МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Тепловые электрические станции»
А. В. Нерезько Н. В. Пантелей
ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ.
ТЕПЛОВЫЕ И АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИИ
Методическое пособие
по выполнению лабораторных работ
Минск БНТУ
2015
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет
Кафедра «Тепловые электрические станции»
А. В. Нерезько Н. В. Пантелей
ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ. ТЕПЛОВЫЕ И АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИИ
Методическое пособие по выполнению лабораторных работ
для студентов специальностей 1-43 01 08 «Паротурбинные установки
атомных электрических станций», 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции»
Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики
и энергетического оборудования
Минск БНТУ
2015
УДК [621.311.25:621.039+621.311.22]:621.165(076.5) ББК 31.363я7
Н54
Рецензенты:
кандидат технических наук, руководитель группы «Наладка переменных режимов паровых турбин» ОАО «Белэнергоремналадка» А. М. Таращук;
кандидат технических наук, начальник ПТО РУП «Белнипиэнергопром»
В. М. Сыропущинский
Нерезько, А. В.
Паровые турбины. Тепловые и атомные электрические станции : методическое пособие по выполнению лабораторных работ для сту- дентов специальностей 1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций», 1-43 01 04 «Тепловые электрические стан- ции» / А. В. Нерезько, Н. В. Пантелей. – Минск : БНТУ, 2015. – 71 с.
ISBN 978-985-550-383-6.
Пособие соответствует государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования для студентов специальностей 1-43 01 08 «Паротур- бинные установки атомных электрических станций», 1-43 01 04 «Тепловые электри- ческие станции», изучающих дисциплины «Турбины ТЭС», «Турбины АЭС».
В пособии представлены лабораторные работы по исследованию аэродинамиче- ских характеристик турбин на лабораторных установках, режимов работы действу- ющего оборудования в условиях электростанций. Выполнение этих работ позволяет закрепить теоретический материал лекций, а также приобрести практические навыки по исследованию работы паровых турбин электростанций.
УДК [621.311.25:621.039+621.311.22]:621.165(076.5) ББК 31.363я7 ISBN 978-985-550-383-6 © Нерезько А. В., Пантелей Н. В., 2015
© Белорусский национальный технический университет, 2015 Н54
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ... 4 Охрана труда и техника безопасности при проведении
лабораторных работ ... 5 Лабораторная работа № 1.
Основные узлы и конструкция паровой турбины ... 9 Лабораторная работа № 2.
Определение основных геометрических и газодинамических
параметров турбинных ступеней ... 18 Лабораторная работа № 3.
Исследование распределения давления по обводу
профиля турбинной лопатки ... 28 Лабораторная работа № 4.
Исследования течения в канале активной решетки
и профильных потерь энергии при изменении угла атаки ... 35 Лабораторная работа № 5.
Исследование концевых потерь энергии в турбинной решетке ... 42 Лабораторная работа № 6.
Определение потерь энергии с выходной скоростью
в турбинной ступени ... 47 Список литературы ... 50 Приложение 1. Геометрические и аэродинамические
характеристики профилей МЭИ ... 51 Приложение 2. Рекомендуемые значения периферийной
и корневой перекрыш ступеней активного типа ... 52 Приложение 3. Продольные разрезы турбин ... 53
ВВЕДЕНИЕ
Современные паровые турбины являются основными двигателями тепловых и атомных электростанций, значения которых для энерге- тики определяется все возрастающими потребностями страны в элек- троэнергии. Паровые турбины позволяют осуществлять совместную выработку электрической энергии и теплоты, что повышает степень использования теплоты органического и ядерного топлива.
Для более полного усвоения студентами базового объема знаний о месте турбины и турбоустановки в энергоблоке ТЭС и АЭС лекции и практические занятия по дисциплинам «Турбины ТЭС» и «Тур- бины АЭС» сопровождаются лабораторными работами.
Пособие состоит из шести лабораторных работ, цель которых изучение конструкции и принципа действия паровой турбины, при- обретение студентами практических навыков по расчету турбинной ступени и построению процессов расширения пара, определению экономичности турбин и турбоустановок.
В пособии в полной мере изложены правила охраны труда при проведении лабораторных работ, при выполнении которых исполь- зуются экспериментальные стенды по исследованию аэродинамиче- ских характеристик воздушной турбины, оснащенных двигателями и генераторами постоянного и переменного тока.
Приведены вредные и опасные производственные факторы, ко- торые могут проявиться в процессе выполнения лабораторных ра- бот, и меры предосторожности
В приложениях приведена информация, позволяющая дополнить знания студентов при выполнении лабораторных работ, практиче- ских занятий и курсового проекта.
ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Общие требования по охране труда
К выполнению работ на экспериментальных стендах по исследо- ванию аэродинамических характеристик воздушной турбины, осна- щенных двигателями и генераторами постоянного и переменного тока (далее по тексту – лабораторный стенд), допускаются студен- ты, прошедшие в установленном порядке обучение, инструктаж, стажировку и проверку знаний по вопросам охраны труда.
Допуск студента к самостоятельной работе осуществляется ру- ководителем и оформляется записью в журнале регистрации ин- структажа по охране труда.
В процессе работы на лабораторных стендах на студента могут воздействовать следующие вредные и опасные производственные факторы:
подвижные части производственного оборудования;
повышенный уровень шума на рабочем месте;
недостаточная освещенность рабочей зоны;
повышенный уровень вибрации на рабочем месте;
повышенное значение напряжения в электрической цепи, замы- кание которой может произойти через тело человека;
повышенная напряженность электрического и магнитного полей;
тяжесть и напряженность труда.
При разработке и постановке лабораторных работ учтены требо- вания «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» (ПТЭ) (М., СПО ОРГРЭС, 1996), а также следующих Госу- дарственных стандартов и нормативных документов:
ГОСТ 24278–89. Установки турбинные паровые стационарные для привода электрических генераторов ТЭС. Общие технические требования;
ГОСТ 28969–91. Турбины паровые стационарные малой мощно- сти. Общие технические условия;
ГОСТ 25364–88. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации и общие требования к проведению измерений;
ГОСТ 28757–90. Подогреватели для системы регенерации паро- вых турбин ТЭС. Общие технические условия;
Сборник распорядительных документов по эксплуатации энерго- систем (Теплотехническая часть). Ч. 1. Раздел 3. М., СПО ОРГРЭС, 1991.
Студенты обязаны:
изучить инструкцию по охране труда при работе на экспери- ментальных стендах по исследованию аэродинамических характе- ристик воздушной турбины ЭВТ-1, ЭВТ-2 в лаборатории № 8;
выполнять требования охраны труда, установленные Инструк- цией по охране труда при работе на экспериментальных стендах по исследованию аэродинамических характеристик воздушной турбины ЭВТ-1, ЭВТ-2;
выполнять работу в соответствии с заданием, способы безопас- ного выполнения которой известны, при необходимости обратиться за разъяснением к руководителю;
быть внимательным, не отвлекаться на посторонние дела и раз- говоры;
соблюдать в порядке и чистоте свое рабочее место;
проверять надежность крепления проводов защитного зазем- ления;
следить за тем, чтобы руки, одежда и обувь были сухими и чи- стыми;
соблюдать требования настоящей Инструкции;
выполнять только ту работу, которая ему поручена, безопасные способы выполнения которой известны. При необходимости следует обратиться к непосредственному руководителю за разъяснением;
проходить обучение, инструктаж, стажировку и проверку знаний по вопросам охраны труда;
не допускать на рабочее место посторонних лиц;
использовать и правильно применять средства индивидуальной защиты, а в случае их отсутствия или неисправности немедленно уведомить об этом руководителя;
соблюдать правила внутреннего трудового распорядка, режим труда и отдыха, трудовую дисциплину, правила поведения на тер- ритории университета, в аудиториях, лабораториях и других поме- щениях. Не допускается нахождение на работе в состоянии алко- гольного опьянения, либо в состоянии, вызванном употреблением
наркотических средств, психотропных или токсичных веществ, а так- же распивать спиртные напитки, употреблять наркотические сред- ства, психотропные или токсичные вещества на рабочем месте или в рабочее время;
курить только в местах, предназначенных для курения;
выполнять требования охраны труда и пожарной безопасности, знать сигналы оповещения о пожаре, порядок действий при пожа- ре, места расположения средств пожаротушения и уметь пользо- ваться ими;
знать правила оказания первой помощи пострадавшим при не- счастных случаях на производстве и приемы освобождения от дей- ствия электрического тока лиц, попавших под напряжение;
знать место расположения аптечки первой медицинской помо- щи и уметь применять содержащиеся в ней лекарственные средства и изделия медицинского назначения;
немедленно сообщать непосредственному руководителю о лю- бой ситуации, угрожающей жизни и здоровью людей, о каждом не- счастном случае, происшедшем на производстве, замеченных неис- правностях оборудования, инструмента, измерительных приборов об ухудшении состояния своего здоровья, в том числе о проявлении признаков острого заболевания;
оказывать содействие руководителю в принятии мер по оказа- нию необходимой помощи потерпевшим в доставке их в организа- цию здравоохранения.
Ознакомиться на месте со шкалой прибора, обратив внимание на цену деления шкалы. Отсчет начинать по сигналу старшего группы или преподавателя. Запись обязательна и при неизмененных показаниях приборов. У жидкостных приборов (дифференциально- го манометра, U-образного манометра, барометра) показания уров- ня ниже нуля записывать со знаком минус (–), выше нуля – со зна- ком плюс (+). При колебаниях уровня жидкостей оценить средний уровень в левом и правом коленах, после чего записать оба показа- ния; методика отсчета по другим шкалам поясняется на месте руко- водителем испытаний.
После завершения опыта протокол наблюдений подписать и сдать руководителю для проверки.
Студентам запрещается:
Во избежание механических травм не допускается:
заходить за ограждение площадки турбин ЭВТ-1, ЭВТ-2;
находиться перед всасом вентилятора;
прикасаться к аэродинамической решетке;
во избежание травмирования электрическим током не допускается:
пользоваться электрозащитными средствами, срок годности ко- торых истек;
применять указатель напряжения без повторной проверки по- сле его падения;
пользоваться для заземления проводниками, не предусмотрен- ными для этой цели, а также присоединять заземление путем скрут- ки проводников;
натягивать, перекручивать и перегибать кабели питания средств измерений, подвергать их механическим воздействиям;
облокачиваться на включенные в электрическую сеть корпуса приборов;
проникать к приборам, вмонтированным под защитные стекла и сетки;
держать легковоспламеняющиеся материалы, жидкости вблизи работающих электродвигателей, вентиляторов, проводов, электро- оборудования;
работа при возникновении во время проведения измерений по- вреждения штепсельного соединения, шнура или его защитной обо- лочки, нечеткой работы выключателя, появление дыма или огня, характерного для горящей изоляции, поломки или появлении тре- щин в корпусной детали, защитном ограждении.
Лабораторная работа № 1
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И КОНСТРУКЦИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
Цель работы: изучить устройства и конструктивные особенно- сти паровых турбин.
Общие сведения
Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в механическую работу вращающегося ро- тора. Процесс превращения потенциальной энергии пара в кинетиче- скую, а затем и в механическую энергию вращения валопровода про- исходит в проточной части турбины, которая состоит из ступеней.
Всякая турбина состоит из неподвижных и вращающихся частей.
Совокупность всех неподвижных частей принято называть статором турбины, а вращающихся – ротором.
Статор турбины состоит из корпуса, в который вварены сопло- вые коробки, соединенные с помощью сварки с клапанными короб- ками, установлены обоймы концевых уплотнений, обоймы диафрагм, сами диафрагмы и их уплотнения.
Одной из основных деталей статора турбины является ее корпус
(или ее цилиндр), имеющий сложную форму с изменяющимися по
длине диаметрами, и фланцы горизонтального и вертикального разъ- емов. В корпусе размещены пароподводящие и пароотводящие кана- лы, закреплены сопловые и направляющие аппараты, диафрагмы, обоймы и другие элементы статора. Заодно с цилиндром выполняют- ся патрубки для промежуточных регулируемых и нерегулируемых отборов пара, патрубки для подвода и отвода пара из цилиндров.
Конструкция корпуса определяется многими факторами, глав- ными из которых являются назначение и тип турбины, режимные условия ее работы, начальные и конечные параметры пара, наличие или отсутствие промежуточного перегрева, размеры проточной ча- сти, возможности технологии его изготовления. В зависимости от параметров пара условно различают цилиндры (части) высокого давления (ЦВД), цилиндры среднего давления (ЦСД) и цилиндры низкого давлений (ЦНД).
Направление потоков пара в многоцилиндровых турбинах разно- образно (рисунок 1.1) и определяется следующими факторами: умень- шением осевых усилий, воздействующих на упорный подшипник;
уменьшением осевых зазоров; уменьшением взаимных перемещений валопровода и корпусов цилиндров; уменьшением тепловых деформа- ций; расположением трубопроводов подвода и отвода пара и т. д.
Рисунок 1.1 – Схемы некоторых мощных многоцилиндровых паровых турбин:
а – К 100-90 ЛМЗ; б – К 160-130 ХТГЗ; в – К 200-130 ЛМЗ; г – К 300-240 ЛМЗ;
д – К 500-240 ХТГЗ; е – К 800-240 ЛМЗ, К 1200-240 ЛМЗ; ж – К 500-65/3000 ХТГЗ;
з – Т 250/300-240 УТМЗ; 1 – промежуточный перегрев; 2 – сепаратор с промежуточным перегревом; 3 – отбор пара на теплофикацию
Цилиндр высокого давления выполняют однопоточным, при этом пар может подводиться как с конца цилиндра (прямоточная схема), так и в его среднюю часть (петлевая схема). В петлевой схеме ЦВД преду- сматривается поворот потока пара за первой группой ступеней, распо- ложенных во внутреннем корпусе, на 180, после чего он омывает сна- ружи внутренний корпус цилиндра, охлаждает его и поступает в по- следнюю группу ступеней, расположенных в наружном корпусе цилиндра. Такая конструкция позволяет уменьшить температурную разность и напряжения в корпусе цилиндра, особенно на переменных режимах работы, уравновесить осевые усилия в пределах цилиндра.
а
б
в
г
д
е
ж
з
В турбинах с большими объемными пропусками пара на входе в цилиндр применяют двухпоточную конструкцию с одинаковыми потоками пара и одинаковой геометрией проточной части. Исполь- зование такой конструкции позволяет снизить высоту рабочих ло- паток последней ступени в данном цилиндре и полностью уравно- весить осевые усилия в нем. Двухпоточная конструкция применяет- ся в ЦНД, иногда в ЦСД и даже в некоторых ЦВД турбин АЭС.
Сопловой аппарат турбины состоит из нескольких сегментов со- пел, к каждому из которых пар поступает от отдельного клапана.
Сегменты сопел крепятся к вставным сопловым коробкам или к кор- пусу турбины, если сопловые коробки выполнены заодно с корпу- сом турбины. По типу конструкции различают сопловые аппараты с наборными лопатками, сварными или литыми.
Диафрагмы турбины – кольцевые перегородки с сопловыми ре- шетками, в каналах которых происходит преобразование тепловой энергии пара в кинетическую энергию его струй. Диафрагмы пред- назначены для разделения внутренней полости цилиндра на отсеки с различными параметрами пара. В каждой диафрагме размещены неподвижные сопловые лопатки, проходя между которыми поток пара ускоряется и приобретает необходимое направление для входа в каналы, образованные рабочими лопатками. Диафрагмы состоят из двух половин, каждая из которых устанавливается в верхней и нижней половинах цилиндра или промежуточной обоймы. В пазы внутренних расточек половин диафрагм установлены сегменты ла- биринтовых уплотнений для уменьшения утечки пара вдоль вала в местах, где он проходит сквозь диафрагму.
Диафрагмы выполняют стальными или чугунными. Стальные диафрагмы устанавливают в зоны высоких температур пара, а чу- гунные – в зоне низких и средних температур. Диафрагмы устанав- ливают непосредственно во внутренние расточки цилиндров или обойм. В одну обойму располагают диафрагмы нескольких ступе- ней, в которых общий теплоперепад и соответственно изменение температур и давлений небольшие. Применение диафрагм позволя- ет упростить конфигурацию корпуса, уменьшить влияние деформа- ции корпуса на распределение зазоров в проточной части.
12
Рисунок 1.2 – ПродольныйразрезтурбиныК-50-90: 1 – ротортурбины; 2 – корпустурбины; 3 – опорно-упорныйподшипник; 4 – опорныйподшипник; 5 – регулирующийклапан; 6 – сопловаякоробка; 7 – кулачковыйвал; 8 – сервомотор; 9 – плавныймасляныйнасос; 10 – регуляторскорости; 11 – следящий золотник; 12 – картерпоследнегоподшипника; 13 – валоповоротноеустройство; 14 – соединительнаямуфта; 15 – выхлопной патрубоктурбины; 16 – насадныедиски; 17 – рабочиелопатки; 18 – диафрагмы; 19 – обоймыдиафрагм; 20 – обоймыпоследнего концевогоуплотнения; 21 – перепускнаятруба; 22 – датчикиавтоматабезопасности; 23 – фундаментнаяплита; 24 – патрубки отборовпаранарегенерацию
В паровых турбинах с регулируемыми отборами пара применяют поворотные диафрагмы, выполняющие две функции: разделение внутренней полости цилиндра на отсеки с различными параметрами пара и регулирование пропуска пара в последующие отсеки турби- ны. Применение поворотных диафрагм, заменяющих собой регули- рующие клапаны, упрощает конструирование цилиндров и позволя- ет выполнить одноцилиндровые турбины с одним и двумя регули- руемыми отборами пара.
Наиболее ответственными элементами проточной части турбин являются рабочие лопатки, профили которых образуют рабочую ре- шетку. Именно в каналах рабочей решетки происходит преобразова- ние энергии потока пара в полезную работу на валу турбины. Любая лопатка состоит из рабочей части (пера) и хвостовика. Рабочая часть имеет профили, установка которых с равным шагом образует рабо- чие каналы. Хвостовики служат для крепления лопаток на диске. На торце рабочей лопатки выполняют шип. На группу лопаток надевает- ся лопаточный бандаж, в котором выполнены отверстия с шагом и формой, соответствующими шипам на лопатках, установленных на диске. Шипы расклепывают, и в результате лопатки на диске оказы- ваются набранными в пакеты, что увеличивает вибрационную на- дежность облопачивания и позволяет выполнить периферийное уплотнение ступени. Короткие лопатки выполняют с постоянным по высоте профилем, длинные – с переменным (закручивают).
Валопровод турбоагрегата – это совокупность соединенных между собой роторов последовательно расположенных цилиндров и гене- ратора. Для передачи крутящего момента роторы цилиндров соеди- няются между собой посредством муфт. Ротор несет на себе лопа- точный аппарат, который выполняет основную функцию – превра- щение кинетической энергии пара в механическую энергию вра- щения ротора генератора. Ротор включает в себя вал, облопаченные диски и некоторые другие элементы, обеспечивающие его сборку и нормальную работу.
Конструктивно ротор турбины может быть выполнен с насадны- ми дисками, цельнокованым, сварным, сварно-кованным, а также комбинированным (часть ротора – цельнокованая, часть имеет на- садные диски). Роторы с насадными дисками просты в изготовле- нии, но могут работать только при умеренных температурах пара, так как при высоких температурах может происходить ослабление
посадки диска на вал. В цельнокованых роторах диски с валом вы- тачиваются из одной паковки, поэтому исключается ослабление по- садки диска на вал в процессе эксплуатации турбины. Однако диа- метры цельнокованых роторов ограничены, что объясняется слож- ностью изготовления. Роторы комбинированного типа применяются в турбинах, в которых температура изменяется в больших интерва- лах в пределах одного цилиндра.
В ЦНД широко применяются сварные роторы, которые состоят из нескольких дисков, сваренных по периферийной окружности.
Это позволяет получить равномерную структуру металла по объему детали и улучшить тепловую стабильность ротора.
В паровых турбинах используют четыре вида уплотнений: кон- цевые (для уплотнения валов, выходящих из цилиндров), промежу- точные (отделяют друг от друга отсеки проточной части с разными направлениями потоков пара в противоточных цилиндрах), диа- фрагменные (препятствуют протечке пара между диафрагмой и ва- лом) и уплотнения рабочей решетки.
К неподвижным частям турбины относятся также картеры ее подшипников. Подшипники служат для фиксации вращающегося валопровода турбоагрегата, при котором обеспечивается надежная и экономичная работа. В паровых турбинах используют только подшипники скольжения (опорные и упорные), в которых между вращающимися и невращающимися деталями при нормальной ра- боте всегда существует тонкий слой смазки. В зависимости от числа роторов в валопроводе и способа их соединения турбоагрегат мо- жет иметь от трех до двенадцати опорных подшипников и один или два (чаще всего один) упорных.
Опорные подшипники воспринимают и передают на детали ста- тора радиальные нагрузки от собственного веса валопровода, от его неуравновешенных центробежных сил и расцентровок, от аэроди- намических сил, возникающих в проточной части турбины и уплот- нениях. Упорный подшипник служит для восприятия результиру- ющего осевого усилия, приложенного к вращающемуся валопрово- ду, и передачи его на детали статора. Одновременно он фиксирует положение валопровода в турбоагрегате и осевые зазоры в проточ- ной части турбины и уплотнениях.
На стуле переднего подшипника располагается блок системы ав- томатического регулирования турбины. В состав системы регули-
рования входят: центробежный регулятор скорости, бойки автомата безопасности, рычаги срабатывания бойков, блок управления сто- порным и регулирующими клапанами. На передней части блока расположен механизм управления турбиной (МУТ).
К переднему торцу ротора прикрепляют приставной конец вала, на котором установлены бойки предохранительных выключателей
(датчики автомата безопасности), воздействующие на стопорный
и регулирующие клапаны и прекращающие доступ пара в турбину при повышении частоты вращения ротора на 10–12 % по сравнению с расчетной. Приставной конец вала с помощью гибкой муфты со- единен с валом главного масляного насоса, который предназначен для подачи масла в систему смазки подшипников турбины и гене- ратора и в систему автоматического регулирования (САР) турбины.
Система маслоснабжения является составной частью турбоуста- новки, в значительной мере определяющей ее работоспособность.
Масло в турбоустановках используют в качестве рабочего тела в гид- равлических системах регулирования, для смазки и охлаждения под- шипников турбоагрегата, в качестве уплотняющей среды в генерато- рах с водородным охлаждением, в гидромуфтах питательных насо- сов. Неудовлетворительная работа масляных систем приводит к ава- риям. По уровню давления масляные системы можно разделить на две группы: низкого давления (не более 0,295–0,392 МПа) для смаз- ки, уплотнения генератора, питания гидромуфт и высокого давления (в зависимости от мощности турбины 0,49–0,98) для регулирования.
Всякая турбина имеет органы и устройства, позволяющие изме- нять ее мощность в зависимости от потребности в электроэнергии, т. е. турбина имеет механизм управления турбиной (МУТ), который постоянно восстанавливает равенство между требуемой и выраба- тываемой мощностью. Регулирование основных параметров и ча- стоты вращения осуществляется системой автоматического регули- рования турбины (САР). Функции САР меняются в зависимости от типа турбоустановки. Основная функция САР конденсационной турбины – обеспечивать автоматическое поддержание заданной ча- стоты вращения ротора турбины. Главная задача системы регулиро- вания турбин в противодавлением – поддержание в определенных пределах давления отработавшего пара. Система регулирования теплофикационных турбин должна допускать независимое управ-
ление и поддержание как вырабатываемой мощности, так и отбира- емого количества пара.
В заднем картере турбины располагают валоповоротное устрой- ство. Валоповоротное устройство служит для медленного вращения валопровода турбины, исключающего его изгиб из-за температурной неравномерности по сечению, появление вибрации и задевание вра- щающихся деталей неподвижными. Оно состоит из электродвигате- ля, к ротору которого присоединен червяк, входящий в зацепление с червячным колесом, насаженным на промежуточный валик. На винтовой шпонке этого валика установлена ведущая цилиндрическая шестерня, которая при включении валоповоротного устройства вхо- дит в зацепление с ведомой цилиндрической шестерней, сидящей на валу турбины. После подачи пара в турбину частота вращения ротора повышается, и ведущая шестерня автоматически выходит из зацеп- ления из-за проворачивания ее по винтовой шпонке.
Необходимость в работе валоповоротного устройства возникает при пуске и останове турбины.
Со стороны выхода пара ротор турбины соединен полугибкой муфтой с ротором генератора.
Основная потеря теплоты в турбинной установке происходит в ее конденсаторе. Для уменьшения этой потери в корпусе преду- смотрено несколько патрубков, через которые пар отбирается из промежуточных ступеней на подогрев питательной воды, подавае- мой в котел.
Объект исследования
Объектом исследования является поперечный разрез паровой турбины, приведенный в приложении 3.
Ход работы
Необходимо подготовить описание конструкции и продольный разрез паровой турбины, заданной преподавателем. На продольном разрезе по аналогии с рисунком 1.2 обозначить основные узлы изу- чаемой турбоустановки. Условные обозначения узлов представить в виде спецификации.
Контрольные вопросы
1. Что собой представляет паротурбинный агрегат?
2. В чем принципиальное различие паровых турбин активного
и реактивного типа?
3. Из каких основных элементов состоит типичная энергетиче-
ская паровая турбина?
4. Из чего состоит валопровод турбоагрегат?
5. Типы уплотнений турбины и места применения.
6. Варианты конструктивного исполнения роторов турбины.
7. Что входит в состав системы регулирования паровой турбины?
8. Чему примерно равен абсолютный теоретический (термиче-
ский) КПД турбоустановки?
9. В чем принципиальная разница абсолютных и относительных
КПД? Какой из них больше?
10. Чем отличается эффективная мощность турбоагрегата от элект- рической? Какая из них больше?
11. Почему экономически целесообразны ТЭЦ с комбинирован-
ной выработкой тепловой и электрической энергии?
12. Какие типы турбин (по назначению) используются в энер-
гетике?
13. Что такое номинальная мощность турбоагрегата и в чем ее отличие от конденсационных и теплофикационных турбин?
14. Расшифруйте обозначения турбины ПТ–60/75–12,8/1,3–2
и К-1000-5,9/25-1.
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ
Цель работы: изучить устройство и принцип действия турбин- ных ступеней и их основные параметры.
Общие сведения
Турбинные ступени подразделяются на активные и реактивные (по особенностям преобразования в них внутренней и потенциаль- ной энергии потока в механическую).
На рисунке 2.1 показана ступень активного типа, широко приме- няемая в практике турбостроения, которая состоит из диафрагмы 1 и рабочего колеса 2.
Рисунок 2.1 – Турбинная ступень активного типа:
1 – диафрагма; 2 – рабочее колесо; 3 – сопловые лопатки; 4, 5 – нижнее и верхнее диафрагменные кольца; 6 – диафрагменное уплотнение; 7 – вал турбины;
8 – диск рабочего колеса; 9 – рабочие лопатки
Диафрагма выполняется из сопловых лопаток 3, образующих ка- налы сопловой решетки и закрепленных в нижнем 4 и верхнем 5 диафрагменных кольцах. Диафрагма 1 верхним кольцом 5 крепится в корпус турбины, а в нижнее кольцо 4 монтируется диафрагменное уплотнение 6 для уменьшения бесполезной протечки рабочего тела помимо сопловых каналов через диафрагменный зазор (зазор между диафрагмой 1 и валом 7). Рабочее колесо 2 выполняется из диска 8, выполняемого заодно с валом или насаженного на него посредством шпонок. К диску 8 крепятся рабочие лопатки 9, образующие каналы рабочей решетки. Поверх рабочих лопаток крепится бандажная лен- та 10 с усиками для уплотнения радиального зазора (зазор между рабочим колесом и корпусом).
Устройство реактивной турбинной ступени (рисунок 2.2) отлича- ется от предыдущего типа тем, что сопловые лопатки крепятся в кор- пус, а рабочие – в барабан ротора, а также отличной формой каналов рабочей решетки.
Рисунок 2.2 – Турбинная ступень реактивного типа
В ступени турбины работа расширения пара преобразуется в ки- нетическую энергию потока, а последняя – в механическую. Поток пара, вышедший со скоростью с1 из сопловой решетки, проходит зазор а, отделяющий неподвижные сопловые лопатки от рабочих, и поступает в каналы рабочей решетки.
При обтекании рабочей решетки пар в общем случае дополни- тельно расширяется от давления р1 (см. рисунок 2.3) в зазоре между сопловой и рабочей решеткой до давления р2 за рабочими лопатка- ми. Одновременно поток пара в рабочей решетке меняет направле- ние. При этом происходит передача кинетической энергии потока рабочим лопаткам ступени.
Рисунок 2.3 – Процесс расширения пара в активной турбинной ступени в h–S-координатах
Отношение теплового перепада H0Р к теплоперепаду ступени от параметров торможения называется степенью реактивности:
0Р 0Р
0Р 0C 0
H H
H
H H
. (2.1)
Если степень реактивности равна нулю и в каналах рабочих ло- паток не происходит дополнительного расширения пара, то такая ступень называется чисто активной.
Когда степень реактивности невелика (до 0,2–0,25), то ступень принято также называть активной, причем иногда указывают, что это активная ступень с небольшой степенью реактивностью. Если степень реактивности значительна (0,4–0,6), то ступень называется реактивной.
Установленные на диске рабочие лопатки вращаются вместе с диском со скоростью ср
2 u w d
, (dср – средний диаметр ступени).
Выходящий из сопловой решетки поток пара со скоростью с1 под углом 1 направляется в рабочую решетку, по отношению к кото- рой обладает относительной скоростью w1, которая составляет угол
1 с окружной скоростью (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 – Входной и выходной треугольники скоростей турбинной ступени
Направление относительной скорости w1 пара при выходе из ло- паточного канала определяется углом выхода из рабочей решетки 2. Абсолютная скорость выхода пара с2 из каналов рабочих лопаток определятся как сумма векторов относительной скорости w2 и окруж- ной скорости u.
Геометрические размеры проточной части турбинной ступени выполняются в соответствии с уравнением неразрывности, запи- санного, например, для сечения за соплами:
1t 1 1 1t sin 1эф,
G v e d l с (2.2) где v1t – удельный объем рабочего тела на выходе из сопловой ре- шетки, определяется по диаграмме, м3/кг;
e – степень парциальности, учитывающая долю окружности,
по которой установлены сопла ( 0 e 1): для промежуточных сту- пеней e = 1; в регулирующих ступенях e = 0,60…0,85, что обу- словлено наличием стенок между группами сопловых коробок, пи- таемых от своих клапанов);
= 3,14;
l1 – высота сопловой решетки;
1эф – эффективный угол выхода потока из сопел, в первом при- ближении может приниматься равным профильному углу сопловой решетки 1.
Объект исследования
Объектом исследования является промежуточная ступень паро- вой турбины ПТ 60-130/13. Необходимо определить для нее геомет- рические параметры турбинной ступени, ее мощность и построить треугольники скоростей в масштабе, процесс расширения с указа- нием параметров пара в соответствии с рисунками 2.3 и 2.4 соответ- ственно.
Ход работы
Исходные данные согласно вариантам приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – исходные данные к лабораторной работе № 2
№ вари- ри- анта
Давление
пара Температура
пара Степень реактивности
Скорость пара перед
ступенью
Относитель- ный внутрен-
ний КПД P0, ата t0, С ρ, % С0, м/с oл
1 2 3 4 5 6
1 76,28 497 11,0 56 0,739 2 68,47 482 12,0 55,7 0,761
Окончание таблицы 2.1
1 2 3 4 5 6
3 61,14 468 12,6 55,5 0,772 4 55,9 454 14,2 54,8 0,731 5 49,7 440 16,5 54,7 0,790 6 44,31 425 16,8 54,4 0,798 7 39,2 410 16,6 54,2 0,809 8 34,58 393 15,6 54,1 0,810 9 30,5 377 16,3 54,0 0,816 10 26,88 361 15,4 54,8 0,819 11 23,33 344 20,2 53,9 0,824 12 20,37 328 19,3 53,3 0,828 13 17,58 311 21,5 53,1 0,838 14 15,22 294 20,5 52,7 0,843 15 13,00 276 26,4 52,3 0,857 При расчете геометрических параметров турбинной ступени в первом приближении оптимальное отношения скоростей можно найти по выражению
ф 1
cos ,
2 1
(2.3)
где 1
1t
c
c – коэффициент скорости для сопловой решетки: в пер-
вом приближении = 0,93–0,95;
1 – угол выхода рабочего тела из сопловой решетки, зависит от
профиля лопатки: для сопловых решеток активных ступеней 1а=
= 9…15, для реактивных 1р= 17…23.
Величина теплового перепада на ступень H0 должна находиться в строгом соответствии с ее частотой вращения n (с–-1) и средним диаметром dср (м), определяющим значение окружной скорости на среднем диаметре u dсрn (м/c). Эта связь выражается посред- ством оптимального отношения скоростей:
ф
ф opt
u , c
(2.4)
где сф 2H0 – фиктивная изоэнтропийная скорость пара, м/с.
С учетом энтальпии торможения перед ступенью, находящейся по формуле (2.6), находим теоретическую энтальпию на выходе из ступени по основной изоэнтропе, проходящей через начальную точ- ку процесса р0, t0.
Энтальпия торможения рабочего тела перед ступенью
2 3
0 0 0 10 ,
2
h h c кДж/кг, (2.5)
где h0 – энтальпия рабочего тела перед ступенью, кДж/кг;
с0 – скорость рабочего тела на входе в ступень, м/с.
Теоретическая энтальпия пара на выходе из ступени, проходя- щей через начальную точку (р0, t0):
0 2t 0
h h H , кДж/кг. (2.6) Располагаемый теплоперепад при выбранной степени реактивно- сти делится между сопловой H0c
1
H0 и рабочей H0р H0решетками.
Теоретическая скорость пара из сопловой решетки
1t 1 ф.
с с (2.7) Для последующего расчета необходимо по h–s-диаграмме найти параметры пара в ступени ( ,р0 р1, р21, v1t). Для нахождения высоты сопловой решетки воспользуемся формулой (2.2), задавшись углом
1 и приняв полный подвод пара.
Определяем характер течения рабочего тела на выходе из сопло- вой решетки:
1 1 1
t , M c
a (2.8) где a1 k p v 1 1t – теоретическая скорость звука за сопловой ре- шеткой, м/с;
k – показатель политропы (для перегретого пара k = 1,35, для насыщенного – k = 1,135).
По числу М1 и углам 0, 1э выбираем профиль решетки (прило- жение 1).
Согласно выбранному профилю сопловой решетки и конструк- тивным соображениям, требующим проверку надежности лопаток, а также возможности унификации с другими ступенями определяем хорду профиля b1 и относительный шаг 1 1
1
t . t b Число сопловых лопаток находим по формуле
c 1 1
d , z b t
шт. (2.9) Согласно рисунку 2.4 строим входной треугольник скоростей по с1, u, 1, из которого определяем w1, 1 графически из треуголь- ников скоростей или по формулам косоугольных треугольников:
2 2 2
1 1 2 1 cos 1,
w c u u c м/с. (2.10) Теоретическая относительная скорость выхода рабочего тела из рабочей решетки
2 2
2t 1 ф,
w w c м/с. (2.11) Находим М2t и выбираем профиль рабочей решетки, хорду рабо- чих лопаток с проверкой надежности, относительный шаг решетки
2 2 2
t . t b
