Лекции по турбинам. Литература 1 А. В. Щегляев Паровые турбины. 2 Б. М. Трояновский Турбины для атомных электростанций
 Скачать 16.91 Mb.
|
|
32. Эрозия лопаток Основным средством борьбы с эрозийным износом рабочих лопаток турбины является, как указывалось выше, уменьшение влажности пара у0 перед ступенью, увеличение осевого зазора δа между сопловыми и рабочими лолпатками с целью уменьшения ударного воздействия капель влаги, снижение окружной скорости на переферии лопаток; или за счет снижения высоты лолпаток с помощью разделения потоков пара на несколько цилиндров; или за счет снижения числа оборотов турбины. С другой стороны для снижения эрозийного износа необходимо: 1. Применять для лопаток эрозийноустоичивые материалы (для аустенитного класса, нержавеющие стали, титановые сплавы и.т.д.). 2. Устанавливать на входные кромки лопаток накладки из весьма эрозийноустойчивых сплавов, например из стеллита (кобольт 62%, хром 25%, вольфрам 7%). 3. Проводить термическую или электроискровую обрпаботку поверхности лопаток. 4.Применять различные покрытия (никель-борирование, электролитическое хромирование и.т.д.). Для ориентации при выборе материалов для турбин нужно смотреть «Руководящие технические материалы» РТМ 24.020.15-73, разработанный УКТИ и ХГТЗ. 33. Металлы турбин атомных электростанций При выборе материалов необходимо учитывать следующие основные особенности работы турбинных установок АЭС: 1. Повышенные требования к надежности. 2. Повышенные требования к сопротивляемости материалов коррозии, щелевой и ударной эрозии. 3. Предотвращения возникновения в одноконтурных установках остаточной гамма – радиации. 1. Щелевой эрозии (размыв поверхности материала детали струей влажного пара, проходящего через щель с большой скоростью) подвергаются цилиндры, обоймы, диафрагмы по плоскостям их размеров Составление стойкости материалов, рекомендуемых к применению в турбинах АЭС, против щелевой эрозии дается в таблице. Таблица
2 Ударной эрозии подвергаются рабочие лопатки, бандажи, демферные связи последних ступеней турбин. Интенсивность эрозийного износа зависит от влажности пара, размера капель и скорости их соударения с поверхностью детали. Стойкость конструкционных материалов против ударной эрозии. Таблица
Для лопаток большинства ступеней, кроме последних, а также для бандажей и демпферных связей можно применять материалы, имеющие балл стойкости 3-5. Выходные кромки лопаток последних ступеней даже защищенные наиболее стойкими материалами (балл 1-2), все же подвергают некоторому эрозийному разрушению, особенно в начальный период работы турбины. 3 Остаточная радиация Возникновение остаточной реакции в турбине и других агрегатах машинного зала в основном является следствием отложения в них продуктов коррозии, содержащих радиактивные изотопы: Cr51, Mn59, Co58, Fe59, Zn65, Co60. Наибольшую биологическую опасность представляют долгоживущие изотопы, в первую очередь Со60 и в значительно меньшей степени Zn65. Источником Со60 могут являться твердые сплавы на кобольтовой основе. Применение таких сплавов в одноконтурных установках не рекомендуется. Кроме того, источником кобольта могут являться так же стали, легированные никелем. В сталях, содержащих до 30% никеля государственными стандартами предусмотрено содержание кобальта менее 0,05%. Но для этого при производстве стали необходимо применять чистый никель марок Н-О, Н-1У, Н-1 и т.д. При использовании никелевых сталей в одноконтурных установках необходимо проведение контроля на содержание кобольта, особенно в томслучае, если коррозионная стойкость этих сталей мала. В одноконтурных установках применение сплавов, содержащих цинк, должно быть сведено к минимуму. Качество радиоактивных отложений определяется интенсивностью коррозийного воздействия воды на металл оборудования, входящего в контур. Как показывает практика, в общей радиоактивности доля отложений материала с поверхностей, расположенных вне активной зоны, составляет около 10%. Количество металла, превращающегося в течении 105 часов в продукты коррозии в воду, содержащей кислород, показано на рисунке. а – углеродистые и низколегированные стали (до 5% хрома) б – хромистые нержавеющие стали (Ст > 11%) в – нержавеющие аустенитные хромоникелевые стали (Ст > 15%; Ni > 8%) При расчетах на радиоактивность количество продуктов коррозии, уносимых водой, следует принимать равным 50% от их общего количества. 34. Внутренний к.п.д. ηoi активной ступени Внутренние потери, повышающие теплосодержание пара так же как и потери, возникающие на рабочих лопатках, откладываются в is-диаграмме при построении процесса расширения пара на ступени. Под внутренним к.п.д. понимаем отношение Основным критерием для выбора оптимального отношения u/C1 служит не (ηu)мах, а внутренний к.п.д. (ηi)мах, так как величина потери на трение и вентиляцию так же зависит от отношения u/C1. Внутренняя работа массы 1 кг пара , Дж/кг Пренебрегая потерями на утечку и на влажность, которые не зависят от отношения u/C1 можно написать для активной ступени Для коэффициента потерь от трения и вентиляции мы уже имели выражение но поскольку , то Поскольку и есть функции отношения u/C1, то для определения наивыгоднейшего отношения u/C1, при котором достигается максимальное значение , задаются несколькими произвольными значениями u/C1 в пределах 0,2-0,4. Затем по известной скорости C1 находят u, а по ней диаметр диска d1. По формуле при заданном ld для различны u/C1 определяют парциальность ε. Затем вычисляют для различных u/C1 величину и . Далее определяют окружной к.п.д. и строят кривую зависимости от u/C1. На этом графике наносят кривую и затем вычитают из значения , получают Максимум последней кривой определит наивыгоднейшее отношение u/C1. Все расчеты обычно сводятся в таблицу Таблица
- определяют по С1 - по скорости u - задают - по формуле - задают ls = ld + 2÷4 мм - по формуле - по формуле Банки - по формуле - 35. Внутренний к.п.д. реактивной ступени Внутренний к.п.д. реактивной ступени ηi может быть представлен как отношение здесь Потерей на трение и вентиляцию пренебрегаем. Наибольшее значение имеет потеря , которую мы раньше определяли из выражения , где Таким образом Профессор Щегляев А.В. дает следующую зависимость , где kб = 0,001; n – число оборотов вала; zy – число гребешков в уплотнении; F1 – выходная площадь сопловой решетки; l – высота лопатки; d – средний диаметр облапачивания. Из этой формулы видно, что Тогда Внутренний к.п.д. реактивной турбины зависит от и оптимальное отношение u/С1 тем ниже, чем больше потери от утечки. 36. Коэффициенты полезного действия, определяющие эффективность установки
, где i0 – i2t = ha – адиабатический перепад тепла в турбине; i0 – начальное теплосодержание пара в потоке; q’ – теплосодержание питательной воды; L – работа, эквивалентная величине i0 – q, равная полной теплоте, сообщенной пару в котле
Преобразование тепловой энергии пара в кинетическую энергию в соплах и на рабочих лопатках связано с потерями: в соплах hc, на лопатках hл, с выходной потерей hвых. Т.о. на лопатках используется перепад Относя этот перепад тепла к адиабатическому перепаду получим , т.е. отношение полезной энергии 1 кг пара к располагаемой.
Отношение эффективной работы к работе идеального цикла L0 называется эффективным к.п.д.
теплосодержанию пара, приобретенного в котле (ПГ) В современных паротурбинных установках абсолютно – эффективный к.п.д. достаточно высок. Так, например, турбина К – 300 – 300 (ЛМЗ): ηе = 50,1%, ηt ≈ 0,6 37. Показатели экономичности АЭС и турбинной установки (по Б.М. Трояновскому)
к теплу Qту, подводимому к турбинной установке (1)
выделяющемуся в реакторе при распаде ядерного горючего При этом < за счет потерь в реакторе, парогенераторе, циркуляционной системе.
Если учесть затраты мощности Рсн на собственные нужды АЭС (питательные насосы, ГЦНПК и.т.д), то мощность, отпущенная потребителю или мощность нетто будет Отношение называется к.п.д. станции нетто. Нововоронежская АЭС, блок №1 и №2: 25,5% блок №3 и №4: 29,7% Белоярская АЭС, блок №2: 32% Тепло, выносимое из реактора теплоносителем за единицу времени называется тепловой мощностью реактора. Эта мощность практически равна энергии распавшегося ядерного горючего, т.к. потери тепла реактором невелики (не более 1%) т.е. При полном распаде 1 кг ядерного горючего удельный расход его на получение 1 кВт·час электроэнергии составляет , кт/кВт·час Однако часть делящегося материала, загруженного в реактор, остается неиспользованной и выводится из него при перегрузке. Если глубину выгорания, т.е. долго распавшегося ядерного горючего, обозначит через «а», то общее количество делящегося вещества, загруженного в реактор на 1 кВт·час выработанной электроэнергии, составит , кт/кВт·час Если, как это часто делают, выгорание выражать в МВт·сутки/1 кг U235, то годовой расход ядерного горючего составит , кг/год Где τу – число часов использования установленной мощности АЭС в году. 38. Расход пара турбиной Необходимый расход пара, потребляемого паротурбинной установкой в целом и турбиной в частности определяется расчетом тепловой схемы ПТУ. Каждый кг пара, поданного на турбину, превращает в полезную мощность в турбине, только долю располагаемого теплоперепада. Эта доля определяется величиной эффективного к.п.д. турбины ηе. Связь между секундным расходом массы пара G кт/сек, располагаемым теплоперепадом На турбины, и мощностью, измеренной в кВт, представится при отсутствии отборов пара так , Дж/сек = , кВт Отсюда секундный расход массы пара на турбину составит , кт/сек, где Nе в кВт Удельный расход пара, затраченного на выработку 1 кВт·час мощности определьется из уравнения , кт/кВт·час Как следует из приведенных уравнений расход пара в первую очередь зависит от эффективного к.п.д. Величину этого к.п.д. в начале расчета турбины приходиться выбирать на основании статистических опытных данных и уточнять в конце расчета турбины (см. Трояновский, стр 45). 39. Определение высоты рабочих лопаток Расчету подлежит только выходная высота рабочей лопатки ls. Это размер обуславливает собой величину выходной скорости W2. Высота входной кромки лопатки обычно делается несколько больше высоты сопла l's = ld + (2÷4 мм) Высоту рабочей лопатки можно найти из уравнения неразрывности, применив его к выходному сечению рабочей решетки Здесь площадь выходного сечения всех каналов замеренная по торцу решетки где ε – степень парциальности; τs – коэффициент сужения сечения выходными кромками лопаток. Учитывая, что найдем откуда Здесь: υ2 – удельный объем пара или газа за рабочей решеткой определяется с учетом потери на лопаточном венце; . При расчете соплового сегмента нами получена высота сопла Найдем отношение расчетной высоты лопатки к высоте сопла Для ориентировочных расчетов в активных ступенях можно пологая, что υ2 = υ1 и τd = τs или После определения высоты лопатки нежно сразу же определять ее прочность. Изгибающие напряжения обратно пропорциональны квадрату хорды профиля лопатки. Растягивающие напряжения , где kразг – показывает во сколько раз напряжение в корневом сечении цилиндрической лопатки больше, чем у лопатки переменного профиля. Изгибающие напряжения где R – суммарное изгибающее усилие ; ω – момент сопротивления профиля лопатки изгибу. Предельная мощность турбины определяется уравнением Используя уравнение сплошности мы можем написать, что Тогда мощность турбины будет зависеть от размеров проходной площади ступени турбины и, в первую очередь, от высоты рабочей лопатки последней ступени Поскольку высота лопатки при заданном числе оборотов ограничена прочностью корневого сечения, то в однопоточной турбине можно достичь только вполне определенной предельной мощности однопоточной турбины. Профессором А.В. Щегляевым для подсчета этой мощности получена специальная формула, которую можно найти у Б.М. Трояновского (стр. 42). Подсчеты по этой формуле показывают, что при допустимых напряжениях МПа (≈ 2300 кт/см2) и МПа (≈ 3750 кт/см2) для параметров пара Р0 = 12,8 МПа; t0 = 535°С; Рn = 3,5 кПа и n = 3000 об/мин предельная мощность однопоточных турбин составит соответственно Рэ = 60 МВт и Рэ = 100 МВт. При тех же условиях для насыщенного пара Р0 = 6,4 МПа предельная мощность однопоточных турбин составит Рэ = 40 и 65 МВт. При больших мощностях необходимо прибегать к разделению потоков, особенно в зоне низких давлений. Длины лопаток, применяемых в турбинах Таблица
Такие длинные лопатки требуют специального профилирования. |