Паровые турбины. Часть 1Клапаны и выходные патрубки
Пар от начального состояния пара /?0, г0 (или д:0) до давления в конденсаторе рк или на выходе из турбины с противодавлением р2 проходит не только проточную часть, т. е. последовательно расположенные турбинные ступени, но и ряд других элементов, а именно клапаны, входные и выходные патрубки, перепускные ресиверы.
Очевидно, что экономичность турбины зависит не только от эффективности проточной части, но и от аэродинамического совершенства этих элементов парового тракта. Определение размеров клапанов и патрубков, рациональное их проектирование— необходимый этап конструирования всего агрегата; не зная потерь энергии в клапанах, патрубках и т. п., нельзя достаточно точно определить экономичность всей установки и правильно определить расход пара через турбину при заданной ее мощности.
Основными клапанами турбины являются:
стопорный и регулирующие -на входе;
отсечной и регулирующий — на линии после промежуточного перегрева;
отсечные — перед ЦНД турбин насыщенного и слабоперегретого пара, т. е. после внешней сепарации и промперегрева.
Каждому регулируемому отбору пара в турбинах для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии соответствует регулирующий орган — клапан или поворотная диафрагма (см. гл. 10).
Регулирующие клапаны, так же как регулирующие (поворотные) диафрагмы, во время работы могут быть открыты полностью или частично. Стопорные и отсечные клапаны обычно находятся только в двух положениях —они или закрыты, или полностью открыты.
К клапанам предъявляются общие требования:
обеспечение необходимой плотности в закрытом положении;
по возможности меньшее сопротивление и тем самым меньшие потери энергии при прохождении пара через полностью открытый клапан;
приемлемая величина усилия, требуемого для перемещения клапана;
стабильный характер течения при всех режимах.
Конструкции клапанов разнообразны, и здесь рассматриваются только наиболее типичные из них.
В подавляющем большинстве случаев клапаны выполняются односедельными.
Наиболее простым является тарельчатый клапан, представленный на рис. 5.19, а. Однако такой клапан имеет серьезные недостатки. Для обеспечения плотного прилегания клапана к седлу необходимы большая удельная сила и, следовательно, значительное усилие. Необтекаемая форма проходного сечения при полностью открытом клапане создает значительное аэродинамическое сопротивление. В таком клапане обычно допускаются небольшие скорости пара — до 50—70 м/с, что, естественно, требует увеличения его размеров, а это в свою очередь приводит к повышенным усилиям для его открытия. Это усилие равно
![](/images/parovyeturbiny/image3044.jpg)
Если клапан в месте посадки будет иметь коническую или сферическую форму, то касание клапана с седлом будет происходить по окружности; за счет упругого вдавливания обеспечивается лучшая плотность. Более сложная форма клапана в сочетании с коническим диффузором на выходе (рис. 5.19, б), с одной стороны, создает аэродинамически совершенную форму канала для протекания пара, с другой, позволяет в последующем диффузоре частично использовать кинетическую энергию потока для повышения давления. При этом скорость пара можно увеличить до 100—150 м/с, тем самым примерно вдвое по сравнению с клапаном на рис. 5.19, а сокращается усилие
Поскольку для уменьшения усилия Я необходимо дальнейшее сокращение диаметра клапана <1 и тем самым при заданном объемном пропуске пара увеличение скорости с^ и связанный с этим рост потерь, во многих конструкциях применяются различные способы разгрузки усилий. Примеры таких разгруженных клапанов приведены на рис. 5.19, в — д.
Клапан малого диаметра ^0 открывается первым, в результате чего давление за всем клапаном повышается и тем самым для подъема основного клапана диаметром йх требуется
![](/images/parovyeturbiny/image3046.jpg)
меньшее усилие. Более сложная конструкция разгруженного клапана показана на рис. 5.19, г.
Подъем внутреннего клапана малого диаметра с! вызывает понижение давления над главным клапаном и сокращает усилие, необходимое для отрыва его от седла. В отличие от предыдущей конструкции здесь достигается не повышение давления за основным клапаном, а, наоборот, понижение давления над ним, благодаря чему происходит эффективная разгрузка усилия. В практике турбостроения встречаются и иные способы разгрузки. Относительно малое сопротивление имеет клапан колокольного типа (рис. 5.19, д).
Особое место занимают двухседельные клапаны, в которых посадка клапана осуществляется одновременно по двум плоскостям. Один из возможных типов такого клапана показан на рис. 5.19, е. Хотя такой клапан почти полностью разгружен и поэтому может быть выполнен очень большого размера, однако имеются трудности обеспечения плотности одновременного прилегания на два седла. Двухседельные клапаны применяются, главным образом, в турбинах невысоких начальных параметров, в которых объемные пропуски пара и, следовательно, размеры клапанов велики.
Для того чтобы не суммировать потери давления в двух последовательно расположенных клапанах — стопорном и регулирующем или отсечном и регулирующем, используются объединенные клапаны. Одним из примеров такого клапана
![](/images/parovyeturbiny/image3048.jpg)
является конструкция ХТЗ, показанная на рис. 5.20. Два независимых привода (системы регулирования и защиты) управляют одним клапаном, выполняющим функции стопорного и регулирующего клапанов.
В турбинах насыщенного пара, где из-за малого тешюперепада турбины #о потери давления в клапанах особенно ощутимы, объединенная конструкция стопорного и регулирующего кЛапапов нашла широкое распространение.
В этих же турбинах в качестве стопорных (перед турбиной) и отсечных устройств (после сепарато-ра-промперегревателя перед ЦНД) используются и поворотные заслонки, в которых при полностью открытом положении (рис. 5.21, а) давление пара перед и за ними практически одинаково.
Примерами использования таких заслонок являются конструкция блока стопорного и регулирующего клапанов турбины насыщенного пара К-1000-5,9 ЛМЗ (рис. 5.21 б) и заслонка, применяемая перед ЦНД турбин К-220-4,4 ХТЗ (рис. 5.21, а). Часто используется чашечная конструкция регулирующих клапанов (рис. 4.22, а).
МЭИ разработана конструкция клапана с перфорированной поверхностью (рис. 5.22, б). За счет перфорации, т. е. большого числа отверстий на поверхности клапана, течение в клапанной системе стабилизируется, потери давления сокращаются, надежность клапана и его штока повышается.
При лроектировании турбины в лабораториях проводятся испытания клапанов, в результате которых отрабатывается оптимальная их конструкция, проверяется возможность стабильной (без пульсаций потока) работы и определяются потери, которые учитываются при расчете турбины.
Процесс протекания пара в системе клапан — диффузор в //, ^-диаграмме условно можно изобразить следующим образом (рис. 5.23): пусть на входе (точка О) параметры пара
![](/images/parovyeturbiny/image3050.jpg)
![](/images/parovyeturbiny/image3052.jpg)
![](/images/parovyeturbiny/image3054.jpg)
Ро и /0(или лг0), а давление рх устанавливается в минимальном сечении, где средняя теоретическая скорость равна
![](/images/parovyeturbiny/image3056.jpg)
Пренебрегая потерями от входа в клапан до этого сечения, .можно принять, что точка 1 находится на изоэнтропе. В диффузоре происходит восстановление давления до р0, которое сопровождается потерями энергии, в связи с чем состояние пара на выходе из диффузора определяется не точкой 2, а точкой 2. Если восстановление давления
![](/images/parovyeturbiny/image3058.jpg)
, то потери энергии
На выходе из
состояние пара на входе в сопловую
решетку первой ступени отвечает точке О и параметрам р0 =р2 и И0.
Полные потери энергии при протекании пара в клапанной системе характеризуются величиной
![](/images/parovyeturbiny/image3066.jpg)
Однако, принимая во внимание, что относительная скорость
невелика и обычно меньше 0,2—0,3, аЕ1алогично (2.14) можно записать
![](/images/parovyeturbiny/image3070.jpg)
определяются главным образом конструкцией клапанной системы и составляют обычно ^кл = 0,4-г-0,8.
Для предварительных расчетов турбин потери давления в клапанах и перепускных ресиверах принимаются согласно рекомендациям § 6.4.
= 20-г-45 кДж/кг и могут в некоторых тур-
. Поэтому как частичное
восстановление давления в патрубке, так и дополнительные потери давления в нем могут существенно сказаться на экономичности турбины. С другой стороны, ограниченные размеры патрубка при очень больших объемных пропусках пара Скрк, сложность рационального конструирования его требуют особого подхода к проектированию патрубка и оценки его эффективности.
При проектировании выходного патрубка исходными являются характеристики последней ступени ЦН Д—скорость потока с2, веерность ступени 1/0 и абсолютная величина высоты лопатки /, а также предельные габариты патрубка и расположение конденсатора.
Проектируемый выходной патрубок должен отвечать следующим требованиям:
обеспечивать отвод пара в заданном направлении с минимальными потерями энергии;
обладать требуемой жесткостью, так как при больших размерах на патрубок действует перепад давления, примерно равный Ар = 0,1 МПа;
обеспечивать по возможности равномерное по окружности давление пара за рабочими лопатками последней ступени, поскольку неравномерность этого давления создает дополнительный импульс, действующий на лопатки и увеличивающий в них динамические напряжения;
обеспечивать по возможности равномерное поле скоростей на входе в конденсатор;
при всех режимах работы, т. е. при различных значениях расхода пара Ск и давления рк, должен сохраняться устойчивый характер течения.
В практике энергетического турбостроения применяются несколько вариантов расположения конденсатора относительно турбины и тем самым возможны различные направления потока в патрубке. Наиболее распространенной является конструкция турбины с подвальным конденсатором, представленная схематично на рис. 5.24, а и изображенная на большинстве чертежей в гл. 10. Здесь пар, покидая последнюю ступень, расходится в радиальном и осевом направлениях и затем, поворачивая под прямым углом, направляется в конденсатор, расположенный под турбиной.
Кольцевые конденсаторы (рис. 5.24, б) встречаются редко. Осевой патрубок, когда конденсатор располагается по оси турбины (рис. 5.24, г), может использоваться в однопоточных ЦНД, например в турбинах для ПГУ.
Боковые конденсаторы, расположенные по бокам турбины, когда поток пара, выходящий из последней ступени, делится пополам и направляется не вниз, а вбок (рис. 5.24, в), нашли распространение в некоторых зарубежных и отечественных турбинах. Пример такой конструкции приведен на рис. 10.29. Боковые конденсаторы использованы в турбинах К-1000-5,9/25-1 ХТЗ. Испытания, проведенные на Южно-Украинской АЭС, показали высокую эффективность бокового выходного патрубка.
В патрубках турбин с подвальным и боковым расположением конденсатора происходит не только поворот потока, но и переход от кольцевого входа к прямоугольному или овальному выходу.
Следует отметить, что, как правило, патрубки ограничены в своих осевых размерах, так как увеличение осевого габарита патрубка не только увеличивает длину турбины, удорожая всю установку и увеличивая осевые перемещения, но зачастую технически просто нереализуемо из-за технологической
![](/images/parovyeturbiny/image3078.jpg)
невозможности выполнить ротор столь большого размера, а также из-за уменьшения жесткости ротора. Определенные трудности в проектировании патрубка связаны с расположением опор для подшипников турбины. Эти опоры должны быть весьма жесткими и поэтому часто устанавливаются на специальных фундаментах. Для облегчения ремонта также должен быть обеспечен доступ к подшипникам.
Меридиональное (продольное) сечение типичного патрубка показано па рис. 5.25, а. Корпус патрубка выполнен сварным с горизонтальным разъемом. Нижняя часть патрубка представляет собой прямоугольную коробку, а верхняя имеет наклонную торцевую стенку А В с местным вырезом СДВ, обеспечивающим доступ к подшипнику, который в данной конструкции устанавливается на нижней части патрубка. На выходе из последней ступени с внутренней стороны патрубок ограничен конической втулкой (на рис. 5.25, а показана втулка, образованная двумя коническими поверхностями с углами конусности у1 и у2). Эти ограничивающие поверхности переходят в торцевые стенки патрубка.
В данной конструкции патрубка, который является бездиф-фузорным, даже аэродинамическая отработка его стенок не позволяет обеспечить восстановление давления, т. е. давление на выходе из последней ступени р2т будет выше давления на выходе из патрубка рк.
. Эффективность такого
патрубка обеспечивается главным образом диффузором, расположенным за последней ступенью (рис. 5.25, б). Большое значение имеет увеличение осевого расстояния от последней ступени до торцевых стенок Ь{ и Ь2 и отношение площади выхода из патрубка (входа в конденсатор) к кольцевой площади последней ступени Гвых/С1г. Желательно, чтобы эти размеры были по возможности большими, а именно:
![](/images/parovyeturbiny/image3082.jpg)
Для равномерного распределения потока пара в выходном патрубке необходимы промежуточные вставки, которые должны, направляя поток пара, выходящего из последней ступени, поворачивая его в направлении конденсатора, расположенного под турбиной, по возможности равномерно делить его. Кроме того, по бокам турбины для этого потока должно быть достаточно места, чтобы из-за уменьшения проходного сечения не было местного увеличения скорости пара.
На рис. 5.25, в показан патрубок, использованный ЛМЗ в турбине К-1000-5,9/50 (см. рис. 10.32). В этом патрубке сразу же за последней ступенью происходи! внезапное увеличение проходной площади и вызванное этим уменьшение скорости
![](/images/parovyeturbiny/image3084.jpg)
пара на входе в патрубок. Такая конструкция позволяет избежать существенного снижения эффективности патрубка при больших околозвуковых скоростях на выходе из последней ступени. Дело в том, что эффективность патрубка зависит не только от его геометрических характеристик, но и от условий на входе в патрубок -выходе из последней ступени. Закрутка потока, распределение по радиусу скоростей пара на выходе из ступени и число М, подсчитанное по скорости с2, существенно влияют на протекание пара в выходном патрубке. Если скорость с2а, подсчитанная как средняя по выходной площади, г. е.
![](/images/parovyeturbiny/image3086.jpg)
при проектировании последней ступени (см. ниже, § 6.2). В плохо спроектированных патрубках с большой неравномерностью скоростей на выходе из последней ступени и в самом патрубке, даже при относительно умеренных скоростях, сопротивление патрубка настолько велико, что понижение давления в конденсаторе (при том же расходе пара) не приводит к увеличению теплоперепада последней ступени и не может быть полезно использовано в турбине (см. также § 8.10).
Характеристикой эффективности патрубка является величина относительных потерь (или восстановления) давления
![](/images/parovyeturbiny/image3090.jpg)
При положительной величине ^вос в патрубке происходит восстановление давления, при отрицательной возникают дополнительные потери.
Процесс протекания пара в патрубке в Л, ^--диаграмме представлен на рис. 5.26. Все потери отнесены к величине с2/2, т. е. к потерям с выходной скоростью последней ступени Д^в.с- Эта величина является суммой трех слагаемых—: восстановления давления (которое, как в примере на рис. 5.26, а, может быть отрицательным:.рк<р22), потерь в самом патрубке
![](/images/parovyeturbiny/image3094.jpg)
![](/images/parovyeturbiny/image3096.jpg)
![](/images/parovyeturbiny/image3098.jpg)
В случае малых скоростей с2 (несжимаемая жидкость)
![](/images/parovyeturbiny/image3100.jpg)
вместо выражения (5.11) можно воспользоваться формулой
![](/images/parovyeturbiny/image3102.jpg)
—удельный объем и скорость пара на входе в патрубок.
. Очевидно, что относительная величина полных потерь
![](/images/parovyeturbiny/image3108.jpg)
является достаточно универсальной характеристикой патрубка.
, то в патрубке происходит восстановление
, то
. Из-за сложности процессов, происходящих в патрубке, особенно с учетом эффекта вращения ступени, характеристики патрубка получаются чисто эмпирически в результате лабораторных исследований и опытов на натурных турбинах.
*104м2/с2 и меняется очень мало, после преобразований, аналогичных сделанным при выводе формулы (5.9), получаем выражение
![](/images/parovyeturbiny/image3122.jpg)
На рис. 5.27 представлены характеристики различных типов патрубков.
|