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, Nэ, МВт;
2. начальные параметры пара, Р0, бар (МПа); t0, °С;
3. давление отработавшего пара, рк, бар (кПа);
4. температура питательной воды, tпв, °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, Nэ | 50 МВт |
| начальные параметры пара, Р0/t0 | 8,8/535 МПа/°С |
| давление отработавшего пара, рк | 3,5 кПа |
| температура питательной воды, tпв | 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=G0=50,81 кг/с); р0 – давление перед соплами (см. часть 1, п.2, р0=8,4×106 Па); v0 – удельный объем перед соплами (по hs-диаграмме, таблицам состояния воды и водяного пара или программе WSPro, v0=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 sВ.
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 | Jmin, см4 | Wmin, 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, Nэ, МВт;
2. начальные параметры пара, Р0, бар (МПа); t0, °С;
3. давление отработавшего пара, рк, бар (кПа);
4. температура питательной воды, tпв, °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, Nэ | 50 МВт |
| начальные параметры пара, Р0/t0 | 8,8/535 МПа/°С |
| давление отработавшего пара, рк | 3,5 кПа |
| температура питательной воды, tпв | 216 °С |
| частота вращения, n | 50 с-1 |
| схема системы регенерации | 2 ПВД + Д + 3 ПНД |