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

98 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

77277. Веб-ориентированная среда поддержки удаленного рендеринга и онлайн-визуализации 28.5 KB
  Классический подход к высокопроизводительным вычислениям подразумевает пакетное исполнение параллельных программ. При этом в определенных случаях практически ценным оказывается наблюдение за состоянием считающейся задачи и возможность управления ей. В простейшем варианте это может быть вывод в лог-файл по ходу счета значений переменных программы. Более сложные случаи требуют наличия специальной системы онлайн-визуализации для наблюдения и управления задачей.
77278. Задачи визуализации программного обеспечения параллельных и распределенных вычислений 4.55 MB
  Также рассматриваются проблема формализации и или верификации визуализации в том числе в рамках теории принятия решений. Приводятся примеры визуализации используемой в процессе разработки системного программного обеспечения нижнего уровня для современных процессоров с параллельной архитектурой. Использование визуализации в области параллельных вычислений началось примерно в это же время.
77279. TAG CLOUD FOR THE INFORMATION DATA FILTRATION 27.5 KB
  The ppliction of the theory of rough sets is considered to solve the problems of visuliztion nd processing of dt. The theory of rough sets cn be considered to be one of the wys of developing the Freges ide of uncertinty. In this pproch uncertinty is defined through the boundry of set. If our knowledge is not enough for strict definition of set then its boundry is not null otherwise the set is stndrd.
77280. THREAD EFFICENCY ON SHARED MEMORY SYSTEMS 22.5 KB
  Bkhterev IMM UrB RS It is trdition to think tht computtion decomposition into tsks executed in prllel on the shred memory systems is more effective with threds but not with processes. Usully this point of view grounds on tht the switching cpu execution context between processes is more expensive thn the switching between threds. If it is specified then it is execution context ssocited wit TLB Trnsltion Lookside Buffer which should be reset nd filled with new vlues when the processor is being switched between execution of different...
77281. To Reality of Automation Debugging of Programs with Large Executing Time 23 KB
  Shrf Yekterinburg Debugging is process of locliztion nd correction of progrm errors. Modern debuggers supporting monitoring during progrm execution help in locliztion of errors. But lmost ll of monitoring control nd the dt nlysis re entrusted to progrmmers.
77282. Удалённая визуализация для инженерных вычислений 14 KB
  В отличие от этапа расчёта стадии предварительной обработки данных и последующий за расчётом анализ требуют интерактивного взаимодействия с оператором. Возникает задача передачи исходных данных от компьютера пользователя к вычислительным ресурсам и задача передачи результатов расчётов обратно. Последняя задача выглядит особенно ресурсоёмкой в связи с тем что время затрачиваемое на передачу может оказаться весьма продолжительным в связи с большим объемом передаваемых данных. Кроме того в связи с современным спросом на услуги вычисления...
77283. Utilizing pattern recognition algorithms to capture gesture-based languages without using marking devices 21.5 KB
  Regrding the forementioned conditions it is importnt to reserch modern ptternrecognition lgorithms. This work includes nlysis of vrious imge trnsformtion lgorithms used for pttern recognition nd combintions of such lgorithms to improve results. Firstly these lgorithms include object edge detection lgorithms lgorithms to trnsform bitmp imges to vector grphics outline nlysis lgorithms neurl net lgorithms.
77284. Среда поддержки интерактивной визуализации для суперкомпьютерных вычислений 662 KB
  Возможностью визуализации состояния программы во время её работы занимается так называемая онлайнвизуализация. Также её иногда называют визуализацией по ходу вычислений – в противовес традиционной визуализации после вычислений которая проводится после полного завершения расчётов. Более сложные случаи требуют наличия специальной системы для поддержки онлайнвизуализации.
77285. Web based computational steering system 52.5 KB
  Secondly person cn shorten the debugging time of prllel progrm becuse person is ble to drive the computtion process djusting the lgorithm prmeters or progrm execution pth ccording to his needs. t the moment we hve developed smll nd cler PI nd dt server for prllel progrm developers tht llows progrm to be visulized online. Computtion nodes re prllel progrm processes with some embedded PI clls which connects them to the steering system. Visuliztion frontends re set of worksttion progrms which visulize the tsk stte nd give the bility to...