбины вызвано стремлением увеличить мощность турбины при сохранении экономичности.

Увеличение единичной мощности агрегата приводит к большим выгодам. Удельная стоимость агрегата с ростом самой мощности уменьшается, т.к. массо-габаритные показатели растут непропорционально мощности.

Например: К – 200 – 130, N=200МВт, l=2, 5м; m=560т.

К – 1200 – 240, N=1200МВт, l=70м, m=1900т.

Принципиально можно выполнить турбину с любым расходом пара и, следовательно, любой мощности. Важно, чтобы эта турбина была экономичной, что достигается при малой потере с выходной скоростью. Это значит, что площадь для выхода пара должна быть достаточно большой.

Так как с другой стороны , где d –диаметр последней ступени, - длина последней лопатки. То увеличения площади выхода пара можно добиться, если увеличивать:

- диаметр ступени

- длину лопатки

- и то, и другое

Это приводит к тому, что центробежные усилия в лопатке растут и приближаются к тому опасному пределу, при котором может произойти её обрыв.

При заданной частоте вращения машины прочность лопаток последней ступени однозначно определяет площадь для выхода пара.

Введение регенерации повышает мощность однопоточной турбины, так как имеется возможность увеличить расход пара через ступени, предшествующие отбору на регенерацию, на величину самого отбора. А расход пара через последнюю ступень сохраняется.

Дальнейшее увеличение мощности турбины возможно при выполнении многоцилиндровой конструкции:

- ЦВД – цилиндр высокого давления, в котором пар расширяется до 20 40 кгс/

(2 ) и направляется на промежуточный перегрев.

- ЦСД – цилиндр среднего давления, где пар расширяется до 2

(0, 2 )

- ЦНД – цилиндр низкого давления.

Количество ЦНД определяется мощностью, давления в конденсаторе и назначением турбины.

К – 500 – 65/3000

Размеры последних ступеней варьируются в пределах:

При

Существенное увеличение мощности достигается за счет снижения частоты вращения турбины, т.к. центробежные силы пропорциональны квадрату частоты вращения, то переход с n=3000 об/мин на n=1500 об/мин позволит увеличить в 4 раза.

Для турбин АЭС, работающих на насыщенном паре, теплоперепад значительно меньше, чем для турбин обычного типа из-за пониженных начальных параметров пара. Поэтому для получения одной и той же мощности турбины насыщенного пара требуется значительно больший его расход. Это приводит к увеличению высот лопаток в первых ступенях и, следовательно к переходу на пониженную частоту вращения.

Принципиальная схема ПТУ см. рис. 13 на стр.47 «Расчет проточной части паровых турбин» В. Гольба, В. Белозеров

БОУ – блочная обессоливающая установка

ЭУ – эжектор уплотнений

ЭО – эжектор основной

ПП – промперегреватель

Д – деаэратор

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒