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

13306. Анализ комплекса геодезических работ выполняемых на объекте Многоквартирный жилой дом в р.п. Ванино 4.51 MB
  Рассмотрены вопросы проектирования и строительства инженерных сооружений. Раскрыт состав геодезических работ. На примере данного объекта рассмотрен комплекс инженерно-геодезических изысканий. Затронут вопрос геодезического контроля и сроках сдачи исполнительных съёмок.
13307. Розробка програмного забезпечення для візуалізації управління технологічною ділянкою 1.32 MB
  Лабораторна робота №5 Розробка програмного забезпечення для візуалізації управління технологічною ділянкою Тема: Дослідження мікропроцесорного контролера МІК51 для керування технологічною ділянкою Мета: Навчитись працювати з мікропроцесорного контролера МІК5...
13308. Дослідження автоматичної системи регулювання на базі регуляторів ТРМ-101 548 KB
  Лабораторна робота №4 Дослідження автоматичної системи регулювання на базі регуляторів ТРМ101 Тема: Вивчення і дослідження автоматичної системи позиційного регулювання Мета: Навчитись працювати з універсальним локальним регулятором ТРМ101 в якості системи пози
13309. Вивчення і дослідження автоматичної системи позиційного та ПИД регулювання 1.5 MB
  Тема: Вивчення і дослідження автоматичної системи позиційного та ПИД регулювання. Мета: Навчитись працювати з регуляторами температури одно канальний РТпозиційний та двоканальний РТПИД фірми ТЕРА. Вступ Автоматизація повсюдно рахується головним найбільш персп...
13310. Дослідження мікропроцесорного контролера МІК-51 для каскадного керування технологічною ділянкою 1.19 MB
  Лабораторна робота №1 Дослідження мікропроцесорного контролера МІК51 для каскадного керування технологічною ділянкою Тема: Дослідження мікропроцесорного контролера МІК51 для керування технологічною ділянкою Мета: Навчитись працювати з мікропроцесорного контр
13311. Дослідження локального регулятора SIPARD DR21 для керування технологічною ділянкою 1.8 MB
  Тема: Дослідження локального регулятора SIPARD DR21 для керування технологічною ділянкою Мета: Навчитись працювати з локальними регуляторами SIPARD DR21 для керування технологічною ділянкою 1. Вступ Автоматизація виробництва завжди була однією з основних складових
13312. Исследование взаимосвязи содержания Я-концепция ребёнка с ДЦП с характером отношения родителей к болезни ребёнка 197.5 KB
  Очевидно, что семья играет важную роль в адаптации и интеграции ребенка в общество. Для гармоничного развития ребенка большое значение имеет и психологический микроклимат в семье. Семья, в которой живет «особый» ребенок, оказывается особой группой
13314. Дослідження характеристик регулюючих органів 1.41 MB
  Лабораторна робота №6 Тема: Дослідження характеристик регулюючих органів Мета: Навчитись вибирати регулюючі органи в залежності від вимог до системи управління 1.Вступ Автоматизація виробничих процесів створює певні технікоекономічні переваги у всіх галу