Преобразование потенциальной энергии в ступени турбины

Билет №1

Принцип действия паровой турбины.

Парова́я турби́на — тепловой двигатель, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу.

В лопаточном аппарате паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины.

Пар от парогенератора поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Паровая турбина состоит из двух основных частей. Ротор с лопатками — подвижная часть турбины. Статор с соплами — неподвижная часть.

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения.

По числу цилиндров турбины подразделяют на одноцилиндровые и двух—трёх-, четырёх-пятицилиндровые. Многоцилиндровая турбина позволяет использовать бо́льшие располагаемые тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней давления, применить высококачественные материалы в частях высокого давления и раздвоение потока пара в частях среднего и низкого давления. Такая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. Поэтому многокорпусные турбины используются в мощных паротурбинных установках.

По числу валов различают одновальные, двувальные, реже трёхвальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором). Расположение валов может быть как соосным, так и параллельным - с независимым расположением осей валов.

Неподвижную часть — корпус (статор) — выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности выемки или монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм, разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса турбины. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы (решётки), образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему.

В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек пара наружу (со стороны высокого давления) и засасывания воздуха в корпус (со стороны низкого). Уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел.

На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий турбину при увеличении частоты вращения на 10—12 % сверх номинальной.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на 3 основные группы:

- конденсационные - без регулируемых (с поддержанием давления) отборов пара;

- теплофикационные - с регулируемыми отборами пара;

- турбины специального назначения.

 

Основы эксплуатации.

 

Турбинная установка может работать в самых различных режимах. Прежде всего эти режимы можно разделить на стационарные и нестационарные.

Стационарный режим соответствует работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке. В этом режиме параметры пара в проточной части и температурное состояние ее деталей не изменяются во времени. В свою очередь стационарная работа может происходить при номинальной или частичной нагрузке. Под номинальной мощностью понимают мощность, которую должен длительно развивать турбоагрегат при номинальных значениях всех основных параметров: начальных давлении, температуре и расходе свежего пара, температуре промежуточного перегрева, температуре питательной и охлаждающей воды.

При нестационарных режимах в той или иной степени изменяется тепловое состояние турбоагрегата. Наиболее сложным нестационарным режимом является пуск ПТУ, включающий многочисленные операции перед толчком ротора паром, разворот ротора до холостого хода, включение генератора в сеть и набор заданной нагрузки.

При холостом ходе энергия пара, поступающего в турбину, тратится только на поддержание ее номинальной частоты вращения, то есть расходуется на преодоление трения в подшипниках и о паровую среду; КПД турбоагрегата при этом равен нулю.

К нестационарным режимам относят также резкие изменения нагрузки (сброс и наброс) и остановки турбины.

Кроме того, каждый турбоагрегат должен быть приспособлен к аварийным режимам. Любые нестационарные режимы всегда связаны со снижением надежности и экономичности энергетического оборудования. Задача эксплуатационного персонала состоит в том, чтобы вести эти режимы в строгом соответствии с инструкциями, составленными на основе расчетов и опыта эксплуатации аналогичного оборудования.

Быстрое изменение расхода пара и, следовательно, давления в проточной части опасно для турбоустановок, имеющих большие аккумулирующие емкости пара (СПП, ПВД, ПНД, трубопроводы отборов). В этом случае осевые усилия, приложенные к роторам ЦВД и ЦНД, изменяются во времени по разному и это приводит к появлению значительной неуравновешенной осевой силы.

К еще большим последствиям приводит изменение температуры в проточной части.

При нестационарных режимах наиболее важными являются следующие взаимные деформации деталей:

- продольное расширение или сокращение ротора относительно статора;

- тепловой изгиб ротора;

- деформация корпуса вследствие несимметричного прогрева.

При быстром повышении температуры пара ротор турбины нагревается быстрее, чем корпус, поскольку его масса меньше, а поверхность и интенсивность теплообмена с паром значительно больше. Поэтому ротор расширяется быстрее статора и это вызывает опасность осевых задеваний в проточной части. При подаче в турбину пара с температурой более низкой, чем температура ее деталей, происходит сокращение ротора относительно статора. Это явление еще более опасно, чем относительное расширение ротора, поскольку осевые зазоры между рабочим диском и предшествующей по ходу пара диафрагмой всегда меньше, чем между диском и стоящей за ним диафрагмой.

Тепловой изгиб ротора возникает при его несимметричном прогреве или остывании в режимах пуска или останова турбины.

Неравномерный нагрев корпуса турбины по окружности приводит к его изгибу вследствие того, что более нагретые образующие корпуса расширяются сильнее, чем менее нагретые. Каждые 10 градусов разности температуры верха и низа создают прогиб корпуса вверх на 0,13 - 0,15 мм. При большой разности возникает опасность задеваний между ротором и гребешками уплотнений, расположенными в нижних частях диафрагм. Такой же прогиб корпуса турбины может произойти из-за неодинакового нагрева фланцев: при более нагретых верхних фланцах корпус изгибается вверх.

При неравномерном прогреве возникают температурные напряжения. Их многократное повторение при каждом пуске, остановке или резком изменении нагрузки приводит к появлению в деталях трещин малоцикловой усталости. в некоторых случаях высокие температурные напряжения могут вызвать хрупкое разрушение детали. Особенно опасными они являются для роторов ЦНД тихоходных турбин насыщенного пара, большие размеры которых способствуют появлению в них значительных температурных напряжений даже при невысокой температуре пара.

 

Аварии лопаток.

Лопатки турбины - сопловые и, особенно, рабочие - самая дорогая и уязвимая часть турбины. Поломки лопаток во всех турбинах - источник основных аварий и простоев.

Повреждения и разрушения лопаток происходят вследствие:

- водяных ударов, попадания в проточную часть посторонних предметов и задеваний о детали статора;

- недостаточной статической прочности, приводящей к отрыву рабочих лопаток, бандажей и проволочных связей;

- усталости материала лопаток, вызываемой переменными напряжениями из-за вибрации рабочих лопаток;

- коррозионной усталости и эрозионного износа.

Для исключения возможности попадания в турбину посторонних предметов (сварочного грата, например) из паропроводов свежего пара на стопорных клапанах ЦВД ставят защитные сетки - паровые сита.

Паровые сита не могут защитить турбину и от посторонних предметов, забытых в проточной части после ее ремонта или случайно уроненных в нижнюю часть корпуса: крепежных деталей, инструмента и т.д. Посторонний предмет даже самого малого размера может быть источником серьезной аварии. Такая авария может развиваться лавинообразно: лопатки, разрушенные вследствие попадания в проточную часть постороннего предмета, сами становятся источниками разрушений в последующих ступенях.

Задевания вращающихся рабочих лопаток о неподвижные могут произойти вследствие осевого сдвига ротора, большего его удлинения или укорочения относительно корпуса, например, при нарушении режима пуска. Радиальные задевания могут также возникать при изгибе вращающегося ротора или короблении корпуса.

Отрыв лопатки от диска может произойти только в результате грубых нарушений технологии их производства или эксплуатации. К отрыву лопаток может привести значительное превышение частоты вращения при сбросе нагрузки или при разгоне из-за некачественной работы системы регулирования или неплотности регулирующих и защитных органов. Особенно опасен обрыв лопаток последних ступеней, развивающих большую центробежную силу. Отрыв даже части массивной лопатки приводит, как правило, к возникновению интенсивной вибрации и необходимости остановки турбины.

В подавляющем большинстве случаев отрыв лопатки является лишь заключительным актом разрушения, начавшегося задолго до его отрыва и, возможно, протекавшего достаточно долгое время. Чаще всего отрыву лопатки предшествует образование трещины. Трещины в рабочих лопатках могут возникать из-за усталости материала лопаток, коррозии, неправильной технологии ремонта и по другим причинам.

К усталости материала рабочих лопаток приводит их вибрация. Как правило, усталостные трещины возникают прежде всего на кромках лопаток и постепенно увеличиваются вглубь сечения. При достижении трещиной критического размера происходит излом лопатки. Трещины возникают, как правило, в местах концентрации напряжений: в отверстиях под бандажную проволоку, в местах перехода от пера к полке в корневом сечении, в поверхностных рисках, царапинах и т.д.

Общая коррозия происходит при наличии в паре кислорода и его соединений, главным образом окиси и двуокиси углерода. Кроме кислорода в паре, поступающем в турбину, содержатся многочисленные оксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, карбонаты, щелочи и т.д. - более 150 соединений. Наиболее агрессивными соединениями являются хлориды и щелочи. В их присутствии на поверхности материала образуются язвы (язвенная коррозия), от которых начинаются трещины. По мере пребывания материала в коррозионно-активной среде снижаются такие характеристики, как предел усталости, предел прочности, вязкость разрушения.

Эрозией называют поверхностное разрушение деталей вследствие механического воздействия капель, пленок и струек, содержащихся в основном паровом потоке.

Наиболее опасной является эрозия рабочих лопаток, снижающая надежность и экономичность ступени и турбины в целом. Наиболее характерными эрозионными повреждениями рабочих лопаток являются износ входных кромок лопаток последних ступеней, износ выходных кромок лопаток последних ступеней и абразивный износ рабочих лопаток первых ступеней турбин.

 

 

Билет №2

Преобразование потенциальной энергии в ступени турбины.

Пар с высокой скоростью из сопловых каналов попадает в каналы рабочей решетки и, обтекая профили, поворачивается. Поток неразрывен, поэтому спинка профиля обтекается быстрее (путь длиннее - скорость больше - давление меньше), а вогнутая часть обтекается медленнее (путь струи меньше - скорость меньше давление больше).

 

Профили рабочих лопаток проектируют и устанавливают так, чтобы давление на вогнутой стороне было больше, чем на спинке. В результате возникает усилие , действующее на профиль и вращающее диск, закрепленный на валу.

Таким образом и осуществляется преобразование энергии в турбинной ступени.

Распределение давлений по поверхности профиля рабочей лопатки приводит к появлению подъемной силы (точно также, как и при обтекании крыльев летательных аппаратов). Эта сила в паровых турбинах называется окружным усилием.

Окружное усилие - полезное усилие, суммируется от лопатки к лопатке и передается ротору турбины.

Так кинетическая энергия потока пара преобразуется в рабочей решетке турбинной ступени в механическую энергию вращения ротора турбины.