Проектирование турбины К-22-90

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Содержание.	3
Введение.	4
1. Технологическая часть.	5
2. Расчетная часть	8
2.1. Предварительный расчет проточной части турбины.	8
2.2. Предварительный расчет регулирующей ступени.	9
2.3. Предварительное построение процесса расширения пара в турбине.	10
2.4. Предварительный расчет ЧВД	13
2.5. Предварительный расчет ЧСД	18
2.6. Предварительный расчет ЧНД	23
2.7. Детальный расчет регулирующей ступени	27
2.8. Детальный расчет первой нерегулируемой ступени ЧВД.	35
2.9. Детальный расчет первой нерегулируемой ступени ЧСД.	40
2.10. Расчет на прочность диафрагмы второй ступени ЧВД	44
Заключение	46
Список использованных источников	47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Прототипом проектируемой  турбины является турбина К-22-90, которая  выполнена на начальные параметры: P₀ = 100 бар, t₀ = 550°C. P_к = 0,05 бар. Турбина одноцилиндровая с одним выхлопом в конденсатор. Проточная часть турбины состоит из двухвенечной регулирующей ступени и последующих ступеней активного типа, которые имеют насадные диски.

На основе данного  прототипа в курсовом проекте  предлагается разработать проточную часть турбины на заданные параметры. При этом необходимо определить количество ступеней турбины, выполнить детальный расчет трех ступеней, в том числе регулирующей, также проверить на прочность диафрагму первой нерегулируемой ступени и рабочую лопатку последней.

В качестве спецзадания  необходимо выполнить расчеты на прочность диафрагмы первой ступени  ЧВД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Рабочий диапазон скоростей  вращения ротора в соответствии с  условиями эксплуатации находится в пределах от 2500 до 3500 об/мин. Турбина является конденсационной, с развитой схемой регенераций тепла. Несмотря на сравнительно небольшую мощность, конструкция имеет основные черты, свойственные современным паровым турбинам с повышенными начальными параметрами пара. В то же время умеренная мощность побудила конструкторов применить одноцилиндровую схему с ограниченным числом ступеней и соответствующим понижением экономичности турбины.

Литой корпус имеет горизонтальный и вертикальный разъемы. Вертикальный разъем, как обычно, имеет технологическое назначение. Передняя часть корпуса высокого давлений (до вертикального разъема) выполнена стальной. Верхняя половина выходного патрубка и диафрагмы корпуса в части низкого давления выполнены из чугуна. Нижняя половина выходного патрубка, соединяемая с конденсатором, изготовлена из стальной отливки, что позволило усовершенствовать конструкцию соединения выходного патрубка и конденсатора;

Применение пара с  повышенными начальными параметрами  привело к необходимости обогрева фланцев горизонтального разъема, что несколько снизило время пуска турбины. Другой особенностью конструкции корпуса, обусловленной применением такого пара, является приварка паровой коробки к корпусу вместо обычного. Для турбин средней мощности крепления паровой коробки с помощью шпилек.

В нижней половине корпуса  имеется шесть камер, из которых  производится отбор пара в систему  регенерации. Отборные камеры имеют  оригинальную конструкцию, что позволило  разместить на сравнительно небольшой длине цилиндра достаточное количество промежуточных камер для отбора, что обеспечивает повышение эффективности работы регенеративной схемы при повышенных начальных параметрах пара. Стальные диафрагмы части высокого давления выполнены сварными. Они установлены непосредственно в корпусе цилиндра; отсутствие обойм сократило размеры корпуса и его вес.

Применение повышенных начальных параметров пара отразилось и на конструкции сегментов сопел. Последние изготовлены фрезерованием кованой заготовки с   последующей  приваркой бандажной

ленты.

Комбинированный гибкий ротор  несет шестнадцать дисков активных ступеней турбины. Десять первых дисков размещены в цельнокованой части ротора; остальные шесть насажены на ступенчатый вал ротора. На переднем конце ротора установлено рабочее колесо центробежного масляного насоса, автомат безопасности бойкового типа и реле осевого сдвига. На противоположном конце ротора, обращенном к воздуходувке, насажена полумуфта зубчатого типа.

Корпус переднего опорно-упорного подшипника установлен на передней фундаментной раме и может скользить вдоль нее при тепловых расширениях турбины. Сохранение центровки турбины при перемещениях корпуса подшипника обеспечивается сдвоенной осевой шпонкой между передней фундаментной рамой и корпусом Сервомотор и золотник системы регулирования смонтированы на верхней крышке корпуса переднего подшипника. В нижней части: корпуса размещен контроллер управления стопорным клапаном. Здесь же размещен и индикатор осевого сдвига ротора. Маслопроводы размещены в корпусе подшипника, что представляет известные преимущества с точки зрения противопожарной безопасности. Между корпусами турбины и подшипника установлен водяной экран , который уменьшает поток тепла к корпусу подшипника и, следовательно, предохраняет масло от перегрева. Остальные узлы подшипника и его корпуса типичны для турбин средней мощности.

Турбина имеет сопловое регулирование. В качестве регулирующего колеса турбины применена двухвенечная ступень скорости. При открытии всех клапанов парораспределительной системы степень впуска регулирующего колеса равняется 0,31.

Первые пять ступеней давления выполнены с парциальным  подводом, что обусловлено высоким начальным давлением пара. Для улучшения условий прогрева турбины подвод пара к этой группе ступеней производится в нижнюю половину. Последующие ступени имеют полный подвод. С целью выравнивания потока пара по всей окружности за пятой ступенью давления в проточной части турбины предусмотрена камера с увеличенным осевым размером. Из этой же камеры производится регенеративный отбор пара.

Диафрагмы первых пяти ступеней опираются опорными лапами на нижнюю половину цилиндра. Центровка этих диафрагм производится установочными шпонками. В остальных диафрагмах для центровки применяются радиальные штифты. Диафрагмы последних шести ступеней имеют кроме радиальных и осевые штифты. Во всех диафрагмах выполнены внутренние канавки с установленными в них уплотнительными кольцами.

Последние три ступени давления работают в области влажного пара. Для улавливания влаги на ободе диафрагм этих ступеней как на стороне входа, так и на стороне выхода предусмотрены кольцевые каналы. По кольцевым каналам влага стекает в нижнюю половину цилиндра.

Диск регулирующего колеса и  насадные диски концевых ступеней имеют  коническую форму. Диски промежуточных ступеней турбины в цельнокованой части ротора выполнены одинаковой толщины. Первые одиннадцать дисков ступеней давления имеют разгрузочные отверстия.

Проточная часть турбины имеет  развитую систему уплотнений осевых и радиальных зазоров, что характерно для современного паротурбостроения. Осевые зазоры между диафрагмой и рабочим колесом уплотнены свисающими заостренными кромками бандажной ленты и усиками на торцевой поверхности хвостовых частей лопатки. Радиальные зазоры между бандажом рабочих лопаток и козырьком диафрагмы уплотнены двумя рядами уплотнительных колец. Последние три ступени имеют рабочие лопатки переменного профиля.

Концевые уплотнения турбины образованы неподвижными уплотнительными кольцами, установленными в обоймах, и уплотнительными гребешками, укрепленными в пазах вала. Переднее уплотнение вала, ограничивающее протечку пара из камеры регулирующего колеса, выполнено в виде трех секций. Камера первой секции соединена с линией отбора пара в подогреватель низкого давления. Камера второй секции соединена трубопроводом с задним концевым уплотнением. Из камеры третьей секции производится отбор в специальное отсасывающее устройство. Заднее концевое уплотнение также имеет три секции. В камеру первой секции подается пар из переднего лабиринтового уплотнения. Из камеры второй секции производится отбор пара в отсасывающее устройство. В концевых уплотнениях специальным регулятором поддерживается постоянное давление.

Валоповоротное устройство смонтировано на крышке заднего подшипника. Вращение ротора турбины со скоростью ~ 6 об/мин производится электродвигателем. Устройство автоматически отключается с помощью обгонной муфты, когда скорость ротора при пуске машины превышает 6 об/мин. Перед включением валоповоротного устройства включается масляная система турбины. Система электроблокировки не допускает включения валоповоротного устройства при отсутствии рабочего давления в маслопроводах подшипников. При падении давления масла ниже предельного валоповоротное устройство автоматически отключается.

Корпус турбины опирается  двумя передними лапами на корпус подшипника. Корпус подшипника, в свою очередь, соединен боковыми лапами с фундаментной рамой турбины; такое соединение позволяет корпусу подшипника перемещаться вдоль фундаментной рамы без нарушения центровки турбины.

Двумя боковыми лапами выходного  патрубка цилиндр опирается непосредственно  на боковые фундаментные рамы. Неподвижная  точка турбины образована пересечением осей поперечных шпонок опорных лап выходного патрубка с вертикальной плоскостью, проходящей через ось турбины. Для этой цели в нижней половине концевой части корпуса подшипника между корпусом подшипника и задней фундаментной рамой предусмотрена радиальная шпонка. В той же вертикальной плоскости между корпусом переднего подшипника и передней фундаментной рамой располагаются продольные шпонки, направляющие продольные перемещения корпуса турбины при тепловом расширении.

Соединение корпусов переднего подшипника и турбины осуществляется проушиной со шкворнем. Радиальные тепловые расширения выходного патрубка направляются вертикальной шпонкой, установленной на задней фундаментной раме. Фундаментные рамы крепятся к фундаментным колоннам анкерными болтами и подливаются бетоном.

 

 

 

 

 

 

II. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.

 

Исходные данные к  расчету:  
Номинальная электрическая мощность N_э=25МВт=25000кВт;  
Параметры пара перед стопорным клапаном:

Давление Р₀=10МПа=100бар;

Температура t₀=550⁰С 
Конечное давление пара Рк=5кПа=0,05бар;  
Частота вращения ротора турбины n=3000об/мин.

Тип турбины: К-22-90

 

Проточная часть проектируется на экономическую мощность, которая  определяется в зависимости от назначения турбины. Для турбин малой и средней мощности

 

2.1. Предварительный расчет проточной части турбины.

 

Располагаемый теплоперепад турбины определяется по известным параметрам P₀, t₀ и P_к (рис. 1.1) кДж/кг.

Давление перед соплами  регулирующей ступени с учетом потерь в стопорном и регулирующих клапанах

=95бар.

Давление за последней  ступенью с учетом потерь в выхлопном  патрубке, бар,

где C_вл - скорость потока в выхлопном патрубке, принимаем равной 100 м/с; l принимаем равной 0,1.

 бар.

Точка характеризует состояние пара перед соплами регулирующей ступени, а отрезок определяет располагаемый теплоперепад проточной части (рис.1).

 

Определяем приблизительный  расход пара (без учета регенеративных и регулируемых отборов).

где η_оэ – относительный электрический КПД

η_оэ = 0,79÷0,835

 

2.2 Предварительный выбор регулирующей ступени.

 

Определяю КПД регулирующей ступени.

,

где - удельный объем перед соплами регулирующей ступени в точке .

Размеры ступени определяются в следующем порядке:

Фиктивная скорость:

где =200 - теплоперепад регулирующей ступени;

Окружная скорость:

Средний диаметр ступени:

;

Теплоперепад сопловой решетки:

где - суммарная степень реактивности;

Абсолютная скорость истечения из сопел:

Проходная площадь сопловой решетки:

,

где - удельный объем за сопловой решеткой, рис.1.1. - коэффициент расхода сопловой решетки;

Произведение

где  - эффективный угол сопловой решетки;

Степень парциальности:

;

Высота сопловых лопаток:

Полезно использованный теплоперепад:

 

2.3. Предварительное построение процесса расширения пара в турбине.

Отложив от точки , на изобаре фиксируем точку - начало процесса в нерегулируемых ступенях. Отрезок , располагаемый теплоперепад нерегулируемых ступеней , разбивается на 3 участка изобарами и . Для каждого участка определяется отношение давлений

 

2.3.1. ЧВД

Средний удельный объем

Объемный расход

КПД отсека 

где КПД  Поправка на раскрытие проточной части - для ЧВД, потеря с выходной скоростью только для последнего отсека;

Действительный теплоперепад ЧВД

 

2.3.2. ЧСД

Средний удельный объем

Объемный расход

КПД отсека 

где КПД  Поправка на раскрытие проточной части =1 - для ЧСД. Потеря от влажности в зависимости от приведенной конечной влажности пара и среднего давления в отсеке,

где - степень сухости за отсеком; - часть теплоперепада отсека ниже пограничной кривой , - теплоперепад отсека,

Действительный теплоперепад ЧСД

 

2.3.3. ЧНД

Средний удельный объем

Объемный расход

КПД отсека  ,

где КПД  Поправка на раскрытие проточной части - для ЧНД. Потеря с выходной скоростью,

где принимаем равным 30 для турбин малой мощности /1/.

Потеря от влажности  определяется по /1, рис.4/ в зависимости от приведенной конечной влажности пара и среднего давления в отсеке,

где - степень сухости за отсеком; - часть теплоперепада отсека ниже пограничной кривой , - теплоперепад отсека,

Действительный теплоперепад ЧНД

По найденному при  построении полезно использованному  теплоперепаду  уточняем расход пара,

где - КПД механический и генератора /1, табл.1/.

Определение предельной мощности турбины и числа выхлопов.

,

где принимаем равным 30 для турбин малой мощности /1/.

Предельная мощность определяется по формуле,

 Так как  , то турбину проектируем однопоточную, с одним выхлопом.

 

 

 

Рис.1 Процесс расширения в турбине

 

 

 

 

 

2.4. Предварительный расчёт  ЧВД.

 

Определение числа ступеней и их теплоперепадов.

 

Диаметр первой ступени  обычно принимается меньше диаметра регулирующей ступени,

Это обеспечивает эффективное торможение потока и выравнивание его параметров по окружности в камере регулирующей ступени. Следует стремиться к обеспечению полного подвода пара   (e = 1) в первой ступени при достаточной высоте лопаток, но при не достаточной высоте лопаток степень порциальности может e < 1.

Задаёмся степенью реактивности первой ступени  ; углом ; ;

Тогда оптимальное соотношение

Теплоперепад ступени,

где n - частота вращения .

Теоретическая скорость истечения из сопловой решётки,

где      

Площадь сопловой решётки,

где - удельный объем, пара за сопловой решёткой, определён при построении процесса расширения первой ступени.

Высота сопловой решётки,

Высота рабочей решётки,

где - суммарная перекрыта, определяется по /1, табл.2/.

Корневой диаметр первой ступени, м,

,

то есть корневой диаметр  принимается постоянным во всех ступенях ЧВД.

Средний диаметр последней ступени  ЧВД определяется по упрощённому  уравнению неразрывности

где - средний диаметр и высота последней ступени; - удельные объёмы за первой и последней ступенями, рис.1.1. Выражаю средний диаметр последней ступени через корневой

,

получаю квадратное уравнение

решаю полученное уравнение

средний диаметр последней  ступени,

Степень реактивности последней  ступени выбирают так, чтобы обеспечить её положительное значение в корневом сечении;

,

где

Угол  . Отношение скоростей

После определения диаметров  и отношения  первой и последней нерегулируемых ступеней ЧВД определяеем число ступеней и их теплоперепады. Для этого используется расчётно-графический метод. Отложив на диаграмме отрезки и и , а также и , соединяем их концы прямыми линиями. Проводим также линию (рис.3.1).

Разделив базу диаграммы на 4 части, определяем для каждой из пяти условных ступеней диаметр, и теплоперепад,

Средний теплоперепад ступени,

Число ступеней,

где - теплоперепад ЧВД; q - коэффициент возврата тепла (q = 0,02- 0,06)

после определения действительного  числа ступеней определяем действительный коэффициент возврата тепла.

,

здесь - для перегретого пара, - число ступеней по прототипу.

Делим базу диаграммы  на

частей.

 

 Рис.2.  Диаграмма определения средних диаметров ступеней, определения отношение скоростей и  степень реактивности ступеней.

Определив по диаграмме  средние диаметры и  всех ступеней, вычисляем их теплоперепады,

Для первой нерегулируемой ступени, а также для ступеней после камер отбора .

Для промежуточных ступеней  .

_{Суммарный теплоперепад}

Сумма теплоперепадов всех ступеней должна равняться известному располагаемому теплоперепаду нерегулируемых ступеней с учётом возврата тепла

_{Для соблюдения равенства  добавим к теплоперепаду  каждой ступени величину}

 

 

Проверка ожидаемых эффективных  углов первой ступени ЧВД.

 

Располагаемые теплоперепады  в сопловой и рабочих решётках,

Теоретическая абсолютная скорость выхода из сопловой решётки,

Действительная абсолютная скорость выхода из сопел,

где - коэффициент скорости сопловой решётки.

Окружная скорость на среднем диаметре,

Выходная площадь сопловой решётки,

Высота рабочих лопаток,

Высота сопловых лопаток,

Эффективный угол выхода из сопловой решётки,

Относительная скорость пара на входе в рабочую решётку,

 Теоретическая относительная скорость выхода из рабочей решётки,

Выходная площадь рабочей  решётки,

Эффективный угол выхода из рабочей решётки,

 

Проверка ожидаемых эффективных  углов последней ступени ЧВД.

_{Располагаемый теплоперепад ступени}

Располагаемые теплоперепады в  сопловой и рабочих решётках,

Теоретическая абсолютная скорость выхода из сопловой решётки,

Действительная абсолютная скорость выхода из сопел,

где - коэффициент скорости сопловой решётки.

Окружная скорость на среднем диаметре,

Выходная площадь сопловой решётки,

Высота рабочих лопаток,

Высота сопловых лопаток,

Эффективный угол выхода из сопловой решётки,

Относительная скорость пара на входе в рабочую решётку,

 Теоретическая относительная скорость выхода из рабочей решётки,

Выходная площадь рабочей решётки,

Эффективный угол выхода из рабочей  решётки,

м/с

 

 

2.5. Предварительный расчёт  ЧCД.

 

Определение числа ступеней и их теплоперепадов.

Диаметр первой нерегулируемой ступени ЧСД принимаем . Задаёмся степенью реактивности первой ступени углом .  Тогда оптимальное соотношение

Теплоперепад ступени,

где  n - частота вращения .

Теоретическая скорость истечения из сопловой решётки,

где      

Площадь сопловой решётки,

где - удельный объём пара за сопловой решёткой, определён при построении процесса расширения первой ступени.

Высоту лопаток сопловой решётки

Высоту лопаток рабочей  решётки,

где - суммарная перекрыша определяется по /1, табл.2/.

Корневой диаметр первой ступени, м,

,

то есть корневой диаметр  принимается постоянным во всех ступенях ЧСД.

Средний диаметр последней ступени  ЧСД определяется по упрощённому  уравнению неразрывности

где - средний диаметр и высота последней ступени; - удельные объёмы за первой и последней ступенями, рис.1.1. Выражаю средний диаметр последней ступени через корневой

,

получаю квадратное уравнение

решаю полученное уравнение

средний диаметр последней  ступени,

Степень реактивности последней  ступени выбираем так, чтобы обеспечить её положительное значение в корневом сечении;

,

где

 

Угол  . Отношение скоростей

Для сокращения числа  ступеней принимаем 

После определения диаметров и  отношения  первой и последней нерегулируемых ступеней ЧСД определяем число ступеней и их теплоперепады. Для этого используется расчётно-графический метод. Отложив на диаграмме отрезки и и , а также и , соединяем их концы прямыми линиями. Проводим также линию

Разделив базу диаграммы  на 4 части, определяем для каждой из пяти условных ступеней диаметр, и теплоперепад,

Средний теплоперепад ступени,

Число ступеней,

где - теплоперепад ЧСД; q - коэффициент возврата тепла, предварительно принимаем равным 0,03 и уточняем:

,

здесь - для перегретого и влажного пара, - число ступеней по прототипу.

Делим базу диаграммы  на частей (рис.3.2).

 

 Рис.3.  Диаграмма определения средних диаметров ступеней, определения отношение скоростей и  степень реактивности ступеней.

 

Определив по диаграмме  средние диаметры и  всех ступеней, вычисляем их теплоперепады,

Для первой ступени отсека . Для промежуточных ступеней  .

Суммарный теплоперепад

 

Сумма теплоперепадов всех ступеней должна равняться известному располагаемому теплоперепаду нерегулируемых ступеней с учётом возврата тепла

Для соблюдения равенства  добавим к теплоперепаду каждой ступени величину

 

Проверка ожидаемых эффективных  углов первой ступени ЧСД.

 

Располагаемые теплоперепады  в сопловой и рабочих решётках,

Теоретическая абсолютная скорость выхода из сопловой решётки,

Действительная абсолютная скорость выхода из сопел,

где - коэффициент скорости сопловой решётки.

Окружная скорость на среднем диаметре,

Выходная площадь сопловой решётки,

Высота рабочих лопаток,

Высота сопловых лопаток,

Эффективный угол выхода из сопловой решётки,

Относительная скорость пара на входе в рабочую решётку,

Теоретическая относительная скорость выхода из рабочей решётки,

Выходная площадь рабочей  решётки,

Эффективный угол выхода из рабочей решётки,

 

2.6. Предварительный расчёт ЧНД.

 

Определение числа ступеней и их теплоперепадов.

 

Скорость пара за ступенью

,

где - потеря с выходной скоростью.

Средний диаметр последней  ступени

,

здесь - веерность, характеризует пропускную способность ступени; - удельный объём за последней ступенью, определяется по предварительно построенному процессу расширения, рис.1.1.; - угол выхода из ступени.

Высота рабочих лопаток 

Корневой диаметр

Степень реактивности

,

где

Оптимальное отношение  скоростей

здесь - относительная потеря с выходной скоростью ступени:

;    

- теплоперепад ступени.

Исходя из условия  плавного раскрытия проточной части турбины определим корневой и средний диаметры, а также высоты сопловых и рабочих лопаток первой ступени ЧНД:

Значение  первой ступени ЧНД принимаем таким как в последней ступени ЧСД:

_{Теплоперепад  первой ступени}

Из формулы для определения  высоты сопловых лопаток первой ступени выразим и найдем значение эффективного угла:

 здесь ; удельный объём за первой ступенью ЧНД находим по вычисленному теплоперепаду

Отношение скоростей

Определяем число ступеней и их теплоперепады. Для этого  используется расчётно-графический  метод. Отложив на диаграмме отрезки  и и и , а также и , соединяем их концы прямыми линиями (рис.3.3).

Разделив базу диаграммы  на 2 части, определяем для каждой из пяти условных ступеней диаметр, и теплоперепад,

Средний теплоперепад ступени,

Число ступеней,

где - теплоперепад ЧНД; q - коэффициент возврата тепла,

,

здесь - для влажного пара, - число ступеней по прототипу.