Расчет турбины к-50-90

1 Задание и  исходные данные на курсовой  проект

 

В данном курсовом проекте производится расчет проточной  части одноцилиндровой турбины. Основные части курсового проекта  включают следующее: предварительное  построение процесса расширения турбины  и определение расхода пара; выбор  типа регулирующей ступени; предварительный  расчет нерегулируемых ступеней, в  ходе которого определяются размеры  лопаток ступеней и их срабатываемые теплоперепады; детальный расчет проточной части; расчет закрутки последней ступени; расчет на прочность в ходе которого определяются основные усилия, действующие на лопатку, диафрагму и осевое усилие на всю турбину. По окончании расчета выполняется индивидуальное задание по организации нерегулируемого отопительного отбора.

Для выполнения расчетов потребуются исходные данные, которые приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 – Исходные данные (вариант №19)

 

Номинальная электрическая  мощность , МВт	Давление острого пара перед стопорными клапанами , бар	Температура острого пара ,	Конечное давление пара , бар	Прототип турбины
50	70	540	0,04	К-50-90

 

 

2 Предварительный  расчет

 

2.1 Определение экономической мощности  и оценка расхода пара

 

Проточная часть  проектируется на экономическую  мощность, которая определяется в  зависимости от назначения турбины. Для турбин малой и средней  мощности экономическая мощность определяется по следующей формуле, кВт:

 

        (2.1)

 

Давление  перед соплами регулирующей ступени  с учетом потерь в стопорных и  регулирующих клапанах, бар:

 

     (2.2)

 

Давление за последней ступенью с учетом потерь в выхлопном патрубке, бар:

 ,  (2.3)

где ;

      – скорость потока в выхлопном патрубке, м/с.

 

  

Найдем начальную  энтальпию  по давлению и температуре острого пара, кДж/кг [2]:

          (2.4)

 

Располагаемый теплоперепад турбины, кДж/кг [2]:

 

  (2.5)

 

Начальная энтальпия  перед соплами регулирующей ступени, кДж/кг [2]:

 

        (2.6)

 

Располагаемый теплоперепад проточной части, кДж/кг [2]:

                            (2.7)

 

Для определения  КПД отсеков турбины оценивается  в первом приближении расход пара (без учета регенеративных и регулируемых отборов), кг/с:

,    (2.8)

 

где – относительный электрический КПД, в первом приближении принимается по [1]: 

 

= 0,84

 

 

 

2.2 Выбор типа регулирующей ступени  и ее теплоперепада

 

В турбинах с  сопловым парораспределением применяют одно- и двухвенечные регулирующие ступени. Двухвенечная ступень способна перерабатывать значительно более высокие теплоперепады, чем одновенечные, что позволяет уменьшить число нерегулируемых ступеней турбины и упростить ее конструкцию. С другой стороны, высокий теплоперепад, назначаемый на двухвенечную ступень с пониженным КПД, приводит к снижению КПД всей турбины.

Выбираем двухвенечную регулирующую ступень. Задаем теплоперепад, срабатываемый в регулирующей ступени, кДж/кг:

 

 

Фиктивная скорость для регулирующей ступени определяется по следующему выражению, м/с:

 

   (2.9)

 

Окружная скорость, м/с:

 

,    (2.10)

 

где – оптимальное отношение скоростей, принимаем 0,4.

 

Средней диаметр  ступени, м:

 

,    (2.11)

 

где – число оборотов, об/мин.

 

Теплоперепад, срабатываемый в сопловой решетке определяется из следующего выражения, кДж/кг:

 

,   (2.12)

 

где – суммарная степень реактивности для одновенечных ступеней, принимаем 0,03

 

Абсолютная теоретическая скорость истечения из сопел, м/с:

 

   (2.13)

 

Проходная площадь  сопловой решетки, м²:

 

,   (2.14)

 

где  – удельный объем пара за сопловой решеткой, м³/кг [2];

 – коэффициент расхода  сопловой решетки.

 

Произведение  степени парциальности и высоты сопловых лопаток, м:

 

,  (2.15)

 

где – эффективный угол сопловой решетки.

 

 

 

Степень парциальности:

 

,    (2.16)

 

где – для одновенечной ступени.

 

 

Высота сопловых лопаток, м:

 

                                                                  (2,17)

 

2.3 Построение процесса расширения турбины. Уточнение расхода пара

 

КПД регулирующей ступени подсчитывается по формуле:

 

      ,      (2.18)

 

где – удельный объем пара перед соплами регулирующей ступени, м³/кг [2].

 

 

Полезно использованный теплоперепад, кДж/кг:

 

   (2.19)

 

 

       Средний удельный объем для ЧВД, м³/кг:

 

   (2.20)

 

Определим КПД ЧВД:

 

,   (2.21)

 

 

Полезно использованный теплоперепад ЧВД, кДж/кг:

 

   (2.22)

 

Средний удельный объем для ЧСД, м³/кг:

 

   (2.23)

 

Определим КПД  ЧСД:

 

,   (2.24)

 

где – коэффициент, учитывающий влияние влажности:

 

                                                                                                     

 

                  (2.25)

 

 

Полезно использованный теплоперепад ЧСД, кДж/кг:

 

   (2.26)

 

 

 

Определим КПД  ЧНД:

 

,    (2.28)

 

где – относительная потеря с выходной скоростью ЧНД:

 

,      (2.29)

 

где – для турбин малой и средней мощности, кДж/кг, принимаем 20.

 

 

           (2,30)

 

Полезно использованный теплоперепад ЧНД, кДж/кг:

 

   (2.31)

 

Полезно использованный теплоперепад турбины, кДж/кг:

 

,    (2.32)

 

где – полезно использованный теплоперепад регулирующей ступени, кДж/кг.

 

 

Уточняем расход пара на турбину, кг/с:

,     (2.33)

 

где   – КПД механический;

 – КПД генератора.

 

 

 

Рисунок 2.2 – Процесс расширения пара в  проточной части турбины

 

 

2.4 Определение предельной мощности 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. Предельная мощность, МВт:

 

 

,    (2.34)

 

где – коэффициент, учитывающий влияние отборов пара на регенерацию;

 – учитывает снижение напряжений растяжения в лопатке за счет уменьшения её сечения от корня до периферии, принимаем 2,2;

 – допустимое напряжение  в лопатках, МПа, для титановых  сплавов;

 – плотность материала  лопаток, кг/м³, для титановых сплавов;

 – КПД турбины 0,84:

 

 – скорость выхода из  последней ступени, м/с:

 

   (2.35)

 

 – располагаемый теплоперепад турбины, кДж/кг;

 – частота вращения ротора, 1/с;

 – удельный объем за  последней ступенью турбины, м³/кг [2].

 

 

Так как – турбина однопоточная, с одним выхлопом.

 

 

2.5 Предварительный расчет нерегулируемых  ступеней. Определение числа нерегулируемых  ступеней и их теплоперепадов. Оценка эффективных углов последних ступеней отсеков

 

Предварительный расчет сводится к выбору закона изменения корневого  диаметра цилиндров турбины, определению  числа ступеней, их среднего диаметра и теплоперепадов.

Одно из главных требований к проточной части – обеспечение  плавности корневого и периферийного  обводов во избежание неоправданных потерь. Как правило, турбины проектируются по выбранному закону изменения корневых диаметров ступеней, а не средних. Обычно в ЧВД и ЧСД , а в ЧНД может изменяться по любому закону. Постоянство корневого диаметра позволяет унифицировать хвостовое крепление лопаток и обточку дисков ротора.

 

 

 

2.5.1 Предварительный расчет ЧВД

 

Проектирование  ЧВД начинается с определения  средних диаметров первой и последней  нерегулируемых ступеней. Диаметр первой ступени принимаем несколько меньше диаметра регулирующей ступени, м:

 

,      (2.39)

 

где , м, принимаем 0,075.

 

 

Задаем степень  реактивности, эффективный угол, коэффициент скорости и расхода для первой ступени ЧВД:

 

;

;

;

.

 

Оптимальное отношение скоростей:

 

   (2.40)

 

 

 

Теплоперепад первой ступени, кДж/кг:

 

   (2.41)

 

Теоретическая скорость истечения из сопловой решетки, м/с:

 

,  (2.42)

 

где – теплоперепад сопловой решетки, кДж/кг:

 

   (2.43)

 

Площадь проходного сечения сопловой решетки, м²:

 

,    (2.45)

 

где – удельный объем пара за сопловой решеткой, м³/кг [2].

 

 

Высота сопловой решетки, м:

 

  (2.46)

 

Высота рабочей  решетки, м:

 

,      (2.47)

 

где – суммарная перекрыша, м, принимаем 0,003 [1].

 

 

Корневой  диаметр первой ступени, м:

 

    (2.48)

 

Корневой  диаметр принимается постоянным во всех ступенях ЧВД. Средний диаметр последней ступени ЧВД определяется по упрощенному уравнению неразрывности:

 

,     (2.49)

 

где – средний диаметр последней ступени ЧВД, определяется из выражения, м:

 

,      (2.50)

 

 – высота рабочих лопаток  последней ступени, м;

 – удельный объем за  первой ступенью, м³/кг [2];

 – удельный объем за  последней ступенью, м³/кг [2];

 – степень парциальности первой и последней ступени соответственно.

 

 

Решая квадратное уравнение, находим:

 

;

.

 

Степень реактивности последней ступени:

 

,           (2.51)  

 

где – степень реактивности в корневом сечении, принимаем 0,04.

 

Принимаем эффективный угол выхода потока из сопловой решетки последней ступени .

 

Отношение скоростей:

 

  (2.52)

 

 

 

Определим изменение  параметров и характеристик по ступеням.

Для этого необходимо разбить ЧВД на 5 ступеней (таблица 2.1), и найти теплоперепады каждой ступени по формуле, кДж/кг:

 

 

Таблица 2.1 –  Характеристики ступеней

 

Характеристики
	1	2	3	4	5
	0,48	0,483	0,487	0,49	0,494
, м	0,944	0,952	0,96	0,969	0,977
, кДж/кг	47,581	47,728	47,874	48,018	48,16

Среднеарифметический теплоперепад одной ступени, кДж/кг:

 

     (2.53)

 

 

 

Число ступеней:

 

,     (2.54)

 

где – коэффициент возврата тепла.

 

                   

 

 

Округляем количество ступеней до ближайшего целого. Так как число ступеней 10, то пересчет числа ступеней требуется. Для этого необходимо разбить ЧВД на 10 ступеней (таблица 2.2), и найти теплоперепады каждой ступени.