Turbin_2009_1

Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ТУРБИНЫ ТЭС И АЭС

Методические указания к курсовому проекту

для студентов направления 650800

Раздел I «Расчет тепловой схемы ПТУ»

Электронное издание локального распространения

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2009

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Выполнение курсового проекта является завершающим этапом в изучении общего курса “ Турбины ТЭС и АЭС”.

Целью курсового проектирования является:

а) закрепление и углубление знаний, полученных при изучении общего курса паровых и газовых турбин;

б) решение конкретной технической задачи, которая заключается в определении расходов пара через проточную часть, выбор числа ступеней и детальный расчет каждой ступени, увязка теплового процесса в турбине с ее конструктивными размерами, определение показателей экономичности турбины;

в) разработка конструкции турбин и ее узлов на базе теплового и механического расчетов;

г) ознакомление с образцами конструкций турбин и их экономичностью;

д) приобретение навыков самостоятельной работы по выбору конструкции узлов и деталей на базе имеющегося опыта турбостроения с учетом критической оценки заводских конструкций.

Выполнение курсового проекта является самостоятельной творческой работой студентов и позволяет приобрести некоторый опыт в проведении инженерных расчетов с использованием справочных материалов, стандартов, учебной и специальной литературы, а также в выполнении чертежей и оформления полученных результатов.

2. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Темой проекта обычно является расчет многоступенчатой турбины или части (цилиндра) крупной конденсационной турбины. Возможны варианты, когда одну мощную турбину проектируют два-три студента, причем каждый из них самостоятельно выполняет тепловой расчет проточной части отдельного цилиндра. В этом случае общие вопросы по турбине решаются совместно и выносятся на защиту каждым студентом. Задание составляется, как правило, на базе серийных турбин, однако если это связано с изученной работой студента, ему может быть поручено проектирование специальной турбины.

В целях увеличения числа вариантов задания на проектирование турбин начальное давление Р0 и температура t0, давление в конденсаторе Рк и номинальная мощность Nн могут отличаться от значений этих величин для серийных турбин.

3

Во избежании чрезмерной траты времени допускается ряд упрощений, в частности, проводится расчет принципиальной тепловой схемы без учета использования пара из штоков, уплотнений и т. д., температурные напоры в подогревателях выбираются без детального обоснования, проточная часть турбины с большим числом ступеней рассчитывается только по среднему диаметру.

В задании на проектировании указываются:

—номинальная электрическая мощность турбины Nэ ;

—начальные параметры пара: давление перед стопорным клапаном Р0 , Мпа и температуа t0, К;

—давление отработавшего пара или давление в конденсаторе Р2;

—давление промежуточного перегрева Рпп, МПа, температура

промежуточного перегрева tпп, К, частота вращения ω, 1/с.

В турбинах с регулярным отборами указываются давления отборного пара и величины тепловой нагрузки.

Указывается тип турбины, на которую следует ориентироваться при проектировании, и студенту предоставляется право в выборе конструктивного выполнения узлов и турбины в целом по имеющимся образцам. При этом принимаемые студентом решения должны содержать необходимые обоснования и базироваться на последних достижениях отчетественного и зарубежного турбостроения.

3. ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Расчетная часть проекта заключается в последовательном решении следующих задач:

1)построения в i,s-диаграмме приближенного процесса расширения пара в турбине:

2)составления тепловой схемы, выбора параметров пара и воды в системе регенерации, определения расходов пара на турбину и через отсеки, проверки расчетов;

3)предварительного расчета первой и последней ступеней цилинлров, определения числа ступеней и распределения теплоперепадов по ступеням;

4)детального расчета ступеней по среднему диаметру;

5)расчета закрутки профилей для ступеней большой веерности (по особому заданию);

6)сведения результатов теплового расчета в таблицу;

7)заключения по результатам расчета, включающего определение мощности и к.п.д. цилиндров и турбины и сравнения полученных результатов с принятым в начале проектирования;

8)расчета элементов турбины на прочность. Приближенного расчета на прочность и вибрацию лопатки последней ступени и специально

4

указанного в задании расчета отдельного узла или детали (расчет диска, определение критической частоты ротора и др.). Эти расчеты носят поверочный характер.

Графическая часть проекта состоит из двух чертежей разрабатываемой конструкции турбины, выполненных на листах формата 24. На первом листе представляется продольный разрез турбины (цилиндра). На втором листе изображается поперечное сечение по цилиндру. Кроме того, вычерчивается один из узлов турбины, который указывается в задании индивидуально для каждого студента. Такими узлами могут быть подшипники, диафрагмы, ротор, клапаны и т.п. Чертежи выполняются в карандаше, при это студент может использовать имеющиеся материалы заводских конструкций турбин.

4. ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Все расчетные материалы оформляются в виде расчетнопояснительной записки, в которой, помимо расчетов, приводятся обоснования принятых решений, а так же весь графический материал к расчетам.

Пояснительная записка должна включать:

1.Техническое задание, оформленное на специальном бланке.

2.Введение.

3.Построение в i,s-диаграмме процесса расширения пара в турбине и выкопировку процесса в i,s-диаграмме.

4.Исходные данные и расчет тепловой схемы.

5.Предварительный расчет первой и последней ступени, распределение теплоперепадов между ступенями и вспомогательный графический материал к расчетам (эскизы, графики).

6.Детальный расчет первой, второй и последней ступеней. Результаты расчетов промежуточных ступеней следует свести в таблицу. Для всех ступеней изображаются треугольники скоростей. Выполненные в масштабе.

7.Расчет деталей турбины на прочность и необходимый графический материал (графики к расчету вала и диска, а также другие графики и эскизы к расчетам).

8.Заключение по результатам расчетов.

9.Список использованных источников.

Расчеты необходимо сопровождать кратким пояснительным текстом и делать ссылки на использованную литературу. Степень точности расчетов — три-четыре знака, а расчет и определение энтальпии должны соответствовать обычной i,s-диаграмме. (1 мм — 4 кДж/кг ).

5

Вспомогательный графический материал к расчетам выполняется в масштабе на миллиметровой бумаге.

Объем пояснительной записки — не более 30 -35 страниц. Оформление записки и чертежей производится в соответствии с ЕСКД.

5.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

КВЫПОЛНЕНИЮ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТУРБИНЫ

Спроектированная турбина должна иметь высокий к.п.д., а ее детали

— запас прочности, обеспечивающей достаточную надежность работы. Настоящие указания не содержат исчерпывающего материала для выполнения курсового проекта и предназначен для сокращения затрат времени при использовании учебно-справочной литературы. Поэтому для выполнения проекта необходимо располагать рекомендуемой литературой и справочными данными по отечественным турбинам.

Основной материал для теплового расчета турбины изложен в (1). Остальные литературные источники могут быть полезны для решения конкретных задач. Исходные данные на курсовой проект позволяют выполнить конструкцию, отвечающую возможностям отечественного турбостроения.

Спроектированная по этим данным турбина, как правило, имеет промежуточные характеристики отечественных турбин с параметрами, близкими к исходным параметрам проекта.

Перед началом проектирования нужно проанализировать конструктивные особенности турбин и их характеристики и выбрать аналог. Это позволит более правильно принимать некоторые исходные данные при расчете отдельных ступеней и может служить ориентиром при оценке студентом достоверности получаемых результатов.

Обычно при проектировании турбин расчет проводят в два этапа:

1)предварительный расчет, в котором некоторые характеристики принимаются близкими или равными ожидаемым и на их основе вырабатываются исходные данные для второго этапа;

2)детальный расчет, в котором определяются окончательные конструктивные размеры, к.п.д. ступеней и всей турбины, проверяется прочность деталей.

Если окажется, что предварительные данные существенно отличаются от фактических, расчет необходимо повторить. Поэтому предварительный расчет является ответственным этапом и, приступая к проектированию, студент должен знать теорию теплового расчета и четко представлять, как принимаемая величина повлияет на характеристики турбины в целом.

Тепловой расчет турбины производится по ступеням в соответствии

снастоящими указаниями или другой учебной литературой. При этом ряд

6

величин и характеристик должен быть выбран с обоснованием теоретических предпосылок и для них производится проектирование без расчета вариантов.

5.1.Построение процесса в i,s-диаграмме

иопределение расхода пара

Вкачестве примера на рис. 1 представлен процесс расширения пара

вконденсационной турбине с промежуточным перегревом. Построение процесса производится следующим образом:

1.Состояние пара перед стопорным клапаном (точка А0 ) соответствует начальным параметрам пара Р0, t0.

2.Параметры пара перед соплами первой ступени Р0’, t0’ отличаются от Р0, t0 за счет дросселирования в стопорных и регулирующих клапанах.

Потери давления в паропускных органах в среднем составляют P =0,05 [1, стр. 191]. Тогда состояние в точке А0’ определяется давлением Р0’ = 0,95 P0 и энтальпией в точке А0.

Давление пара после промперегрева Р’пп≈0,9Рппо, а состояние в точке В определяется параметрами Р‘пп и tпп.

4. Давление за последней ступенью для мощных турбин с учетом восстановления в диффузоре ([1], стр. 164) можно принять равным

7

давлению в конденсаторе, и тогда конечное давление примерно равно величине Р2 задания. Принятые величины могут быть уточнены после детального расчета турбин.

5. Действительный процесс расширения строится на основе принятых значений внутреннего к.п.д. отсеков турбины hoi.

Принимать значения hoi надо весьма осмотрительно, поскольку величина hoi при прочих заданных условиях определяет расход пара на турбину G0, который является исходным для определения размеров ступени и ее экономичности. Если фактический к.п.д. будет отличаться от принятого более чем на два процента, необходимо повторить практически весь тепловой расчет. Поэтому для оценки hoi следует использовать несколько методов и произвести сравнение полученных значений.

К.п.д. hoi зависит от объемного пропуска пара и ряда других величин и может быть определена по формулам ([1], стр. 192). Например к.п.д. группы ступеней для перегретого пара подсчитываются по формуле

где Gcp = G1×G2 , кг/с — средний расход пара через группу ступеней;

υc р = υ1υ2 , м3/кг — средний удельный объем пара. Индексами 1 и 2 обозначены величины соответственно перед рассматриваемым отсеком и

определить, анализируя справочные данные действующих турбин [7], параграф 7-8, Удельные объемы и теплоперепады, входящие в формулу (5.1), определяется по i,s-диаграмме рис.1. Потери hвс для ЧНД составляют величину 20 - 40 кДж/кг, возрастая с увеличением объемного пропуска через последнюю ступень. Для ЧВД потери hвс существенно меньше и не оказывают решающего влияния на к.п.д. hoi .

Если параметры пара действующей и проектируемой турбины существенно отличаются между собой, расходы G1 и G2 можно

8

где ΣH01, ΣH00, Nэ , Nэ0 - соответственно суммарный располагающий теплоперепад и мощность проектируемой и действующей турбин. Грубую оценку расхода пара на турбину можно сделать по методике [1], стр. 190. Оценку к.п.д. ηoi можно проводить и другими методами, например, по [3],

стр. 16.

Во всех случаях необходимо при первой возможности уточнить принимаемые значения исходных величин. По найденному значению к.п.д. ηoi строится процесс расширения, для этого определяется действительный

теплоперепад Hi = H0 ηoi.

Проведя изоэнтальпу через через точку С до пересечения с изобарой за отсеком, находят действительное состояние пара за рассматриваемой частью турбины (точка 2).

Для турбин с регулируемыми отборами и турбин насыщенного пара процесс расширения в i,s-диаграмме строится по такой же методике. Однако в турбинах типа Т или ПТ дополнительно учитываются потери

Здесь Ротб — давление пара регулируемого отбора, МПа; Рразд — разделительное давление, МПа.

Поскольку к.п.д. отсеков определяются в основном объемными пропусками пара, а расходы в предварительном расчете определяются приближенно, то можно принять к.п.д. отсеков ηoi по оценке на основании имеющихся знаний или по известным к.п.д. аналогичных турбин [7, 9], построить процесс в i,s-диаграмме, выполнить тепловой расчет системы регенерации и определить расходы. Для найденных расходов по формулам типа (5.1) или графикам [3], стр.16 уточнить величину ηoi каждого отсека.

Такой способ в ряде случаев уменьшает объем расчетных работ, хотя и следует ориентироваться на повторный расчет системы регенерации. К.п.д. отсека ηoi можно принимать в пределах ηoi = 0,8 ÷ 0,94.

При этом надо иметь в виду, что большему объемному расходу соответствует больший к.п.д., а каждый процент влажности уменьшает к.п.д. отсека примерно на один процент [1, 2. 3].

5.2.Выбор схемы регенерации

ирасчет расходов пара через стенки турбины

Практически все паротурбинные установки имеют систему регенерации, так как она существенно повышает к.п.д. цикла. Поскольку часть пара отбирается в подогреватели, то массовый расход пара через

9

турбину уменьшается и фактический его расход через отсек может быть найден после расчета тепловой схемы. Тепловая схема включает собственно турбину, регенеративные подогреватели, деаэратор, испарители и ряд других элементов и в реальных условиях выполняется достаточно сложной.

Учитывая то, что при проектировании турбины расчет схемы регенерации необходим для определения расходов пара через ступени и определения параметров отбираемого пара, допускается проводить расчет принципиальной тепловой схемы. Принципиальная схема конденсационной паротурбинной установки с промежуточным перегревом представлена на рис. 2.

Рпп, tпп

Р0, t0

П8

П5

ПН

Рис. 2 Тепловая схема паротурбинной установки

Количество отборов пара на регенерацию определяется начальными параметрами пара, температурой питательной зоны, нагревом в каждом подогревателе, и находится на основе технико-экономических расчетов. Весьма приближенно температуру питательной воды определяют по формуле

где tк — температура насыщения пара в котлоагрегате, К.

Однако, не прибегая к технико-экономическим расчетам, выбор tпв можно произвести на основе анализа тепловых схем действующих турбин с учетом отклонения параметров и мощности от образца.

Учитывая сказанное, выбор схемы регенерации и ее расчет проводят в следующем порядке:

10