2. Тепловой расчет паровой турбины

1. Определение термодинамических параметров

(Предварительный расчет)

Для определения расхода пара на турбину (мощности цилиндра) и определения числа ступеней необходимо построить предполагаемый тепловой процесс турбины (цилиндра).

По заданным величинам р₀, t₀ по таблицам свойств водяного пара определяют v₀ и H₀. Располагаемый (изоэнтроиийный) теплоперепад турбины при расширении до давления P_к определяется по формуле:

=466,5 кДж/кг.

Вследствие потерь в стопорном и в регулирующих клапанах, а также потерь в выхлопном патрубке, располагаемый теплоперепад проточной части будет меньше располагаемого теплоперепада турбины. Приняв потери давления в клапанах 5%, давление пара перед соплами регулирующей ступени Ро определится по уравнению:

Р’₀ = 0,95P₀=22,33 МПа.

Потери давления в выхлопном патрубке приводят к тому, что давление за последней ступенью P'_к будет выше заданного давления за турбиной. Давление пара на выходе из последней ступени P'_к рекомендуется определять по уравнению

=4,065 МПа,

где - коэффициент потерь в патрубке, который зависит от конструкции выхлопного патрубка; для цилиндров высокого давления и для противодавленческих турбин =0,1; С_вп- скорость пара в выхлопном патрубке (принимается 50 - 80 м/с).

С учетом указанных потерь, располагаемый теплоперепад ступеней:

=452,9 кДж/кг

При изоэнтропийном процессе расширения в турбине энтальпия пара при давлении, равном давлению на выходе из турбины (в точке к) и энтальпия пара при давлении, равном давлению за последней ступенью (в точке к_t,), определятся соответственно:

h_kt=h₀-H₀=3338,26-466,5=2872 кДж/кг,

h_k’t=h₀-H’₀=3338,26-452,9=2885,0 кДж/кг.

Использованный теплоперепад паровой турбины и расход пара через нее в первом приближении можно определить по уравнениям:

H_i=H₀^T_oi=387,2 кДж/кг,

где ^T_oi - относительный внутренний КПД турбины, при ориентировочных расчетах может быть принят 0,78 - 0,84; _м- механический КПД, учитывающий механические потери в турбине, прежде всего потери на трение в подшипниках, _м= 0,98 - 0,99; _эл - КПД электрического генератора, может быть принят 0,97 - 0,985.

Эффективная мощность цилиндра (мощность на муфте) определится из уравнения

N₀=GH_i_м=260·387,2·0,98=98659 кВт /98,66 МВт/

Регулирующая ступень выполнена как одновенечная. Одновенечная ступень применяется для срабатывания теплового теплоперепада 80 - 120 кДж/кг.

Оптимальный располагаемый теплоперепад турбинной ступени, при котором обеспечивается наивысшая экономичность, достигается при оптимальном значении x_ф = u/c_ф, где u- окружная скорость в расчетном сечении, м/с; c_ф - фиктивная (условная) скорость, м/с, определяемая из соотношения

(2·70,56·10³)^0,5=375,7 м/с,

где H₀ - располагаемый теплоперепад на ступень (кДж/кг), подсчитанный от параметров торможения. Тогда

( 172,8/0,46)²/2·10³=70,46 кДж/кг.

Оптимальное значение x_ф зависит от типа ступени, степени реактивности, потерь в лопатках и так далее. В первом приближении можно принять для активной (степень реактивности =0,1) одновенечной ступени x_ф=0,45 - 0,48.

Окружная скорость u зависит от диаметра ступени и частоты вращения

u = πdn=π·1,1·50=172,8 м/с,

где d - диаметр ступени (м); n - частота вращения в секунду.

Диаметр ступени определяется корневым диаметром диска и высотой лопатки. В части высокого давления высота лопаток обычно не превышает 100мм, и диаметр ступени определяется технологическими возможностями изготовления цельнокованого ротора и напряжениями в диске. С учетом припусков на обработку ротора, средний диаметр регулирующей ступени не может превышать 1,1 - 1,2 м. С целью унификации роторов принимаем средний диаметр регулирующей одновенечной ступени d_p = 1,1 м.

Использованный теплоперепад регулирующей ступени в первом приближении можно определить, задавшись КПД ступени. Для одновенечной ступени можно принимаем ^T_oi= 0,78 - 0,82:

H_i^p=H₀^p^p_oi=56,37 кДж/кг

Давление пара в конце процесса расширения в регулирующей ступени определяется как

17,83 МПа.

Энтальпия пара за регулирующей ступенью определяется по уравнению

h_p=h₀-H^p_i=3282 кДж/кг,

а удельный объем:

V_p = 2,2(h_р -1907)10 ^-4 /(Р_р - 0,079)= 0,017 м³/кг

Располагаемый теплоперепад на нерегулируемых ступенях Н^ст₀ определяется уравнением:

379,7 кДж/кг.

Использованный теплоперепад нерегулируемых ступеней можно определить, задавшись КПД отсека этих ступеней. Для расчета в первом приближении принимаем ^ст₀ = 0,86-0,90:

H_i^ст=H₀^ст^ст_oi=334,1 кДж/кг.

Энтальпия пара за турбиной определяется по уравнению:

h_k=h_p-H^ст_i=2948 кДж/кг,

а удельный объем за рабочими лопатками последней ступени:

V’_k = 2,2(h_k -1907)10 ^-4 /(Р’_k - 0,079)= 0,0575 м³/кг.

Определив все значения теплоперепадов, энтальпий, давлений и удельных объемов, строим предполагаемый тепловой процесс турбины в тепловой диаграмме (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Предполагаемый процесс паровой турбины в тепловой диаграмме