Турбомашины
.pdf
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Энергетический
Кафедра |
Тепловые электрические станции |
СОГЛАСОВАНО |
СОГЛАСОВАНО |
Заведующий кафедрой |
Декан |
_______________Н.Б. Карницкий |
_______________ К.В.Добрего |
__ ______________ 2016 г. |
__ ______________ 2016 г. |
ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
ТУРБОМАШИНЫ
для специальности 1-53 01 04 «Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами»
Составители:
ст. преп. Нерезько А.В., ст. преп. Пантелей Н.В.
Рассмотрено и утверждено на заседании Совета энергетического факультета «25» февраля 2016 г., протокол № 6
1
ПЕРЕЧЕНЬ МАТЕРИАЛОВ
1.Теоретический раздел:
«Турбомашины» - курс лекций;
2.Практический раздел:
«Турбомашины» - практические задания;
3.Контроль знаний:
«Турбомашины» - перечень вопросов, выносимых на экзамен;
4.Вспомогательный раздел:
«Турбомашины» - учебная программа для учреждения высшего образования.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Целью создания ЭУМК является овладение знаниями теории теплового процесса паровых и газовых турбомашин и инженерных методов их расчета, которые должны явиться основой приобретения умения проектировать, осуществлять надежную эксплуатацию, выполнять монтаж, ремонт и наладку паротурбинных, парогазовых и газотурбинных установок ТЭС и АЭС, а также других объектов народного хозяйства, имеющих турбинную технику.
Неотъемлемой частью оборудования электрических станций являются тепловые турбины работающие на перегретом и влажном паре. Независимо от типа парогенератора или котлоагрегата турбинные установки являются сложным оборудованием, от которого зависят как технико-экономические, так и эксплуатационные характеристики электростанции: надежность, экономичность, маневренность, безопасность. Технические и технико-экономические показатели турбинного оборудования, производственные возможности турбостроительных заводов в немалой степени определяют ряд основных параметров таких как: мощность энергоблока, выбор его тепловой схемы, параметры теплоносителя или рабочей среды на выходе из парогенератора, требования к водно-химическому режиму, условия водоснабжения.
Задачами ЭУМК являются: изучение принципа действия, конструирования, расчета переменных режимов работы, основ построения систем регулирования и защиты турбин, а также особенностей конструкций газотурбинных и парогазовых установок.
Особенности структурирования и подачи учебного материала:
- теоретическая часть включает в себя курс лекций по дисциплине «Турбомашины» и содержит 7 разделов по конструкции, принципу действия, работы на переменных режимах и регулирования турбомашин;
2
-раздел контроля знаний содержит вопросы к экзамену;
-вспомогательный раздел содержит базовую учебную программу по дисциплине «Турбомашины».
Рекомендации по организации работы с УМК (ЭУМК): Материалы данного электронного учебно-методического комплекса можно использовать при выполнении курсовых и дипломных проектов (работ), посвященных изучению теории теплового процесса паровых и газовых турбин, конструирования, расчета переменных режимов работы, основ построения систем регулирования и защиты турбин, а также особенностей конструкций газотурбинных и парогазовых установок.
Полученные знания при изучении данного электронного учебно-методического комплекса предназначены для формирования научного мышления и профессиональной ответственности инженеров энергетического профиля.
3
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1 |
Курс лекций....................................................................................................................... |
6 |
|
1.1 Введение..................................................................................................................... |
6 |
|
1.2. Паротурбинная установка и паровая турбина....................................................... |
9 |
|
1.3. Течение пара в турбинных решетках ................................................................... |
31 |
|
1.4. Турбинная ступень ................................................................................................. |
56 |
|
1.5. Многоступенчатые паровые турбины.................................................................. |
93 |
|
1.6. Работа турбины при переменном режиме ......................................................... |
107 |
|
1.7. Регулирование паровых турбин.......................................................................... |
136 |
2 |
Темы практических заданий, лабораторных и курсовых работ .............................. |
171 |
|
2.1 Темы лабораторных работ.................................................................................... |
171 |
3 |
Вопросы к экзамену ..................................................................................................... |
173 |
|
3.1 Вопросы к экзамену .............................................................................................. |
173 |
4 |
Учебная программа ...................................................................................................... |
176 |
4
Электронный учебно-методический комплекс
Теоретический раздел
ТУРБОМАШИНЫ
Курс лекций
Минск 2016 г.
5
1 КУРС ЛЕКЦИЙ
1.1 Введение
Первый прототип аксиальной одноступенчатой активной турбины с расширяющимися соплами (рис. 1.1) был предложен в 1883 г. шведским инженерам Густавом Лавалем. В этой турбине расширение пара происходило только в сопловой решетке одной ступени от начального до конечного давления, что обусловливало очень высокие скорости истечения пара из сопловых каналов. Поскольку для наивыгоднейшего использования кинетической энергии струи пара окружная скорость рабочих лопаток (как будет показано в гл. 2) должна быть примерно в 2 раза меньше абсолютной скорости истечения пара из сопла, турбины Л аваля должны были иметь чрезмерно большую окружную скорость, а следовательно, и большую частоту вращения. Так, самые малые из турбин Лаваля (диаметр диска 100 мм, мощность около 2,5 кВт) имели частоту вращения 500 с-1. Мощность наибольшей из построенных Лавалем турбин не превышала 500 кВт. К тому же эти турбины имели очень низкий КПД.
Рис. 1.1 - Схематический разрез одноступенчатой активной глубины:
1 - вал; 2 - диск; 5 - рабочие лопатки; 4 - сопловая решетка; 5 - корпус: 6 - выпускной патрубок
6
В 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс предложил многоступенчатую реактивную турбину, расширение пара в которой происходило не в одной, а в ряде следующих друг за другом ступеней, причем не только в сопловых (неподвижных), но и в рабочих (вращающихся) решетках (рис. 1.2), благодаря чему стала возможна работа машины со значительно меньшими чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и соответственно с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.
Рис. 1.2. Много ступенчатая реактивная турбина:
1 -корпус; 2 - барабан; 3 - подшипник; 4 - сопловые лопатки одной из ступеней; 5 - рабочие лопатки одной из ступеней
В конце XIX в. в связи с развитием электрических машин и широким внедрением электроэнергии развитие паротурбостроения пошло быстрыми темпами. Первые паровые турбины в России начали выпускать в 1907 г. на Металлическом заводе в Петербурге.
На протяжении всей истории развития турбостроения прослеживается линия на повышение экономичности паротурбинных установок и паровых турбин, а также увеличения единичной мощности энергетических турбин. В настоящее время как для станций на органическом топливе, так и для атомных электростанций, максимальная единичная мощность паровых турбин находится на уровне 1000-1200 МВт.
На рис. 1.3 показана современная паротурбинная установка, которая включает все элементы и особенности данного этапа развития паротурбостроения.
7
Рис. 1.3 – Разрез паротурбинной установки
8
1.2. Паротурбинная установка и паровая турбина
1.2.1. Тепловой цикл паротурбинной установки и его КПД
Схема и цикл ПТУ.
Паровая турбина является одним из элементов теплоэнергетической установки. На рис. 1.4 представлена принципиальная схема простейшей такой установки. Изменение состояния пара В цикле Ренкина при прохождении паром отдельных звеньев установки иллюстрируется в Т,s-диаграмме.
Питательный насос 1 повышает давление воды до давления р0 и подает ее в парогенератор 2, затрачивая при этом на 1 кг питательной воды работу Lн. Процесс изоэнтропийного сжатия воды насосом в утрированном масштабе изображен в T,s-диаграмме линией а'а (рис. 1.5).
В парогенераторе происходят нагрев воды при постоянном давлении до температуры кипения (линия ab в T,s -диаграмме) и испарение ее (изображено линией bс). Далее пар поступает в перегреватель 3, где температура его повышается до Т0. Процесс подведения тепла в перегревателе представлен линией cd.
Рис. 1.4. Принципиальная схема простейшей паротурбинной установки
Подвод тепла в парогенераторе, в том числе в пароперегревателе, происходит при постоянном давлении р0, так что количество тепла qТУ перешедшего к воде и пару, целиком расходуется на повышение энтальпии пара и может быть представлено для 1 кг участвующего в процессе пара разностью
ту = 0 − пв
где h0 - энтальпия пара, вышедшего из перегревателя;
hпв - энтальпия питательной воды при входе в парогенератор.
Тепло, сообщенное пару в парогенераторе и пароперегревателе, изображается в T,s - диаграмме площадью 1abcd2.
Вышедший из пароперегревателя с энтальпией h0, пар направляется к турбине 4 и, расширяясь в ней, совершает работу LТ. Для турбины, работающей без
9
10
потерь и теплообмена с внешней средой, процесс расширения протекает по изоэнтропе. которая изображена линией de в Т,s -диаграмме. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор 5. Здесь при неизменном давлении рк производится отвод тепла от пара к охлаждающей воде, пар конденсируется, и конденсат с энтальпией h'K откачивается насосом 1 и снова подается в парогенератор. Отводу тепла в конденсаторе отвечает процесс еа' в Т,s-диаграмме.
Рис. 1.5. Идеальный цикл пара в турбинной установки (цикл Ренкина) в T.S - диаграмме
Таким образом, замыкается цикл водяного пара в теплоэнергетической установке. Тепло qK, отнятое от 1 кг пара при постоянном давлении в конденсаторе, при изоэнтропийном расширении пара в турбине определяется разностью энтальпий
к = − ′
где - энтальпия отработавшего в турбине пара при изоэнтропийном процессе расширения; ′ - энтальпия конденсата.
В рассмотренном замкнутом цикле работа, которую можно получить от 1 кг пара, по закону сохранения энергии выразится в тепловых единицах разностью
= ту − к = (0 − пв) − ( − ′ )
Перепишем это уравнение таким образом:
10