Построение предполагаемого процесса паровой турбины в h,s-диаграмме.

Перечень листов графических документов.

Условные сокращения и индексы

Сокращения:

РЛ – рабочие лопатки;

СА– сопловой аппарат.

a – скорость звука,

b, B – хорда, ширина лопатки,

с – скорость в абсолютном движении,

с_р – удельная теплоёмкость,

D, D₁ – диаметр, веерность,

F - площадь венца,

f – площадь поперечного сечения лопатки,

G – массовый расход,

H, h – теплоперепад в турбине, ступени,

k – показатель адиабаты,

l – высота лопатки,

М – число Маха,

N, n – мощность, частота вращения,

р – давление,

S – осевой зазор,

T, t – температура (К, ⁰С),

v – удельный объём,

w – скорость в относительном движении,

z – число ступеней,

a - угол потока в абсолютном движении,

b - угол потока в относительном движении,

d - радиальный зазор,

g - угол расширения проточной части,

x - коэффициент потерь,

h - коэффициент полезного действия,

p - степень понижения давления,

r - степень реактивности,

s - напряжения,

f, j - коэффициент скорости на рабочих лопатках, и в соплах,

w - угловая частота вращения.

Индексы:

* - по параметрам торможения ;

1 – на входе в рабочее колесо;

2 – на выходе из рабочего колеса;

3 – на выходе из ступени;

ад – адиабатический;

к – корневой;

н – наружный;

р – рабочей лопатки;

а – осевая;

u – окружная;

i – индекс промежуточной ступени;

z – индекс последней ступени.

Исходные данные:

Турбина К-300-240.

- давление пара перед стопорным клапаном P₀ = 23,5 МПа;

- температура пара перед стопорным клапаном t₀ = 550 С^о;

- давление пара на выходе из турбины Р_к = 3,5 МПа

- расход пара через турбину G = 260 кг/с;

- частота вращения n = 50 об/с;

- тип регулирующей ступени – одновенечная.

Введение

Объектом расчета является цилиндр высокого давления К-300-240.

Расчетная часть проекта паровой турбины включает в себя тепловой расчет проточной части, в котором предусматривается расчет и построение предполагаемого процесса расширения пара в турбине, выбор типа регулирующей ступени и детальный расчет её проточной части, выбор числа нерегулируемых ступеней, распределение теплоперепада между ними и детальный расчет проточной части этих ступеней, выбор схемы и расчет лабиринтных концевых уплотнений, а также оценку критической частоты вращения ротора.

Графическая часть включает в себя продольный разрез ЦВД турбины, а также поперечный разрез по паровпуску ЦВД и переднему опорному подшипнику турбины.

Тепловой расчет паровой турбины

Построение предполагаемого процесса паровой турбины в h,s-диаграмме.

Для определения расхода пара на турбину (мощности турбины) и определения числа ступеней необходимо построить предполагаемый тепловой процесс турбины (цилиндра).

1.1. По заданным величинам p₀, t_ по таблицам свойств водяного пара [2] определяем V₀ и h₀.

v₀=0,0136 м³/кг,

h₀=3354,7 кДж/кг.

Располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад турбины при расширении до давления P_k определяем по формуле

492,26 кДж/кг.

1.2. Вследствие потерь в стопорном и в регулирующих клапанах, а также потерь в выхлопном патрубке, располагаемый теплоперепад проточной части будет меньше располагаемого теплоперепада турбины. Приняв потери давления в клапанах 5%, давление пара перед соплами регулирующей ступени Р'₀ определится по уравнению

Р'₀ = 0,95∙P₀=0,95∙23,5=22,325 МПа

Потери давления в выхлопном патрубке приводят к тому, что давление за последней ступенью P'_к будет выше заданного давления за турбиной. Давление пара на выходе из последней ступени P'_к определяем по уравнению

= = 3,6 МПа,

где - коэффициент потерь в патрубке, который зависит от конструкции выхлопного патрубка; для цилиндров высокого давления =0,1; С_вп=50 м/с - скорость пара в выхлопном патрубке (принимается 50 - 80 м/с).

С учетом указанных потерь, располагаемый теплоперепад ступеней определяется по формуле:

= = 469,51 кДж/кг.

При изоэнтропийном процессе расширения в турбине энтальпия пара при давлении, равном давлению на выходе из турбины (в точке к) иэнтальпия пара придавлении, равном давлению за последней ступенью (в точке к_t,), определятся соответственно

h_kt=h₀-H₀=3354,7 - 492,26= 2862,4 кДж/кг

h_kt^’=h₀-H^*₀= 3354,7 - 469,51= 2885,1 кДж/кг

Использованный теплоперепад паровой турбины в первом приближении можно определить по уравнению

H_i=H₀h^T_oi=492,26·0,84=413,5 кДж/кг

где h^T_oi = 0,84 - относительный внутренний КПД турбины, при ориентировочных расчетах может быть принят 0,78 - 0,84; h_м = 0,99 - механический КПД, учитывающий механические потери в турбине, прежде всего потери на трение в подшипниках, h_м= 0,98 - 0,99; h_эл = 0,975 - КПД электрического генератора, может быть принят 0,97 - 0,985.

Эффективная мощность цилиндра (мощность на муфте) определится из уравнения

N_е=G∙H_i∙h_м=260·413,5·0,99=106,435 кВт

При сопловом парораспределении, преимущественно используемом в конденсационных турбинах ТЭС и практически всегда в теплофикационных турбинах и турбинах с противодавлением, первая ступень, работающая с переменной степенью парциальности, носит название регулирующей. Для построения предполагаемогопроцесса необходимо определить или выбрать теплоперепад регулирующей ступени. В данном проекте расчет ведется для одновенечной регулирующей ступени, которая применяется для срабатывания теплоперепада 80-120 кДж/кг. В современных мощных турбинах в качестве регулирующей ступени применяют именно одновенечная регулирующая ступень, так как преимущество повышенного теплоперепада технико-экономическими расчетами не оправдывается, а экономичность одновенечной ступени выше экономичности двухвенечной.

Оптимальный располагаемый теплоперепад турбинной ступени, при котором обеспечивается наивысшая экономичность, достигается при оптимальном значении x_ф= u/c_ф, где u-окружная скорость в расчетном сечении, м/с; c_ф- фиктивная (условная) скорость, м/с, определяемая из соотношения

367,4 м/с

где H₀- располагаемый теплоперепад на ступень (кДж/кг), подсчитанный от параметров торможения. Тогда

67,5 кДж/кг

Оптимальное значение x_ф = 0,47 зависит от типа ступени, степени реактивности, потерь в лопатках и так далее. В первом приближении можно принять для активной (степень реактивности r=0,1) одновенечной ступени x_ф=0,45-0,48.

Окружная скорость u зависит от диаметра ступени и частоты вращения

u = πdn=π·1,1·50=172,7 м/с,

где d - диаметр ступени (м); n - частота вращения в секунду.

Диаметр ступени определяется корневым диаметром диска и высотой лопатки. В части высокого давления высота лопаток обычно не превышает 100мм, и диаметр ступени определяется технологическими возможностями изготовления цельнокованого ротора и напряжениями в диске. Предельные диаметры поковки ротора не превышают 1,2 м. Поэтому, с учетом припусков на обработку ротора, средний диаметр регулирующей ступени не может превышать 1,1 - 1,2 м. С целью унификации роторов принимаем средний диаметр регулирующей одновенечной ступени d_p = 1,01 м,

Использованный теплоперепад регулирующей ступени в первом приближении можно определить, задавшись КПД ступени. Для одновенечной ступени h^р_oi=0,78-0,82, принимаем 0,82.

H_i^p = H₀^p∙h^p_oi = 81,0∙0,82 = 66,42 кДж/кг.

Давление пара в конце процесса расширения в регулирующей ступени определяется как

17,1 МПа.

Энтальпия пара за регулирующей ступенью определяется по уравнению

h_p = h₀ - H^p_i = 3354,7 - 66,42 =3288,2 кДж/кг.

а удельный объем:

V_p = 2,2(h_р -1907)10 ^-4 /(Р_р - 0,079) = 2,2(3288,2 -1907)10^-4/(17,1-0,079)=0,0178м³/кг

Располагаемый теплоперепад на нерегулируемых ступенях Н^ст₀определяется уравнением:

400,6 кДж/кг

Использованный теплоперепад нерегулируемых ступеней можно определить, задавшись КПД отсека этих ступеней. Для расчета в первом приближении принимаем , принимаем 0,9;

H_i^ст = H₀^стh^ст_oi =400,6·0,9= 360,5 кДж/кг

Энтальпия пара за турбиной определяется по уравнению:

h_k = h_p-H^ст_i = 3288,2-360,5=2927,7 кДж/кг

а удельный объем за рабочими лопатками последней ступени:

V’_k = 2,2(h_k -1907)10 ^-4 /(Р’_k - 0,079)=2,2(2927,7-1907)10^-4/(3,6-0,079)=0,064 м³/кг

Определив значения всех теплоперепадов, энтальпий, давлений и удельных объемов, строим предполагаемый тепловой процесс турбины в тепловой диаграмме (рис. 1).

Предполагаемый процесс расширения пара в турбине в тепловой диаграмме

Рис. 1