Проектирование одноцилиндровой конденсационной турбины


Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




        П.А. ЩИННИКОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОДНОЦИЛИНДРОВОЙ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ТУРБИНЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия






НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.165.013(075.8)
      Щ 833




Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Г. В. Ноздренко д-р техн. наук, проф. Ю.В. Овчинников




      Щинников П.А.
Щ 833 Проектирование одноцилиндровой конденсационной турби
       ны: учеб. пособие / П.А. Щинников. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013.-83 с.
         ISBN 978-5-7782-2226-7

          Содержит необходимые материалы для проектирования и полный алгоритм расчетов курсового проекта по дисциплине «Паровые турбины ТЭС и АЭС», изучаемой бакалаврами направления 140100 -«Теплоэнергетика и теплотехника».
          Алгоритм включает определение конструкции турбины, схемы проточной части с учетом нерегулируемых отборов, процесса расширения пара в hs-диаграмме; подробный расчет двухвенечной ступени скорости, первой и последней нерегулируемых ступеней; расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени; расчет первой критической частоты вращения ротора; выполнение эскизов ступени скорости, крутки лопаток последней ступени, ротора турбины.
          Пособие имеет минимально необходимые справочные материалы, а представленные в нем алгоритмы могут использоваться исключительно в учебных целях, укрупненных и вариативных расчетах.






УДК 621.165.013(075.8)



ISBN 978-5-7782-2226-7

                      © Щинников П.А.,2013
© Новосибирский государственный

технический университет, 2013

                       ОГЛАВЛЕНИЕ


       Введение...................................................
       Расчет паровой конденсационной турбины.....................
       1. Выбор конструкции турбины...............................
       2. Предварительная оценка экономичности турбины............
       3. Детальный расчет двухвенечной регулирующей ступени скорости
       4. Детальный расчет первой активной ступени................
       5. Расчет последней ступени отсека перегретого пара........
       6. Детальный расчет последней ступени турбины..............
       7. Расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени...
       8. Характеристика проточной части. Эскиз ротора............
       9. Расчет первой критической частоты вращения..............
       Образец заключения.........................................
       Вопросы для самопроверки...................................
       Библиографический список...................................
       Приложения.................................................

..4
.. 5
.. 5
12
19
36
43
46
55
58
61
64
66
72
73

ВВЕДЕНИЕ

   Пособие разработано в учебных целях, может быть использовано в укрупненных и вариативных расчетах однопоточных, одноцилиндровых, конденсационных паровых турбин в диапазоне единичных мощностей 4...60 МВт и не рекомендовано для проектирующих организаций в качестве руководящих материалов.
   Пособие содержит подробный и полный алгоритм расчетов для выполнения курсового проекта на примере расчета однопоточной конденсационной турбины мощностью 50 МВт с параметрами острого пара 8,8 МПа и 535 °C.
   Алгоритм включает определение конструкции турбины, построение процесса расширения пара в hs-диаграмме, разработку схемы проточной части с учетом нерегулируемых отборов; подробный расчет двухвенечной ступени скорости с определением всех параметров и выбором типа профилей, детальный расчет первой и последней нерегулируемых ступеней; расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени; расчет первой критической частоты вращения ротора; выполнение эскизов ступени скорости, крутки лопаток последней ступени, ротора турбины.
   При подготовке пособия использованы материалы [1-8].
   Приложения содержат минимально необходимые для выполнения расчета материалы, а именно: технические характеристики некоторых турбин; профили и характеристики решеток; назначение и свойства сталей и, для примера, - продольный разрез турбин К-50 и К-6.

РАСЧЕТ
ПАРОВОЙ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ТУРБИНЫ

   Исходные данные для проектирования формируются преподавателем индивидуально.
   Номинальная электрическая мощность N₃, МВт
   Начальные параметры пара Ро, бар (МПа); 1₀, °C
   Давление отработавшего пара рк, бар (кПа)
   Температура питательной воды ^пв, °C
   Частота вращения п, с⁻¹
   Схема системы регенерации ПВД + Д + ПНД

   При формировании исходных данных следует обратить особе внимание на согласованность системы регенерации (по количеству и составу подогревателей) со значениями всех параметров.


Исходные данные для примера расчетов

   Номинальная электрическая мощность Аэ
   Начальные параметры пара Ро/1о Давление отработавшего пара рк Температура питательной воды 4В Частота вращения п
   Схема системы регенерации


50 МВт
8,8/535 МПа/°С
3,5 кПа
216 °C
50 с⁻¹
2 ПВД + Д + 3 ПНД

1. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ТУРБИНЫ

   Для паровых конденсационных турбин мощностью до ^60 МВт может быть принята однопоточная однокорпусная конструкция.
   1. Потери давления в стопорном и регулирующем клапанах


ДР₀ = (0,03...0,05) Ро.


   2. Давление пара на входе в ступень турбины (НПа)


Ро = Ро -ДР,.

5

   3.     Энтальпию (кДж/кг) и энтропию (кДж/(кг • К)) пара перед ступенью (на входе) определяют по hs-диаграмме по известным начальным давлению и температуре:


hо|Ро; *о|;


sо|ро; *о|
   4.     Строят изоэнтропийный процесс расширения пара в hs-диаграмме (рис. 1, а) и определяют энтальпию пара на выходе из турбины при изоэнтропийном процессе расширения (кДж/кг):

Мрк;sо|
   5. Располагаемый теплоперепад на турбину (кДж/кг)

Но = hо - hK.


   6. Предварительно определяют количество ступеней турбины
   •     Справочные материалы рекомендуют принимать следующие значения теплоперепада на разные ступени турбины: для двухвенечной ступени скорости - 1оо...25о кДж/кг; для активных ступеней средних давлений - 4о...5() кДж/кг; для последних ступеней турбины, работающих, как правило, в зоне влажного пара - 7G...12G кДж/кг. В двух последних случаях большие значения - для меньших давлений.
   •     Принимают теплоперепад для ступеней турбины (кДж/кг): для регулирующей ступени скорости - Н([т'ск, для активных (остальных) ступеней - Н" .
   •     Предварительно оценивают число ступеней (шт.):



(Но - Н;“■)

Z =

но"


z = Z+ 1.


6

#0=1447 кДж/кг

/?o=const=84 бар

в

Рис. 1. Процесс расширения пара в турбине в hs-диаграмме (здесь и далее на рисунках численные значения для примера задания, представленного в исходных данных):
а, б, в - этапы построения процесса

   7. Определяют схему турбины.
   В творческом процессе на основе разных технических рекомендаций, опыта проектирования, турбин-прототипов, инженерной интуиции определяют схему проточной части турбины с учетом нерегулируемых отборов, системы регенерации, необходимой (заданной) температуры питательной воды и давления в конденсаторе.
   При определении нерегулируемых отборов можно пользоваться следующими рекомендациями.
   • Число отборов в зависимости от мощности турбин:


          мощность, МВт
              4.10
              10.25
              25... 60


число отборов, шт.

3
4.5
5.8

   •     Нагрев воды в регенеративных подогревателях определяют при детальном расчете тепловой схемы, однако в настоящих расчетах допустимо принимать на уровне: для группы ПВД - 30.35 °C в каждом подогревателе; для группы ПНД -20.30 °C в каждом подогревателе.
   •     Процесс передачи теплоты в подогревателях осуществляют при постоянном давлении в условиях конденсации пара, т. е. при температуре насыщения tн.
   •     Для подогревателей поверхностного типа следует учитывать не-догрев воды на уровне 4 °C.
   •     Нагрев воды в деаэраторе рекомендовано принимать на уровне 20.25 °C. Собственно деаэратор относить к группе подогревателей низкого давления (ПНД).
   •     Деаэратор является подогревателем смешивающего типа, и здесь недогрев воды отсутствует. Передача теплоты идет при температуре насыщения при давлении деаэрации. Рекомендовано принять давление 6 бар (tH ® 160 °C) или 7 бар (tH ® 165 °C), но возможно отклонение от рекомендации.
   •     Верхний (наиболее высокое давление) отбор должен обеспечить заданную температуру питательной воды с учетом недогрева.
   •     Большее число подогревателей необходимо для более высокой температуры питательной воды.
   •     При наличии в схеме подогревателей высокого давления и деаэратора пар на деаэратор отбирают из ближнего ПВД через редукци
8

онно-охладительную установку (РОУ). Это делают для снижения числа отборов из турбины.
   Для заданных условий определяют схему регенерации (рис. 2); параметры основного конденсата и питательной воды; параметры в отборах (табл. 1). Для конденсатора температура насыщения составит (°C)

СОН|ПР ирк|
   На hs-диаграмме (рис. 1, а) отмечают давления нерегулируемых отборов и по диаграмме определяют теплоперепады между нерегулируемыми отборами при изоэнтропийном процессе расширения.


Рис. 2. Схема регенерации с указанием параметров отборов (численные значения для примера задания, представленного в исходных данных)

   Затем уточняют число ступеней между отборами. Следует помнить о плавности расширения проточной части турбины (обусловливает постепенное увеличение теплоперепада на каждую последующую группу ступеней) и о наличии после последнего отбора группы ступеней.
   Результаты сводят в таблицу (табл. 1).
   Уточняют число ступеней z.
   Схема проточной части турбины показана на рис. 3.


9

Таблица 1

Характеристики отборов и число ступеней*

                                             Число      Теплопе- 
Отбор     л       hi    A hi = h 1 - hi  ступеней меж-   репад   
                                          ду отборами  на ступень
      бар/МПа   кДж/кг      кДж/кг            шт.        кДж/кг  
                                         1 - скорости     200    
  I   23,2/2,32 3081   3481 - 3081 = 400       5           40    
 II   11,2/1,12 2904    3081 -2904= 177        4         44,25   
 III    2/0,2   2578    2904-2578 = 326        5          65,2   
 IV   0,7/0,07  2413    2578-2413 = 165        2          82,5   
  V   0,2/0,02  2240   2413 -2240 = 173        2          86,5   
                  Z          1241        2 (за послед-    103    
                                         ним отбором)            
                               S              21         1447**  

    * Здесь и далее в таблицах численные значения для примера задания, представленного в исходных данных.
    ** С учетом числа ступеней.

Рис. 3. Схема проточной части турбины с отборами

   8.     Проводят сравнение схемы, параметров в отборах и других характеристик с известными аналогами (например, приложение 1).
   9.     Определяют долю пара на регенерацию в отборах и на турбину в целом.


10

   Количество пара на регенерацию (R-отборы) определяют в рамках подробного расчета тепловой схемы энергоблока. Обычно доля такого пара не превышает 25.35 % от общего расхода пара в голову турбины.
   В нашем случае расчет тепловой схемы не ведется, поэтому допустимо задать эту величину на основе широко известных данных различных заводов-изготовителей паровых турбин с учетом следующих соображений:
   1)     доля пара в R-отборы составит 20.30% - большие значения для турбин большей мощности;
   2)     при полной системе регенерации (7.8 подогревателей) распределение пара между группами подогревателей (ПВД и ПНД+Д) равномерное;
   3)     при неполной системе регенерации (например, при одном ПВД) большая часть пара направляется в группу ПНД. Это соотношение достаточно условно и может составлять 1 : 1,5.2, в зависимости от числа ПВД и ПНД;
   4)     распределение пара между отборами равномерное внутри группы подогревателей.


Таблица 2

Расходы пара в отборах

       Элемент  Доля пара    Доля пара   Расход пара  
Отбор R-системы в группе     в отборе     в отборах   
                 отн. ед      отн. ед     т/ч   кг/с 
  I   ПВД       0,1            0,075     13,76  3,81 
II     ПВД + Д   5         0,075 +0,0375 20,57  5,7  
III   ПНД            0,15     0,0375     6,84   1,9  
 IV   ПНД                     0,0375     6,84   1,9  
  V   ПНД                     0,0375     6,84   1,9  
          Z        0,3          0,3                  

   10. Определяют предварительный расход пара на турбину на основе уравнения энергетического баланса (кг/с):


Gо

N = т----.
НоПо i


Здесь т = 1,2.1,25 - учитывает недовыработку теплотой электроэнергии в R-системе (большие значения для турбин с развитой системой

11