1089

Обеспечение надежности основных элементов паровых турбин. Выбор конструкции роторов

Лекция

Энергетика

Конструкции уплотнений паровых турбин. Расчет осевых усилий и способы их компенсации. Пример конструкции паровой турбины. Схема разгрузки осевого подшипника. Статическая прочность рабочих лопаток турбинных ступеней. Конструкции роторов паровых турбин.

Русский

2013-01-06

915 KB

103 чел.

Лекция №12. Обеспечение надежности основных элементов паровых турбин. Выбор конструкции роторов

12.1. Расчет осевых усилий и способы их компенсации

Осевое усилие, действующее на ротор, определяется суммированием усилий, формирующихся в пределах каждой ступени на рабочих лопатках, на кольцевой части полотна диска, в ступеньках ротора между диаметрами соседних диафрагменных уплотнений, а также на выступах уплотнений (рис. 12.1).

Рис. 12.1. К расчету осевого усилия, формируемого в турбинной ступени     

  

Первая составляющая осевого усилия (см. раздел 5.1)

                                                                (12.1)  

определяется разностью осевых проекции скоростей (при М1t0,7 близка к нулю) и разностью давлений р=р12, которая зависит от степени реактивности ступени (чем выше , тем больше р).

Вторая составляющая на кольцевой части полотна диска, расположенной между корневым диаметром dкор и диаметром ротора под диафрагменным уплотнением d2 (рис.12.1)     

                                                                                (12.2)

где давление р11 между диафрагмой и диском зависит от соотношения диафрагменной протечки Gу, корневой протечки Gк и протечки через разгрузочные отверстия Gотв (рис. 12.1). Разгрузочные отверстия в диске позволяют снизить перепад давления на его полотно в сравнении с перепадом на рабочие лопатки и уменьшить осевую нагрузку.

Третья составляющая осевого усилия формируется на ступеньке ротора (рис. 12.1)

                                        ,                                                     (12.3)    

а четвертая (на выступах уплотнений)  

                                        .                                                        (12.4)

Восприятие осевых усилий в турбине осуществляется осевым подшипником, который устанавливается в области ЦВД и зачастую выполняется в комбинации с радиальным подшипником РВД (комбинированный радиально-осевой подшипник). В многоцилиндровых турбинах стараются уравновесить осевые усилия. Для этого, например, направления потоков пара в ЦВД и ЦСД выполняют во взаимно противоположные стороны (рис. 12.2), а ЦНД выполняется двухпоточным и, следовательно, разгруженным от осевых нагрузок.

Рис. 12.2. Схема разгрузки осевого подшипника

Схема разгрузки, показанная на рис. 12.2, возможна для использования в турбинах без промежуточного перегрева пара. Для турбин с промежуточным перегревом ее использовать нельзя из-за особенностей переходных режимов (из-за большой инерционности парового объема паропроводов промперегрева). Поэтому в мощных турбинах применяется исполнение ЦВД с петлевой схемой движения водяного пара (рис. 12.3), а иногда и двухпоточный ЦСД. Для уменьшения осевого усилия в некоторых турбинах используют конструкцию разгрузочного поршня. Обычно его функции выполняет первый отсек концевого уплотнения цилиндра паровой турбины с увеличенным в этом месте диаметром ротора.

Рис. 12.3. Конструкция ЦВД с петлевой схемой движения водяного пара (половина вида)

12.2. Статическая прочность рабочих лопаток турбинных ступеней

В процессах теплового и аэродинамического расчетов турбинной ступени обязательной является проверка ее рабочих лопаток на статическую прочность. Рабочие лопатки нагружены центробежными силами и силами, возникающими при расширении водяного пара. В зависимости от конструкции и условий работы центробежные силы могут растягивать, изгибать и закручивать рабочие лопатки. Усилия от воздействия паровой среды в основном изгибают ее тело. На рис. 12.4,а показана рабочая лопатка произвольного профиля с бандажом, а на рис. 12.4,б – распределение напряжений от действия центробежных сил.

                                   

                                                                   а)                                                                              б)

Рис. 12.4. Рабочая лопатка (а) и распределение напряжений растяжения в ней (б)

Максимальные напряжения растяжения возникают в корне лопатки (рис. 12.4,б) и для случая ее постоянного профиля при отсутствии бандажа вычисляются по формуле

                                                         .                                             (12.5)

В лопатке произвольного поперечного сечения без бандажа допускается определять максимальные напряжения с учетом коэффициента разгрузки kразгр, показывающим, во сколько раз напряжения в корневом сечении лопатки переменного профиля отличаются от таковых для лопатки постоянного профиля (см. раздел 10.2).

Водяной пар в процессе расширения воздействует на рабочие лопатки с усилием, представляющим собой распределенную удельную нагрузку q(х), которая в общем случае изменяется по длине лопатки (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Схема нагружения лопатки изгибающими усилиями

Простейший анализ воздействия удельных осевых qа и окружных qu нагрузок на основе соответствующих эпюр напряжений растяжения и сжатия тела лопатки показывает, что максимальными являются напряжения растяжения на ее входной кромке (в этой связи она выполняется утолщенной).

Выделим главные оси X и Y, относительно которых моменты инерции имеют экстремальные значения (рис. 12.5). Тогда изгибные напряжения в расчете на одну лопатку

                                                    ,                                                   (12.6)

где приведенные моменты Mx = Masinуст + Mucosуст, My = - Macosуст + Musinуст. Тогда для условий qa=const, qu=const, уст80-900 (sinуст1, cosуст0)

                                                       Мха=,    Мy0.                                              (12.7)

Поскольку для одной рабочей лопатки окружное усилие

                                                     ,                                                   (12.8)

то расчетное значение изгибного напряжения в рабочей лопатке можно определить по формуле:

                                                        ,                                                       (12.9)

где z2 - число лопаток в рабочей решетке ступени, е – степень ее парциальности, Wmin- минимальный момент сопротивления для выбранного профиля рабочей лопатки, u=dсрn. Момент сопротивления определяется по атласу профилей с учетом значения хорды b2:

                                                        .                                                 (12.10)

Обычно принимают следующие значения допускаемых значений напряжений на изгиб:

  •  для ступеней активного типа с е=1  [изг]=25…45 МПа;
  •  то же при е1  [изг]=15…20 МПа;
  •  для ступеней реактивного типа [изг]=40…60 МПа.

Если выбранная хорда профиля не обеспечивает необходимого значения допускаемого напряжения, то новое значение хорды определяется по формуле

                                              .                                               (12.11)

12.3. Конструкции роторов паровых турбин

Роторы являются наиболее нагруженными элементами паровой турбины и могут выполняться: а) с насадными дисками (рис. 12.6,а); б) цельноковаными (рис. 12.6,б); в) сварными (рис. 12.6,в). Кроме того, используются комбинированные роторы, в которых диски первых ступеней откованы заодно с валом, а последних ступеней  - насадные. Пример исполнения ротора для турбин реактивного типа показан на рис. 12.6,г.

Рис. 12.6. Конструкции роторов паровых турбин

а – с насадными дисками; б – цельнокованый; в – сварной; г – для турбин реактивного типа

Роторы с насадными дисками (рис. 12.6,а) состоят из вала и установленными на него с натягом дисками. Крутящий момент передается от дисков к валу посредством трения, создаваемого контактным давлением от натяга. Для гарантии на ступице диска выполняют продольную (осевую) шпонку, а в ЦНД между дисками устанавливают торцевые шпонки. Эти роторы отличаются простотой технологии изготовления, но могут работать только при умеренных температурах (не выше 300…3500С), так как при высоких температурах из-за релаксации напряжений происходит ослабление посадки диска на вал. В таких роторах можно получить большие диаметры дисков.

Цельнокованые роторы (рис. 12.6,б) применяют в ЦВД и ЦСД современных турбин. В таких роторах диски и вал вытачивают из одной поковки. В центральной части цельнокованого ротора высверливается сквозное отверстие диаметром 100-120 мм для перископической проверки качества заготовки. Сегодня технология изготовления таких роторов позволяет выполнять их заготовки диаметром до 2 м и длиной до 10 м.

Сварные конструкции роторов (рис. 12.6,в) изготавливаются из отдельных поковок с их последующей сваркой кольцевыми швами. После сварки ротор проходит термообработку. Его недостатком является более высокая стоимость изготовления в сравнении с наборными и цельноковаными роторами. Применяются в ЦСД и ЦНД паровых турбин (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Сварной ротор двухпоточного ЦНД

12.4. Конструкции уплотнений паровых турбин

В многоступенчатой турбине используются концевые, периферийные по бандажу рабочей решетки и диафрагменные уплотнения лабиринтового типа. Концевые уплотнения должны обеспечивать минимум утечек пара в области выхода роторов ЦВД и ЦСД из их корпусов. В ЦНД концевые уплотнения предотвращают пропуск атмосферного воздуха в проточную часть, где имеет место разрежение. Основные принципы работы лабиринтовых уплотнений даны ранее, в разделе 7.3. Здесь, на рис. 12.9, представлены конструкции концевых уплотнений ЦВД, а на рис. 12.10 схема подвода и отвода пара в камерах уплотнений ЦВД и ЦНД.

 

Рис. 12.9. Фрагменты концевых уплотнений ЦВД           Рис. 12.10. Схема подвода и отвода

               а) уплотнение с гребнями в статоре;                                   пара в уплотнениях турбины          

               б) уплотнение с гребнями в роторе

  

Уплотняющие гребни уплотнений 1 (рис. 12.9) могут устанавливаться непосредственно на валу ротора турбины. При этом в канавки вала зачеканивают тонкую ленту толщиной 0,2-0,3 мм. Радиальный зазор в уплотнениях составляет 0,5-0,65 мм. Для предупреждения прогиба вала, который может появиться при задеваниях на поверхности ротора, после каждого сегмента выполняют тепловые (компенсационные) канавки. В уплотнениях ЦВД, расположенных рядом с осевым подшипником, осевой зазор составляет 3,5-3,8 мм, а в уплотнении с противоположной стороны осевой зазор достигает 7 мм. Эта разница связана с относительными тепловыми расширениями ротора (его расширение происходит от фикспукта, находящегося в осевом подшипнике турбины). Конструкции диафрагменных уплотнений отличаются от концевых числом гребней.

Потоки водяного пара в уплотнениях объединяются системой трубопроводов и регулируются с помощью регулятора уплотнений в зависимости от режима работы турбоустановки. На рис. 12.10 показана схема, в которой подвод насыщенного пара в уплотнения ЦНД осуществляется из деаэратора с рд=0,6 МПа. Отсос паровоздушной среды из крайних (каминных) камер концевых уплотнений производится с помощью эжекторов (ЭУ) в охладители (ОУ) тепловой схемы ТЭС. Поскольку расходы пара через концевые уплотнения в современных турбинах большие, то теплоту утечек используют в системе регенеративного подогрева питательной воды. На рис. 12.11 показана организация уплотнений трехцилиндровой турбины К-210-12,7 посредством регулятора подачи пара 1, а на рис. 12.12 – схема направления потоков пара в концевом уплотнении ЦВД

Рис. 12.11.  Организация уплотнений паровой турбины К-210-12,7 ЛМЗ:

1 – регулятор подачи пара на уплотнения; 2 – коллектор уплотняющего пара; 3 – предохранительный клапан; 4 – подача пара в отбор №2; 5 – подача пара в отбор №4; 6 – подача пара в сальниковый подогреватель; 7 – отсос пара из концевых камер уплотнений в охладители ЭУ

Рис. 12.12. Схема потоков пара в концевом уплотнении ЦВД турбины

12.5. Пример конструкции паровой турбины

Рассмотрим конструкцию многоцилиндровой турбины К-300-23,5 ЛМЗ (рис. 12.13). Данная турбина состоит из цилиндров высокого (ЦВД), среднего (ЦСД) и низкого (ЦНД) давлений, эксплуатируется с начальными параметрами водяного пара р0=23,5 МПа, t0=540 0С. Турбина устанавливается в блоке с прямоточным энергетическим котлом производительностью G0=264 кг/с с промежуточным перегревом пара до температуры tпп=540 0С после его расширения в проточной части ЦВД. Давление в конденсаторе турбоустановки рк=3,43 кПа.

Основными элементами конструкции турбины являются:

  •  роторы ее цилиндров (соответственно, РВД, РСД и РНД), составляющие совместно с роторами электрогенератора и возбудителя валопровод турбоагрегата;
  •  корпуса соответствующих цилиндров;
  •  оборудование системы  парораспределения;
  •  подшипники для восприятия радиальных и осевых нагрузок, формирующихся в роторах турбоагрегата {радиальные (опорные) и осевой (упорный) подшипники}.

Рис. 12.13. Паровая турбина К-300-23,5 ЛМЗ в процессе сборки на испытательном стенде завода

Из котла по двум паропроводам водяной пар подводится к стопорным клапанам (исполнительные органы системы аварийной защиты турбоагрегата), которые соединены перепускными трубами с семью регулирующими клапанами, установленными рядом с турбиной в виде отдельных блоков. Регулирующие клапаны являются исполнительными органами системы регулирования мощности турбины. Их последовательное открытие обеспечивает доступ пара к четырем сопловым коробкам, вваренным во внутренний корпус ЦВД. Полное открытие первых шести клапанов, подводящих водяной пар в три сопловые коробки, позволяет реализовать номинальную мощность турбоагрегата. Обеспечение максимальной мощности обеспечивается открытием седьмого клапана с доступом пара в четвертую сопловую коробку. В левом отсеке ЦВД расширение пара осуществляется сначала в регулирующей ступени, а затем в пяти ступенях, после чего водяной пар совершает поворот на 1800 и движется между внутренним и наружным корпусами цилиндра. В правом отсеке ЦВД для данной турбины расположены шесть турбинных ступеней, после расширения в проточной части которых водяной пар с параметрами 4 МПа и 330 0С направляется на промежуточный перегрев в пароперегревательный тракт котла.

После промперегрева водяной пар через два стопорных и регулирующих клапана направляется в турбинные ступени ЦСД, число которых 12. Для паровой турбины К-300-23,5 ЛМЗ цилиндр среднего давления совмещен с одной частью ЦНД. В сумме ЦНД имеет три одинаковые проточные части и соответственно три выходные устройства. Каждая часть ЦНД состоит из пяти турбинных ступеней, последняя из которых имеет средний диаметр d2,ср=2,48 м и длину рабочих лопаток l2=960 мм. Таким образом, после ЦСД водяной пар разделяется на два потока, с расходами, равными 1/3 и 2/3 частями от общего расхода. После разделения две трети пара по ресиверным трубам направляются в двухпоточный ЦНД с давлением пара перед ним 0,24 МПа и температурой 240 0С. После расширения в проточных частях ЦНД пар через соответствующие выходные патрубки направляется в конденсатор.

Ротор высокого давления выполнен цельнокованым и соединяется с ротором среднего давления жесткой муфтой, полумуфты которой откованы за одно целое с валами РВД и РСД. Левая часть вала РВД опирается в радиальном подшипнике, а между ЦВД и ЦСД расположен комбинированный радиально-осевой подшипник. Ротор ЦСД выполнен комбинированным: диски первых 12 турбинных ступеней откованы заодно с валом, а диски последних 5 ступеней (относящихся к ЦНД) насажены на вал с натягом. Роторы ЦСД и двухпоточного ЦНД соединяются полужесткой муфтой, а роторы ЦНД и электрического генератора жесткой муфтой с насадными полумуфтами. Радиальные подшипники выпускной части ЦСД и ЦНД встроены  в выходные патрубки.

Все корпуса турбины имеют горизонтальный фланцевый разъем. Корпус ЦВД выполнен двойным, что позволяет при уменьшенной толщине стенок и фланцев внутреннего и наружного корпусов повысить маневренные характеристики турбины за счет их более быстрого и равномерного прогрева вместе с РВД. Внутренний корпус изготовлен из стали 15Х11МФБЛ. Диафрагмы левого отсека ЦВД установлены непосредственно во внутреннем корпусе, а правого отсека – в обоймах, закрепленных во внешнем корпусе. Корпус ЦСД состоит из трех частей, соединенных вертикальными технологическими разъемами. Передняя часть корпуса выполнена из стали 15Х1М1ФЛ, средняя – из стали 25Л, а задняя – сварена из листовой углеродистой стали. Все диафрагмы ЦСД сварные. Корпус ЦНД сварной, двустенный. Во внутреннем корпусе установлены литые чугунные диафрагмы первых четырех ступеней. Корпус ЦНД (включая и выходной части ЦСД) опирается на фундаментные рамы посредством опорного пояса, выполненного по периметру вблизи фланцевого горизонтального разъема.                                                                        

                                                                                                Лектор: В.Ф. Касилов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73536. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ И АППРОКСИМАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 183 KB
  Приведена ВАХ типового нелинейного элемента полупроводникового диода. Для резистивных нелинейных элементов важным параметром является их сопротивление которое в отличие от линейных резисторов не является постоянным а зависит от того в какой точке ВАХ оно определяется.
73537. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ НА ЦЕПЬ С НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ 371.5 KB
  На этом же рисунке показана форма тока в цепи с нелинейным элементом it. Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики формы напряжения и тока оказываются различными. Воздействие гармонического сигнала на нелинейный элемент спектра тока...
73539. Заряд внутри диэлектрика, Теорема Гаусса для вектора напряжённости в диэлектрике 146.5 KB
  Выберем на этой поверхности некоторую площадку, малую настолько, что её можно считать частью плоскости и поле на ней можно считать однородным. Построим цилиндр, проходящий через эту площадку с направляющими параллельно вектору напряжённости внешнего поля.
73540. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 168.5 KB
  Фильтры применяются для выделения или подавления определенных колебаний разделения частотных каналов формирования спектра сигналов. По расположению на шкале частот полосы пропускания различают следующие фильтры: а нижних частот...
73541. Параллельный колебательный контур и резонанс токов 193.5 KB
  Параллельный колебательный контур с потерями и векторные диаграммы Комплексная входная проводимость такого контура: комплексные проводимости ветвей с индуктивностью и емкостью соответственно...
73542. Простые колебательные контуры 106 KB
  Цепи в которых возникает явление резонанса называют колебательными контурами или резонансными цепями. изображена схема последовательного контура с реактивными элементами L и С и активным сопротивлением R характеризующим потери в контуре. Комплексное входное сопротивление контура на данной частоте определяется согласно уравнению...
73544. Методы и средства защиты растений от болезней 89.5 KB
  Внесение удобрений в высоких дозах часто приводит к тому что возрастает восприимчивость растений к патогенам. Мероприятия по защите растений от болезней должны основываться на всестороннем изучении самой болезни биологических особенностей патогена и защищаемого растения. Система защиты сельскохозяйственной культуры от болезней включает научно обоснованные приемы обеспечивающие благоприятные условия для развития растений без снижения ими уровня устойчивости подавление возбудителей болезней или ограничение их развития.