Курсовая работа по предмету «Турбины ТЭС и АЭС»
РАСЧЁТ СТУПЕНИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ В ОДНОМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ
Студент ___________ Игнатьев А. В. Группа 3037/1
Преподаватель _________________ доц. Гаев В. Д.
Введение
Паровая турбина – наиболее распространённый тип агрегата, преобразующего тепловую энергию пара в механическую энергию вращения вала на крупных тепловых и атомных электрических станциях. Паровые турбины отличаются большой производительностью, высоким (по сравнению с ГТУ) КПД, возможностью применения дешёвого рабочего тела (воды) при сжигании в паровом котле топлива любого типа и сорта. К недостаткам паровых турбин можно отнести сложность конструкции, высокие требования к коррозионной и износостойкости (особенно на ступенях низкого давления, где пар влажный), достаточно большие габариты, а следовательно, высокую себестоимость.
Основной цикл современных паротурбинных установок – цикл Ренкина, реализуемый обычно с перегревом пара (рис. 1). Процесс в турбине можно в первом приближении считать адиабатическим.
Паровая турбина может иметь один или несколько цилиндров высокого, среднего и низкого и давления. В каждом цилиндре пар расширяется в нескольких ступенях. Ступень паровой турбины состоит из венца направляющих лопаток, укреплённых на корпусе цилиндра, и венца рабочих лопаток, установленных на роторе. Направляющие лопатки служат для придания струям пара оптимального направления; через рабочие лопатки ротору сообщается кинетическая энергия. Ступень называется активной, если пар не расширяется в рабочих лопатках, и реактивной в противном случае.
Реальный процесс в турбинной ступени не изоэнтропен. Необратимые потери снижают КПД ступени и повышают температуру пара на выходе из неё. График процесса турбины изображён на рис. 2. Скачки энтальпии связаны с измерением скорости потока на разных участках относительно движущихся и неподвижных деталей.
Расчёт паровой турбины состоит, вообще говоря, из трёх этапов: одномерный – в предположении, что параметры пара изменяются только вдоль оси, двумерный – при рассмотрении изменения свойств пара по радиусу, и трёхмерный – описание движения пара по профилю канала. Наиболее прост и обычно имеет наибольшее влияние первый этап, который здесь и рассматривается.
В данной работе решается прямая задача расчёта турбинной ступени: по известной геометрии ступени рассчитываются параметры внутри неё и её рабочие показатели. Обратная задача – построение ступени по требуемым характеристикам; она обычно очень сложна и решается на основе прямой методом последовательных приближений.
Исходные данные
Согласно заданию преподавателя, к расчёту приняты следующие исходные данные.
Таблица 1. Исходные данные
Наименование параметра
|
Обозначение
|
ЕИ
|
Значение
|
Турбина
|
К‑300‑240
|
Цилиндр
|
ЦВД с реактивными лопатками
|
Частота оборотов вала
|
n
|
об/мин
|
3000
|
Расход пара через ступень
|
G
0
|
т/час
|
897,5800
|
кг/с
|
249,3277
|
Расход пара через направляющие лопатки (без расхода в зазоры)
|
G
1
|
т/час
|
882,1713
|
кг/с
|
245,0476
|
Расход пара через рабочие лопатки (без расхода в зазоры)
|
G
2
|
т/час
|
880,3596
|
кг/с
|
244,5443
|
Давление на входе в ступень
|
P
0
|
атм
|
152,6769
|
бар
|
154,6999
|
Температура на входе в ступень
|
t
0
|
°C
|
476,4
|
T
0
|
K
|
749,55
|
Угол наклона абсолютной скорости выхода пара из направляющего аппарата
(см. рис. 3, 4)
|
α1
|
град.
|
15,347
|
рад
|
0,26786
|
Скоростной коэффициент сопла
|
φ
|
―
|
0,9771
|
Угол наклона относительной скорости выхода пара из рабочего аппарата
|
β2
|
град.
|
16,010
|
рад
|
0,27943
|
Скоростной коэффициент рабочих лопаток
|
ψ
|
―
|
0,9668
|
Средний диаметр направляющего аппарата
|
D
1
|
м
|
0,8035
|
Средний диаметр рабочего аппарата
|
D
2
|
0,8050
|
Длина направляющих лопаток
|
L
1
|
0,0535
|
Длина рабочих лопаток
|
L
2
|
0,0550
|
Коэффициент расхода направляющих лопаток
|
μc
нл
|
―
|
0,9700
|
Коэффициент расхода рабочих лопаток
|
μc
рл
|
―
|
0,9626
|
Расчёт
Расчёт произведён в таблице 2. Нумерация строк таблицы ведётся по используемой методике. По давлениям P
1
и P2
проводятся итерации до совпадения расхода через соответствующие лопатки при выбранном перепаде с заданным.
Основной задачей расчёта является определение показателей ступени: степени реактивности ρт
, относительного КПД на лопатках ηu
и мощности ступени N.
Таблица 2. Ход расчёта
№ п.
|
Формула
|
ЕИ
|
Вычисление и результат
|
Расчёт направляющего аппарата
|
4
|
|
кДж/кг
|
3233,68
|
5
|
|
м³/кг
|
0,01904
|
6
|
|
|
6,2343
|
10
|
|
м²
|
|
12
|
|
м/с
|
|
15
|
|
МПа
|
По рекомендации преподавателя, принимаем
|
16
|
|
кДж/кг
|
3223,92
|
17
|
|
м³/кг
|
0,01954
|
18
|
|
кДж/кг
|
|
19
|
|
м/c
|
|
20
|
|
кг/с
|
|
21
|
Сравниваем
и
|
|
22
|
Уточняем P
1
:
и возвращаемся к п. 16
|
МПа
|
|
16
|
|
кДж/кг
|
3224,98
|
17
|
|
м³/кг
|
0,01953
|
18
|
|
кДж/кг
|
|
19
|
|
м/c
|
|
20
|
|
кг/с
|
|
21
|
Сравниваем
и
|
– точность достаточна
|
23
|
|
м/c
|
|
24
|
|
кДж/кг
|
|
25
|
|
кДж/кг
|
|
26
|
|
°C
|
470,95
|
27
|
|
м³/кг
|
0,01954
|
28
|
|
кДж/кг
|
6,235
|
29
|
|
м/c
|
|
30
|
|
м/c
|
|
31
|
|
м/c
|
|
32
|
|
м/c
|
|
33
|
Если
, то
|
град
|
|
рад
|
1,462
|
Расчёт рабочего колеса
|
37
|
|
м2
|
|
39
|
|
м/c
|
3,14 cdot 0,805 cdot 3000/60=126,45
|
42
|
|
кДж/кг
|
|
43
|
|
МПа
|
По рекомендации преподавателя, принимаем
|
44
|
|
кДж/кг
|
3215,69
|
45
|
|
м³/кг
|
0,02001
|
46
|
|
кДж/кг
|
|
47
|
|
м/c
|
|
48
|
|
кг/с
|
|
49
|
Сравниваем
и
|
|
50
|
Уточняем P2
:
и возвращаемся к п. 44
|
МПа
|
|
44
|
|
кДж/кг
|
3216,43
|
45
|
|
м³/кг
|
0,01997
|
46
|
|
кДж/кг
|
|
47
|
|
м/c
|
|
48
|
|
кг/с
|
|
49
|
Сравниваем
и
|
|
50
|
Уточняем P2
:
и возвращаемся к п. 44
|
МПа
|
|
44
|
|
кДж/кг
|
3216,50
|
45
|
|
м³/кг
|
0,01996
|
46
|
|
кДж/кг
|
|
47
|
|
м/c
|
|
48
|
|
кг/с
|
|
49
|
Сравниваем
и
|
|
50
|
Уточняем P2
:
и возвращаемся к п. 44
|
МПа
|
|
44
|
|
кДж/кг
|
3216,52
|
45
|
|
м³/кг
|
0,01996
|
46
|
|
кДж/кг
|
|
47
|
|
м/c
|
|
48
|
|
кг/с
|
|
49
|
Сравниваем
и
|
– точность достигнута.
|
51
|
|
м/c
|
|
52
|
|
м/с
|
|
53
|
|
м/с
|
|
54
|
|
м/c
|
|
55
|
|
м/c
|
|
56
|
Если c
2u
> 0, то
. Если c
2u
<
0, то
|
град
|
|
57
|
|
кДж/кг
|
|
58
|
|
кДж/кг
|
|
59
|
|
кДж/кг
|
3225,25−8,16 = 3217,09
|
60
|
|
кДж/кг
|
3217,09−35,43²/2000 = 3216,46
|
61
|
|
кДж/кг
|
3216,09
|
62
|
|
кДж/кг
|
3233,68−3216,09 = 17,59
|
63
|
|
−
|
8,16/17,59 = 0,476
|
65
|
|
−
|
16,88/17,59 = 0,9596
|
66
|
|
кВт
|
|
Заключение
В ходе работы были рассчитаны в одномерном приближении показатели паровой турбины, исходя из её геометрических особенностей и входных параметров. Видим, что степень реактивности ступени, характеризующая соотношение между напором пара на выходе и располагаемым перепадом энтальпии потока, ρт
= 0,476 (реальную ступень считают активной, когда ρт
< 0,15 – 0,2, т. е. большая часть используемой тепловой энергии пара переходит в его кинетическую энергию). КПД ступени ηu
= 0,9596 – важнейший технико-экономический показатель. Как видим, он значительно превосходит КПД установки в целом; однако даже у идеальной ступени не может быть 100%‑ного КПД, поскольку скорость выхода из рабочих лопаток не может быть нулевой, а с ней выносится кинетическая энергия пара. Также определена мощность, вырабатываемая ступенью, Nu
|