Расчет паровой конденсационной турбины

Введение

 

Методические указания разработаны в учебных целях, могут быть использованы в укрупнённых и вариативных расчётах однопоточных, одноцилиндровых, конденсационных паровых турбин в диапазоне единичных мощностей 4…60 МВт и не рекомендованы для проектирующих организаций в качестве руководящих материалов.

Указания содержат 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 °С.

Алгоритм включает определение конструкции турбины, количество нерегулируемых отборов, построение процесса расширения пара в hs -диаграмме, разработку схемы проточной части; подробный расчет двухвенечной ступени скорости с опредлением всех параметров и выбром 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 методических указаний использованы материалы [1-8].

Приложения содержат минимально необходимые для выполнения расчёта 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:

 

1. номинальная электрическая мощность, N _э, МВт;

2. начальные параметры пара, Р ₀, бар (МПа); t ₀, °С;

3. давление отработавшего пара, р _к, бар (кПа);

4. температура питательной воды, t _пв, °С;

5. частота вращения, n, с-1;

6. 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, N э	50 МВт
начальные параметры пара, Р 0/ t 0	8,8/535 МПа/°С
давление отработавшего пара, р к	3,5 кПа
температура питательной воды, t пв	216 °С
частота вращения, n	50 с-1
схема системы регенерации	2 ПВД + Д + 3 ПНД

 

Расходы пара в отборах

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

 

Часть 2. Предварительная оценка экономичности турбины

 

1. Коэффициент полезного действия двухвенечной регулирующей ступени

 

 

Здесь – поправочный коэффициент, рис.4 (для первого приближения считаем, что , откуда следует ); D – расход пара через ступень (D = G ₀=50,81 кг/с); р ₀ – давление перед соплами (см. часть 1, п.2, р ₀=8,4×10⁶ Па); v ₀ – удельный объем перед соплами (по hs -диаграмме, таблицам состояния воды и водяного пара или программе WSPro, v ₀=0,0419 м³/кг).

 

2. Коэффициент полезного действия отсека (турбины)

 

 

В этом выражении:

 

2.1. Средний расход пара через отсек (под отсеком понимают часть турбины или турбину в целом в зависимости от задачи, в данном случае – вся турбина без ступени скорости)

 

кг/с

Здесь и далее индекс «1» соответствует входной характеристике, а индекс «2» выходной.

 

Рис.4. Поправочный коэффициент на отклонение отношения скоростей от оптимального значения

2.2. Средний удельный объем пара в отсеке

 

м³/кг

 

2.3. Располагаемый теплоперепад в отсеке

 

кДж/кг

 

2.4. Потери с выходной скоростью

 

 

Здесь z – число ступеней в отсеке; a₁=10…40° – угол выхода пара из сопл последней ступени (в первом приближении – меньшие значения для меньшего количества ступеней).

В данном примере относительные потери с выходной скоростью составили .

 

3. Строят новый процесс расширения пара в турбине (рис.1.б), где учитывают потерю в ступени скорости и потерю в остальной турбине и уточняют схему проточной части, рис.3.

Процесс расширения пара пересекает линию насыщения. Это означает, что часть ступеней турбины, работающая в зоне влажного пара имеет ухудшенные характеристики, что обусловит более пологий угол наклона процесса расширения в этой части турбины, рис.1.в. На схеме проточной части отмечают зону ступеней, работающих во влажном паре. При таком условном разделении турбины на отсеки необходимо учесть наличие нерегулируемого отбора, который может совпадать с началом процесса насыщения, а начало отсека может находиться как выше линии насыщения, так и ниже неё.

Для данного примера 14 первых ступеней работают в зоне перегретого пара, а 7 последних ступеней представляют собой (с достаточной степенью условности) влажнопаровой отсек турбины.

При построении процесса расширения в общем случае определяют теплоперепады и другие термодинамические параметры в разных точках процесса.

 

3.1. Для ступени скорости

 

Принято кДж/кг; рассчитано . Тогда потеря в ступени составит

 

кДж/кг

 

3.2. Потеря для отсека турбины (в данном случае отсеком выступает вся остальная турбина) составит

 

кДж/кг

 

3.3. Энтальпия пара на входе в отсек турбины (за ступенью скорости), кДж/кг

 

 

3.4. Энтропия пара на входе в отсек турбины (за ступенью скорости)

 

кДж/кг×К

 

3.5. Энтальпия пара на выходе из отсека турбины при изоэнтропийном процессе расширения, кДж/кг

 

 

3.6. Энтальпия пара на выходе из отсека турбины в реальном процессе расширения (с учетом потерь), кДж/кг

 

 

4. Уточняют внутренний относительный КПД отсеков турбины, работающих в условиях перегретого и влажного пара.

 

4.1. Внутренний относительный КПД отсека перегретого пара (2…14-я ступени в данном случае)

 

 

В этом выражении:

 

4.1.1. Средний расход пара через отсек

 

кг/с

 

4.1.2. Средний удельный объем пара в отсеке

 

м³/кг

 

4.1.3. Располагаемый теплоперепад в отсеке

 

кДж/кг

 

4.2. Внутренний относительный КПД отсека влажного пара (15…21-я ступени в данном случае)

 

 

Здесь кДж/кг – располагаемый теплоперепад в отсеке; – относительные потери с выходной скоростью (п.2.4, часть 2); – относительная потеря от влажности пара

 

 

5. Строят реальный процесс расширения пара в hs -диаграмме с учетом потерь в ступени скорости и в отсеках, работающих на перегретом и влажном паре, рис.1, в

 

При построении процесса расширения (аналогично п.3 данной части) определяют (при помощи hs -диаграммы, термодинамических таблиц или программы WSPro) теплоперепады и другие термодинамические параметры в разных точках процесса.

 

5.1. Некоторые параметры для отсека, работающего на сухом паре

 

кДж/кг – располагаемый теплоперепад отсека;

– внутренний относительный КПД отсека;

кДж/кг – потеря теплоты в отсеке;

кДж/кг – использованный теплоперепад в отсеке;

, кДж/кг – энтальпия пара на выходе из отсека (входе во влажнопаровой отсек)

 

5.2. Некоторые параметры для отсека, работающего на влажном паре

 

кДж/кг – располагаемый теплоперепад отсека;

– внутренний относительный КПД отсека;

кДж/кг – потеря теплоты в отсеке;

, кДж/кг – энтальпия пара на выходе из отсека (входе во влажнопаровой отсек)

 

Энтропия на входе в отсек

кДж/кг×К.

 

Энтальпия в конце изоэнтропийного процесса расширения, кДж/кг

 

 

Энтальпия в конце реального процесса расширения, кДж/кг

 

 

Использованный теплоперепад в отсеке

 

кДж/кг.

 

6. Использованный теплоперепад турбины

 

кДж/кг

 

7. Внутренний относительный КПД турбины

 

8. Уточнённый расход пара на турбину

 

кг/с, что > 50,81 (расчет по п.10, часть 1) более, чем на 3%.

 

Следовательно необходимо уточнить расходы пара в нерегулируемых отборах, табл.3.

Таблица 3

Заключение

 

Выполнен курсовой проект по расчету паровой однопоточной одноцилиндровой турбины.

В рамках расчета.

1. Определена конструкция турбины, количество нерегулируемых отборов, их параметры, проведена оценка экономичности, построен процесс расширения пара в hs-диаграмме, разработана схема проточной части. При этом турбина имеет 6 нерегулируемых отборов, 21-у ступень, в том числе одну двухвенечную ступень скорости при сопловом регулировании. Расход пара в голову турбины составляет 53,3 кг/с, а внутренний относительный КПД – 81%.

2. Выполнен детальный расчет двухвенечной регулируемой ступени скорости. Построен процесс расширения в hs-диаграмме, треугольники скоростей, определены все технические характеристики ступени, выбраны профили: С9012Б – сопловая решетка; Р2314А – первая рабочая решетка; Р2617А – поворотная решетка; Р3525А – вторая рабочая решетка. Высота лопаток 27, 30, 33 и 37 мм соответственно. Число лопаток. Внутренрий относительный КПД ступени составил 0,79, а внутренняя мощность – 13005 кВт. Выполнен эскиз формы профиля и проточной части ступени.

3. Выполнен детальный расчет первой нерегулируемой ступени. Построен процесс расширения, треугольники скоростей, определены все технические характеристики ступени, выбран профиль (С5515А – сопловая решетка и Р2314Ак – рабочая решетка), определена высота лопаток – 18 и 21 мм соответственно. Число лопаток.

4. Выполнен (укрупнено) расчет последней ступени отсека перегретого пара (15 ступень в примере расчета) для профилирования проточной части турбины и определена высота сопловых и рабочих лопаток – 136 и 140 мм соответственно.

5. Выполнен детальный расчет последней ступени турбины. Построен процесс расширения, треугольники скоростей в трёх сечениях ступени (у корня, в среднем сечении и у периферии), выполнен эскиз крутки лопаток последней ступени. Определен средний диаметр ступени (1611 мм) и другие характеристики. Выбран профиль: С9015Б – сопловая решетка; Р3525Б – рабочая решетка. Определена высота лопаток 500 и 520 мм соответственно. Число лопаток – 71 сопловых и 132 штук рабочих. Внутренний относительный КПД ступени составил 0,66, а ее внутренняя мощность 2609 кВт.

6. Выполнен расчет на прочность рабочих лопаток последней ступени. Определен материал лопаток – сталь 12Х13 – углеродистая жаропрочная хромистая сталь мартенситно-ферритного класса. Показано, что возникающие в лопатках напряжения (осевые и радиальные изгибающие и растягивающие от центробежных сил) составляют 201 МПа и не превышают допустимые в 257 МПа, определенные по временному пределу прочности s_В.

7. Определены характеристики проточной части турбины,выполнен эскиз ротора, его длина составила 5200 мм, а длина проточной части в осях лопаток первой и последней ступени 2600 мм. Масса ротора составила 15700 кг.

8. Проведен расчет первой критической частоты вращения ротора. Она составила 994 об/мин. Тепловой прогиб ротора составил 0,29 мм.

 

 

Литература

 

1. Щегляев А.В. Паровые турбины. – М.: Энергеия, 1976. – 368 с.

2. Трубилов М.А., Арсеньев Г.В., Фролов В.В. и др. Паровые и газовые турбины: Учебник для ВУЗов. Под ред. А.Г.Костюка. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

3. Кирюхин В.И., Тараненко Н.М., Огурцова Е.П. и др. Паровые турбины малой мощности КТЗ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 216 с.

4. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник / Под общ. Ред. Чл.-корр. РАН А.В.Клименко и проф. В.М.Зорина. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 528 с.

5. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ. Ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.

6. Крохин Г.Д. Паровые и газовые турбины тепловых и атомных электростанций: Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию. – Новосибирск: Изд=во НГТУ, 1998. – 186 с.

7. Шляхин П.Н., Бершадский М.Л. Краткий справочник по паротурбинным установкам. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 128 с.

8. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 428 с.

 

 

Приложения

Приложение 1

 

Таблица 1

Профили решеток

Обозначение профиля*	a1, b2, град.	a0, b1, град.		aу, bу, град.	Мопт
С-9009А	7-11	70-120	0,72-0,85	27-31	0,65-0,95
С-9012А	10-14	70-120	0,72-0,87	31-35	0,60-0,85
С-9015А	13-17	70-120	0,70-0,85	35-40	0,50-0,85
С-9018А	16-20	70-120	0,70-0,80	40-44	0,50-0,85
С-9022А	20-24	70-120	0,70-0,80	43-46	0,60-0,95
С-9038А	30-36	70-120	0,60-0,75	60-67	0,65-0,95
С-5515А	12-18	45-75	0,72-0,87	51-57	0,70-0,95
С-6035А	32-38	45-85	0,42-0,65	70-75	0,70-0,95
Р-2314А	12-16	20-30	0,60-0,75	75-80	0,75-0,95
Р-2617А	15-19	23-35	0,60-0,70	75-80	0,75-0,95
Р-3021А	19-24	25-40	0,58-0,68	77-81	0,70-0,90
Р-3525А	22-28	30-50	0,55-0,65	78-82	0,60-0,85
Р-4629А	25-32	44-60	0,45-0,58	75-80	0,55-0,85
Р-5033А	30-36	47-65	0,43-0,55	76-80	0,55-0,85
Р-2314Ак	12-16	20-30	0,60-0,75	75-80	0,70-0,95
С-9015Б	13-17	70-120	0,70-0,85	35-40	0,85-1,10
Р-2617Б	15-19	23-45	0,57-0,65	76-81	0,80-1,10
С-9008В	7-10	70-120	0,60-0,70	27-31	1,40-1,80
С-9012В	10-14	70-120	0,58-0,68	39-43	1,40-1,70
Р-2118В	16-20	19-24	0,60-0,70	86-89	1,30-1,60
Р-2729Б	26-33	25-35	0,42-0,50	84-88	0,95-1,30
Р-9025Б	22-28	70-120	0,55-0,72	41-46	0,90-1,20
Р-16017В	15-20	135-162	0,85-1,0	16-20	1,55-1,80

* Обозначения профилей: С – сопловые; Р – рабочие; первые две (три) цифры – расчетный угол входа потока, вторые две цифры – угол выхода потока; А – дозвуковые; Ак – дозвуковые для мвлых высот лопаток; Б – околозвуковые; В – сверхзвуковые

 

Таблица 2

Профили решеток МЭИ

Обозначение профиля	a1, b2, град.	a0, b1, град.		Мопт	b, см	f, см2	J min, см4	W min, см3
С-9009А	8-11	70-120	0,72-0,85	До 0,90	6,06	3,45	0,416	0,471
С-9012А	10-14	70-120	0,72-0,87	До 0,85	6,25	4,09	0,591	0,575
С-9015А	13-17	70-120	0,70-0,85	До 0,85	5,15	3,3	0,36	0,45
С-9018А	16-20	70-120	0,70-0,80	До 0,85	4,71	2,72	0,243	0,333
С-9022А	20-24	70-120	0,70-0,80	До 0,90	4,5	2,35	0,167	0,265
С-9027А	24-30	70-120	0,65-0,75	До 0,90	4,5	2,03	0,116	0,195
С-9033А	30-36	70-120	0,62-0,75	До 0,90	4,5	1,84	0,09	0,163
С-9038А	35-42	70-120	0,60-0,73	До 0,90	4,5	1,75	0,081	0,141
С-5515А	12-18	45-75	0,72-0,87	До 0,90	4,5	4,41	1,195	0,912
С-5520А	17-23	45-75	0,70-0,85	До 0,90	4,15	2,15	0,273	0,275
С-4525А	21-28	35-65	0,60-0,75	До 0,90	4,58	3,30	0,703	0,536
С-6030А	27-34	45-85	0,52-0,70	До 0,90	3,46	1,49	0,118	0,154
С-6520А	17-23	45-85	0,60-0,70	До 0,90	4,5	2,26	0,338	0,348
С-7025А	22-28	55-90	0,50-0,67	До 0,90	4,5	1,89	0,242	0,235
С-9012Б	10-14	70-120	0,72-0,87	0,85-1,15	5,66	3,31	0,388	0,420
С-9015Б	13-17	70-120	0,70-0,85	0,85-1,15	5,2	3,21	0,226	0,413
С-9012Р	10-14	70-120	0,58-0,68	1,4-1,8	4,09	2,30	0,237	0,324
С-9015Р	13-17	70-120	0,55-0,65	1,4-1,7	4,2	2,0	0,153	0,238
Р-2314А	12-16	20-30	0,60-0,75	До 0,90	2,59	2,44	0,43	0,39
Р-2617А	15-19	23-35	0,60-0,70	До 0,90	2,57	2,07	0,215	0,225
Р-3021А	19-24	25-40	0,58-0,68	До 0,90	2,56	1,85	0,205	0,234
Р-3525А	22-28	30-50	0,55-0,65	До 0,85	2,54	1,62	0,131	0,168
Р-4629А	25-32	44-60	0,45-0,68	До 0,85	2,56	1,22	0,071	0,112
Р-6033А	30-36	47-65	0,43-0,55	До 0,85	2,56	1,02	0,044	0,079
Р-6038А	35-42	55-75	0,41-0,51	До 0,85	2,61	0,76	0,018	0,035
Р-2314Ак	12-16	20-30	0,60-0,75	До 0,90	2,59	2,35	0,387	0,331
Р-2617Ак	15-19	23-45	0,60-0,70	До 0,90	2,57	1,81	0,152	0,165
Р-2717Б	15-19	23-45	0,57-0,65	0,8-1,15	2,54	2,06	0,296	0,296
Р-2717Бк	15-19	23-45	0,57-0,68	0,85-1,15	2,54	1,79	0,216	0,216
Р-3021Б	19-24	25-40	0,55-0,65	0,85-1,1	2,01	1,11	0,073	0,101
Р-3525Б	22-28	30-50	0,55-0,65	0,85-1,1	2,52	1,51	0,126	0,159
Р-2118Р	16-20	19-24	0,60-0,70	1,3-1,6	2,0	1,16	0,118	0,142
Р-2522Р	20-24	23-27	0,54-0,67	1,35-1,6	2,0	0,99	0,084	0,10

 

Таблица 3

Введение

 

Методические указания разработаны в учебных целях, могут быть использованы в укрупнённых и вариативных расчётах однопоточных, одноцилиндровых, конденсационных паровых турбин в диапазоне единичных мощностей 4…60 МВт и не рекомендованы для проектирующих организаций в качестве руководящих материалов.

Указания содержат 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 °С.

Алгоритм включает определение конструкции турбины, количество нерегулируемых отборов, построение процесса расширения пара в hs -диаграмме, разработку схемы проточной части; подробный расчет двухвенечной ступени скорости с опредлением всех параметров и выбром 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 методических указаний использованы материалы [1-8].

Приложения содержат минимально необходимые для выполнения расчёта 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:

 

1. номинальная электрическая мощность, N _э, МВт;

2. начальные параметры пара, Р ₀, бар (МПа); t ₀, °С;

3. давление отработавшего пара, р _к, бар (кПа);

4. температура питательной воды, t _пв, °С;

5. частота вращения, n, с-1;

6. 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, N э	50 МВт
начальные параметры пара, Р 0/ t 0	8,8/535 МПа/°С
давление отработавшего пара, р к	3,5 кПа
температура питательной воды, t пв	216 °С
частота вращения, n	50 с-1
схема системы регенерации	2 ПВД + Д + 3 ПНД