Определение термодинамических параметров пара при расчетах турбины

Проект паровой турбины

методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Энергетические машины» (Часть 2. Паровые турбины ТЭС и АЭС) для студентов специальности 10.14.00 – Турбостроение специализации 10.14.03 - "Газотурбинные установки газокомпрессорных станций"

Екатеринбург 2000

УДК 621.165

Составители Е.В. Урьев, С.В. Жуков

Научный редактор доц. Е.Э. Вульфов

Проект паровой турбины: Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Энергетические машины» (Часть 2. Паровые турбины ТЭС и АЭС)/ Е.В. Урьев, С.В. Жуков. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 58 с.

Изложена методика основных этапов проектирования многоступенчатой паровой турбины, включающая тепловой расчет турбины и расчет на прочность некоторых деталей. В первой части приводятся методы определения параметров пара при расчетах турбины. Описаны способы выбора и расчета регулирующей ступени, определения числа нерегулируемых ступеней, распределения теплоперепадов между ними и детального их расчета. Во второй части приведены свойства некоторых материалов, используемых в турбостроении, и изложены методики прочностных расчетов рабочих лопаток и определения критической частоты вращения ротора.

Библиогр.: Рис. 10. Табл. 11.

Подготовлено кафедрой "Турбины и двигатели".

ã Уральский государственный

технический университет, 2000

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение                                                                                                    4

ЧАСТЬ I. Тепловой расчет паровой турбины                    6

1. Определение термодинамических параметров пара при расчетах турбины 6

2. Построение предполагаемого процесса паровой турбины в h, s-диаграмме 8

3. Тепловой расчет регулирующей ступени                                            14

4. Определение числа нерегулируемых ступеней. Распределение теплоперепадов между ступенями.                                                                                        26

5. Детальный расчет ступеней давления.                                                 31

6. Выбор схемы и расчет концевых уплотнений                                    37

Часть II. Расчеты на прочность деталей турбины      41

7. Материалы в турбостроении                                                                 41

8. Расчет рабочих лопаток на прочность                                                 42

Расчет шипа и ленточной бандажной связи                                 43

Расчет пера лопатки на растяжение                                              47

Расчет лопатки на изгиб от парового усилия                              48

Расчет Т-образного хвостовика                                                      53

9. Расчет критической частоты вращения вала                                      56

Введение

Целью курсового проекта является закрепление знаний студентов по дисциплинам “Паровые турбины” и “Динамика и прочность турбомашин”, получение навыков в расчете и конструировании турбины в целом. Объектом проектирования является одноцилиндровая турбина с противодавлением или цилиндр высокого давления (ЦВД) турбины большой мощности.

Объем курсового проектирования включает в себя расчетную и графическую части.

Расчетная часть курсового проекта паровой турбины предусматривает выполнение тепловых расчетов проточной части и прочностных расчетов основных деталей турбины. Расчетная часть, дополненная описанием спроектированной турбины, оформляется в виде пояснительной записки.

Объем тепловых расчетов предусматривает: расчет и построение предполагаемого процесса в тепловой диаграмме; выбор типа регулирующей ступени и детальный расчет ее проточной части; выбор числа нерегулируемых ступеней, распределение теплоперепада между ними и детальный расчет проточной части двух первых ступеней; выбор схемы и расчет концевых лабиринтных уплотнений.

Объем прочностных расчетов предусматривает: поверочные расчеты на статическую прочность лопатки и бандажа; оценку критической частоты вращения ротора.

Графическая часть включает в себя следующие чертежи: продольный разрез паровой турбины; поперечный разрез турбины (сечение проводится ступенчато по камере регулирующей ступени и одному из подшипников); проточная часть регулирующей и первой нерегулируемой ступеней в двух проекциях (разрез и развертка по профилю лопаток). Первые два чертежа выполняются в масштабе 1 : 10, третий - в масштабе 1 : 1 или 1: 2.

Темы курсового проекта охватывают турбины с противодавлением мощностью от 10 000 до 100 000 кВт или цилиндры высокого давления современных конденсационных или теплофикационных турбин. В зависимости от этого задаются соответствующие исходные данные.

Для противодавленческой турбины задаются:

- давление пара перед стопорным клапаном Р₀, МПа (бар);

- температура пара перед стопорным клапаном t₀, ^оС;

- давление пара на выходе из турбины Р_к, МПа (бар);

- электрическая мощность N_эл , кВт;

- частота вращения n, с^-1;

- тип регулирующей ступени.

Для цилиндра высокого давления паровой турбины, дополнительно к трем первым пунктам, задаются прототип турбины и расход пара на турбину         G, кг/с. Частота вращения и тип регулирующей ступени принимаются по прототипу.

Часть I. Тепловой расчет паровой турбины

Определение термодинамических параметров пара при расчетах турбины

При расчетах процессов расширения пара может быть использована одна из следующих методик или их комбинация:

- расчет с использованием стандартных h, s-диаграмм для водяного пара;

- расчет с использованием таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара;

- расчет с использованием уточненных уравнений состояния воды и водяного пара, применяемых для машинных расчетов и обеспечивающих точность согласно таблицам свойств водяного пара;

- расчет по формулам, основанным на теории идеального пара;

- расчет по упрощенным зависимостям свойств водяного пара.

Ранее на турбостроительных заводах для расчетов использовались       h, s-диаграммы, выполненные в крупных масштабах. Мелкомасштабные диаграммы не позволяют выполнить расчеты с необходимой точностью.

В настоящее время на заводах и в других проектных организациях свойства и параметры водяного пара рассчитываются с использованием ЭВМ по точным аналитическим зависимостям. Однако эти зависимости достаточно сложны, и расчеты по ним трудоемки.

Расчеты процессов в турбине с использованием таблиц свойств пара также достаточно трудоемки и не очень удобны для расчетов на ЭВМ.   

Методика, основанная на теории идеального пара не всегда обеспечивает необходимую точность даже в области перегретого пара, т.к. газовая постоянная R для водяного пара зависит от давления и температуры. При переходе процесса в область влажного пара эта методика приводит к очень существенным и часто недопустимым ошибкам.

Для курсового проектирования, учитывая, что проектируемая турбина или цилиндр работает на перегретом паре, наиболее применима комбинация методик расчетов с использованием как теории идеального пара, так и по приближенным формулам. В отдельных случаях, например для определения температуры пара, целесообразно использование таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. При расчетах предлагается использовать следующие зависимости.

1.1. Располагаемый теплоперепад  при расширении от давления   до   определяется по формуле

                             ,             (1.1)  где  – показатель адиабаты, приближенно может быть принят для перегретого пара равным 1,3.

1.2. Давление  в конце процесса расширения от давления  и при заданном располагаемом теплоперепаде определяется так:

                         .                         (1.2)

     1.3. Удельный объем пара v при заданных значениях энтальпии  и давлении  определяется по формуле

              .                    (1.3)

1.4. Температура пара при заданных значениях энтальпии  и давлении  определяется по таблицам.

1.5. Параметры торможения (давление и удельный объем заторможенного потока)  и   при заданных параметрах потока  и   и скорости потока , не превышающей 150 м/с, могут быть определены следующим образом:

                                ,                                           (1.4)

                                          .                                          (1.5)

Размерность входящих в формулы (1.1) - (1.5) параметров:  – МПа;        – м³/кг;  и – кДж/кг; – м/с.