2. Построение процесса расширения турбины. Уточнение расхода пара

После выбора типа регулирующей ступени и ее теплоперепада по диаграмме H-S определяется давление за ступенью . Для уточнения расхода пара на турбину необходимо уточнить относительный внутренний КПД турбины, который определяется отдельно для регулирующей ступени и отсеков нерегулируемых ступеней.

КПД регулирующей ступени подсчитывается по формулам:

для одновенечной ступени:

для двухвенечной ступени:

где , - параметры перед соплами регулирующей ступени в точке , соответственно бар и м³/кг.

Полезно использованный теплоперепад регулирующей ступени, кДж/кг:

Отложив отрезок от точки , на изобаре фиксируют точку - начало процесса в нерегулируемых ступенях. Если проектируется одноцилиндровая конденсационная турбина, отрезок обозначающий располагаемый теплоперепад нерегулируемых ступеней , разбивается изобарами р¹ и р² на три условных отсека: часть высокого, среднего и низкого давления (ЧВД, ЧСД, и ЧНД). Для каждого отсека определяется располагаемый теплоперепад и средний удельный объем:

.

Здесь - удельные объемы за регулирующей ступенью, ЧВД, ЧСД и ЧНД соответственно.

Если проектируется турбина с противодавлением или отдельный ЦВД, вся проточная часть принимается за один отсек, ЧВД.

Средний объемный расход для каждого отсека определяется как произведение массового расхода и среднего удельного объема V_ср:

КПД ЧВД:

.

Если меньше 600 кДж/кг, в правых скобках учитывается отрицательное значение.

КПД ЧСД:

.

Здесь - коэффициент, учитывающий влияние влажности (если процесс расширения ЧСД опускается в область влажного пара),

,

где y₁, y₂ – степень влажности в начале и конце процесса расширения ЧСД, - часть располагаемого теплоперепада ЧСД, расположенная в области влажного пара.

КПД ЧНД:

.

Здесь определяется так же, как и в ЧСД; - относительная потеря с выходной скоростью ЧНД,

где для турбин малой и средней мощности принимается 16 – 20 кДж/кг, для турбин большой мощности – 25 - 45 кДж/кг.

Если проектируется турбина с противодавлением или отдельный ЦВД, их проточная часть принимается за один отсек, т.е. ЧВД. В этом случае в соответствующей формуле для КПД необходимо учесть потерю с выходной скоростью .

После определения КПД отсеков ЧВД, ЧСД и ЧНД определяются их полезно использованные теплоперепады:

.

Полезно использованный теплоперепад турбины:

В конечном итоге уточняется расход пара на турбину, кг/с:

где η_м, η_г - КПД механический и генератора, табл.1.

Затем строится реальный процесс расширения турбины с учетом найденных КПД отсеков, рис.1.

2. Определение предельной мощности турбины и числа выхлопов

Предельная мощность – это та наибольшая мощность однопоточной турбины, на которую она может быть спроектирована при заданных начальных и конечных параметрах пара и предельно допустимых размерах последней ступени [1]. Размеры последней ступени определяют объемный расход пара GV₂, который можно пропустить через один поток, а значит, определяют мощность однопоточной турбины. Чем больше размеры последней ступени, тем выше мощность турбины. Однако размеры ограничены прочностью применяемых в настоящее время материалов, так как с увеличением высоты и диаметра ступени растет центробежная сила, действующая на рабочие лопатки при их вращении и напряжения растяжения в них. Сейчас предельные размеры последней ступени для стальных лопаток и n = 3000 об/мин l₂ = 960 - 1050 мм, d_ср = 2480 - 2550 мм. Для лопаток из титановых сплавов и n = 3000 об/мин l₂ = 1200 мм, d_ср = 3000 мм. Предельная мощность турбины, МВт, определяется по формуле:

Здесь m учитывает влияние отборов пара на регенерацию; с учетом регенерации m = 1,1-1,2, без учета – m = 1; k_разгр= 2,0 - 2,4 учитывает снижение напряжений растяжения в лопатке за счет уменьшения её сечения от корня до периферии; η_oi – КПД турбины; [σ] – допустимое напряжение в лопатках; для стальных лопаток [σ] = 450 МПа, для титановых – 360 МПа; ρ – плотность материала лопаток, кг/м³; для легированной стали ρ = 8000 кг/м³, для титановых сплавов ρ = 4500 кг/м³; Н₀ - располагаемый теплоперепад турбины, кДж/кг, рис.1; V_2z - удельный объем за последней ступенью турбины, м³/кг, рис.1; n - частота вращения ротора, 50 1/с; с_2z - скорость выхода из последней ступени, м/с,

где для турбин малой и средней мощности принимается 16 – 20 кДж/кг, для турбин большой мощности – 25 - 45.

В зависимости от значения N_пр задаются числом потоков низкого давления, т.е. числом выхлопов в конденсатор. Если N_пр больше заданной мощности N_н, турбина проектируется однопоточной, с одним выхлопом. Если N_пр < N_н, турбина проектируется с несколькими потоками (выхлопами), например, с двухпоточным ЦНД [1].