Турбина паровая К-1000-60-3000. Ао Концерн Росэнергоатом

• Название: Ао Концерн Росэнергоатом
• Дата: 30.06.2022
• Размер: 1.87 Mb.
• Имя файла: Турбина паровая К-1000-60-3000.docx
• Тип: Документы; #621667
• страница: 3 из 10

основное содержание

1. Назначение паровой турбины

   1. Принцип работы

Турбина (Рис. 1) - первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим процессом, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела - пара, газа или воды. Струя рабочего тела поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Стационарные турбины применяют для привода генераторов электрического тока.

Совокупность неподвижной и вращающейся решеток называют турбинной ступенью. В неподвижной решетке происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, и поэтому эту решетку обычно называют сопловой (иногда называют направляющая решетка). Во вращающейся решетке кинетическая энергия пара преобразуется в энергию вращения ротора.

2. Преобразование энергии в турбинной ступени

В ступени турбины (Рис. 2) тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию потока, а последняя - в механическую энергию. Рассмотрим это преобразование применительно к одной ступени турбины.

На рисунке показан процесс расширения пара в ступени. Состояние пара перед ступенью изображается точкой 0 пересечения изобары р₀ и изотермы t_о. Полная энергия 1 кг пара перед ступенью равна сумме энтальпии h_о и кинетической энергии с_о²/2. Это состояние изображается с помощью так называемых параметров торможения. Мысленно затормозив поток пара, переходим на диаграмме от точки о в точку о¹. Параметры в этой точке называются параметрами торможения. Параметры в точке 0 называются статическими параметрами.

При изоэнтропийном расширении пара в ступени от начальных параметров до давления р₂ его энтальпия уменьшается до значения h_2t. Величина Н₀ называется располагаемым теплоперепадом ступени.

Пар с параметрами р₀ и t₀ поступает в каналы сопловой решетки, где расширяется до давления р₁ и разгоняется до скорости с₁. С этими параметрами пар входит в каналы рабочей решетки, где расширяется до давления р₂ и меняет направление потока. При этом на рабочие лопатки ступени действует окружное усилие R, которое и создает крутящий момент, вращающий ротор.

Реальные процессы течения пара всегда происходят с потерями. Поэтому процесс расширения пара в сопловой решетке пройдет не по изоэнтропе 01, а с ростом энтропии по линии 0А. В результате состояние пара за сопловой решеткой будет изображаться точкой А. Величина  h_с - потеря энергии в сопловой решетке.

Если бы течение в рабочей решетке проходило без потерь, то расширение от давления р₁ до давления р₂ привело бы к уменьшению энтальпии на величину Н_ор = h₁ - h_3t. При этом располагаемый теплоперепад всей ступени, подсчитываемый от параметров торможения, составил бы H_о=H_оc+H_ор, то есть сумму располагаемых теплоперепадов сопловой и рабочей решетки. То есть располагаемый теплоперепад может быть взят на изоэнтропе между давлениями р₀ и р₂ (линия 012). В действительном процессе вследствие потерь в сопловой и рабочей решетке расширение пара происходит по линии 0АВ. В результате состояние пара за рабочей решеткой будет изображаться точкой В. Величина h_р является потерей энергии в рабочей решетке.

Пар, покидающий ступень, имеет скорость с₂ и поэтому энергия потерянная с выходной скоростью для рассматриваемой ступени (но не для всей турбины) составит: h_в.с.=с₂²/2, откладывая вдоль изобары р₂ значение потери с выходной скоростью получаем точку С. Отрезок Н_u, равный разности энтальпий в точках 0¹ и С, представляет собой полезную работу ступени, отнесенную к 1 кг протекающего пара.

Отношение теплоперепада H_0P к располагаемому теплоперепаду ступени H₀ называется степенью реактивности ступени . Если степень реактивности ступени равна нулю, то в каналах рабочих лопаток не происходит дополнительного расширения пара, и ступень называется чисто активной. Если степень реактивности невелика (до 0,25), то ступень принято называть также активной с небольшой степенью реактивности. Если степень реактивности значительна (0,40,65), то ступень называется реактивной.

3. Активная ступень

Рассмотрим простейшую схему паровой турбины. Процесс понижения энтальпии (теплосодержания) пара происходит при его расширении в неподвижном канале, сопле. Здесь скорость движения пара увеличивается и происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую. Струя пара поступает с большой скоростью на рабочие лопатки (в рабочие каналы), закрепленные на диске, где часть кинетической энергии пара превращается в механическую работу, передаваемую валу турбины (Рис. 3).

Изогнутая поверхность рабочих лопаток заставляет струю пара изменять направление движения, в результате чего возникает давление на вогнутые поверхности лопаток. Под влиянием этого давления рабочее колесо (диск), несущее рабочие лопатки, вращается по направлению скорости пара и таким образом приводится во вращение и вал турбины, который, преодолевая сопротивления трения, производит механическую работу.

Отличительной особенностью такой ступени турбины является то, что расширение пара происходит только в соплах. Преобразование кинетической энергии пара в механическую работу происходит без дальнейшего расширения пара, а только вследствие изменения направления его потока в рабочих каналах (Рис. 4).

Представим себе ступень турбины в рабочих лопатках, которой поток пара разворачивается на 180 . Предположим, что пар вытекает из сопла с абсолютной скоростью с₁ и заставляет лопатку двигаться со скоростью u. В этом случае скорость движения пара относительно стенок каналов между рабочими лопатками будет ₁=с₁-u. Если площадь поперечного сечения канала постоянна и отсутствуют потери энергии в канале, то абсолютное значение этой скорости будет одинаково по всей длине канала. Таким образом, при выходе с лопатки пар будет иметь относительно стенок канала скорость ₂=₁, направленную в сторону, обратную с₁ и u. Следовательно, абсолютная скорость выхода с₂ равна разности относительной скорости и окружной скорости с₂=₂–u. Уменьшение абсолютной скорости при прохождении пара через лопатки с₁–с₂=(₁+u)–(₂–u)=2u равно двойной окружной скорости и будет определять уменьшение кинетической энергии пара. За счет этой доли энергии валом турбины производится механическая работа.

Турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, называются активными. Таким образом, две части процесса паровой турбины (превращение потенциальной энергии в кинетическую и превращение кинетической энергии в механическую работу) происходят здесь раздельно в самостоятельных аппаратах-соплах и рабочих каналах.

4. Реактивная ступень

Турбины, в которых превращение потенциальной энергии в кинетическую и в последующем в механическую работу, происходит в одном и том же аппарате, называются реактивными. В таких турбинах рабочие каналы имеют форму сопел. Если предположить, что пар подводится к лопатке с нулевой скоростью относительно стенок, то относительная выходная скорость  получается за счет понижения его энтальпии. Лопатка под действием реактивной силы движется со скоростью и в направлении обратном скорости потока пара. Абсолютная скорость пара после выхода с лопатки равна разности относительной и окружной скоростей c₂=–u. От величины абсолютной скорости зависит энергия, унесенная паром в виде не использованной на лопатке кинетической энергии.

Проведенный анализ работы пара в активной и реактивной турбинах показывает, что в обоих случаях имеются потери энергии из-за наличия выходной скорости c₂. Наилучшая работа пара возможна только при идеальном процессе, когда выходная скорость равна нулю, (с₂=0). Для активной турбины оптимальное соотношение скоростей с₁=2u или как принято u/с=0,5, а для реактивной =u. Так как с₁ для активной турбины и  для реактивной являются скоростями, соответствующими превращению теплового перепада в кинетическую энергию, можно сделать следующее заключение. Если необходимо переработать большой тепловой перепад (т. е. значения с₁ и  велики), то для выгодного использования энергии пара требуются большие окружные скорости. Реактивная турбина при прочих равных условиях требует вдвое больших окружных скоростей, чем активная.

Большие окружные скорости получают либо при больших диаметрах рабочих колес, либо за счет большой частоты вращения вала турбины. Такие скорости (20000-30000  б/мин) невозможно использовать для привода машин. Кроме того, окружные скорости ограничиваются прочностью вращающихся частей турбины.

5. Ступени скорости и ступени давления

Для создания эффективно и надежно работающих ступеней снижают частоту вращения и уменьшают диаметры рабочих колес, а, следовательно, и окружные скорости применением ступеней скорости и ступеней давления.

Выше отмечалось, что условием высокого КПД ступени является ее выполнение с оптимальным отношением скоростей u/с=0,5. Условия прочности вращающегося ротора ограничивают окружную скорость величиной u=180–200 м/сек. Тогда скорость должна быть равна с=200/0,5=400  м/сек. Максимальный теплоперепад, который возможно сработать в одной ступени, составит Н_о=с²/2=80  кдж/кг. Это значение существенно меньше располагаемого теплоперепада всей турбины. Для использования всего располагаемого теплоперепада применяют многоступенчатую конструкцию турбины.

При применении ступеней скорости пар, вышедший с большой выходной скоростью из первой ступени, совершает работу на следующей ступени. В этом случае турбина кроме неподвижного сопла имеет еще неподвижные направляющие лопатки, которые изменяют направление потока пара без существенного изменения его скорости, т. е. поток пара с выходной скоростью после первой ступени лопатками направляется в следующую ступень, после которой пар выйдет со значительно меньшей скоростью.

Ступени скорости (регулирующие ступени) используются при применении соплового парораспределения. Регулирующая ступень обычно выполняется увеличенного диаметра. Это позволяет увеличить окружную скорость и сработать в ступени больший теплоперепад, что уменьшает число ступеней следующих за ней.

Мощные турбины атомных станций выполняют с дроссельным парораспределением, поэтому их проточная часть состоит только из ступеней давления.

После ступени скорости применяют ступени давления, которые представляют собой ряд одноступенчатых турбин, включенных последовательно друг за другом.

Пар расширяется последовательно в каждой ступени. Таким образом, в каждой ступени используется только часть всего теплового перепада и скорость на входе в ступень будет соответственно меньше чем, в одноступенчатой турбине, рассчитанной на весь тепловой перепад. Следовательно, можно значительно снизить частоту вращения, сохраняя наилучшие условия работы ступени.

Турбины со ступенями скорости выполняют обычно только активными, а турбины со ступенями давления как активными, так и реактивными. Следует отметить, что по чисто реактивному принципу турбины никогда не работают. Обычно турбины работают по смешанному активно-реактивному принципу: пар расширяется и в сопле и на рабочих лопатках. Степень реактивности ступени минимальна на первых ступенях и увеличивается с ростом высоты лопаток.

Увеличение степени реактивности ступени означает то, что пар расширяется не только в сопловой, но частично и в рабочей решетке. При этом возникает некоторый перепад давления пара на рабочей решетке, что приводит к росту осевого усилия и потерь пара через внутренние зазоры ступени. Степень реактивности определяется отношением теплоперепада срабатываемого на рабочей решетке к теплоперепаду ступени.

6. Потери в паровой турбине

Во время работы пара в турбине возникает целый ряд потерь, существенно снижающих ее коэффициент полезного действия. В соплах потери возникают в основном от трения частиц пара о стенки сопла, в результате чего действительная скорость истечения пара из сопла оказывается меньше теоретической.

На рабочих лопатках потери возникают от удара о входную кромку лопатки и от трения частиц пара о стенки лопаток, в связи, с чем так же уменьшается скорость пара по сравнению с теоретической.

Уменьшают потери в соплах и на рабочих лопатках путем создания таких профилей сопл и лопаток, которые обеспечивают по возможности безударный вход пара на рабочую лопатку, а так же тщательной шлифовкой и полировкой сопл и лопаток. Если в промежуточных ступенях скорость пара, не полностью использованную на рабочей лопатке, можно использовать в следующем ряду сопл, то за последней ступенью турбины выходная скорость пара будет бесполезно потеряна в конденсаторе или в выходном патрубке (потеря с выходной скоростью).

При вращении турбинных дисков происходит трение между поверхностью диска и окружающим паром. Это трение поглощает некоторую часть кинетической энергии и уменьшает количество механической энергии - это так называемые потери на трение.

При неравномерном подводе пара некоторые лопатки не омываются свежим паром. Но так как они все же вращаются в среде пара, они производят некоторую вентиляционную работу за счет уменьшения энергии, передаваемой на вал (вентиляционные потери).

В активных турбинах из-за разности давлений по сторонам диафрагм всегда существует переток пара через зазор между диафрагмой и валом, который не производит никакой работы (Рис. 5). Для снижения количества пара проходящего мимо сопловой решетки, между диафрагмой и валом устанавливают диафрагменное уплотнение. Если диск не имеет разгрузочных отверстий, то весь пар, проходящий через это уплотнение, будет поступать в проточную часть ступени, тормозя основной поток. Если диск выполнен с разгрузочными отверстиями, то весь пар, проходящий через это уплотнение, будет проходить через разгрузочные отверстия. Кроме того, во всех ступенях благодаря разности давлений по сторонам рабочих лопаток существует протечка пара через зазор между рабочими лопатками и корпусом турбины (потери через внутренние зазоры). Кроме того, имеются потери через концевые уплотнения.

При вращении ротору приходится преодолевать силы трения в подшипниках и затрачивать некоторую часть энергии на привод различных механизмов, получающих вращение от вала турбины (механические потери).

Для влажнопаровых турбин имеют существенное значение потери от влажности пара проходящего через ступени.

Капли влаги, особенно крупные, протекают через ступень по своим траекториям, отличным от течения пара. Капли влаги, протекая через сопловую решетку, не успевают разогнаться до скорости пара, приобретают скорость меньшую, чем скорость пара и в результате входят в рабочую решетку со скоростью направленной навстречу окружной скорости движения диска, что вызывает тормозящий эффект.

Отношение мощности турбины к мощности, которую бы она развивала при отсутствии потерь, называется ее относительным, лопаточным КПД (_о.л.). Он представляет собой отношение работы ступени Н_U к ее располагаемому теплоперепаду Н_о. Этот показатель характеризует совершенство проточной части турбины или ее отдельных цилиндров (отсеков), входных и регулирующих устройств. Для современных турбин КПД составляет около 80-90 % и зависит от объемных расходов пара, отношению давления на входе к давлению на выходе, влажности пара и других причин.