Выбор частоты вращения, числа валов и цилиндров турбины

Выбор частоты вращения, числа валов и цилиндров турбины является определяющим для последующего детального проектирования агрегата и решающим образом влияет на надежность работы турбины и ее технико-экономические показатели. Перечисленные характеристики агрегата взаимосвязаны и поэтому рассматриваются комплексно.

  (четырехполюсный генератор). При (правда, редко встречающемся) соединении турбины с генератором через редуктор частота вращения турбины может быть выбрана произвольно.

В широком диапазоне выбирается частота вращения турбин, служащих для привода насосов, компрессоров, эксгаустеров, вентиляторов и других машин. Выбор частоты вращения в этом случае определяется многими факторами, в первую очередь характеристиками приводимых машин. Также широки возможности выбора частоты вращения судовых и иных транспортных турбин.

степень реактивности р, профили и т. д.

. Это приводит к тому,

  выполняются

  должна находиться вне рабочего диапазона частот вращения.

выбирается некоторая номинальная частота вращения, обычно соответствующая номинальной мощности и номинальным параметрам. Основной расчет установки и собственно турбины выполняется при этой частоте вращения.

соответственно

  обычно при этом можно уменьшить хорду рабочих лопаток.

, и потери от утечек в ступени, поскольку уменьшение диаметра ступени и диаметра уплотнений позволяет установить меньшие радиальные зазоры.

В турбинах повышенной частоты вращения концевые уплотнения обычно также имеют меньший диаметр и, следовательно, меньшие зазоры, что заметно снижает утечку пара. В то же время усложняются условия проектирования последних ступеней конденсационных турбин, что влечет ухудшение их экономичности.

только при их малой мощности.

Это объясняется следующими причинами:

трудностью изготовления качественного редуктора очень большой мощности; большими его размерами и тем самым удорожанием всего агрегата;

и больше напряжения в их лопатках. Поэтому если повышение частоты вращения приводит к снижению экономичности последних ступеней, то при большой мощности это снижение становится настолько значительным, что может компенсировать выигрыш в КПД части высокого давления и лаже превысить его.

В связи с этим переход на частоту вращения больше 50 1/с, требующий редукторной связи с электрическим генератором, производится, как правило, при мощностях конденсационных турбин средних параметров4МВт, а для турбин с противодавлением из-за увеличенных расходов пара—при еще меньших мощностях.

Поэтому такие

или даже на еще большую

частоту вращения. В настоящее время энергетические, для привода электрогенератора, паровые турбины с редукторной передачей не изготавливаются.

Рассмотрим эту альтернативу с нескольких точек зрения: тепловой экономичности, стоимости и т. д. Главная причина перехода на тихоходные турбоагрегаты связана с надежностью последней ступени, ее экономичностью и вообще экономичностью части низкого давления.

  В этом случае число потоков ЦНД уменьшится также вчетверо (и соответственно сократится число цилиндров низкого давления). Если при удвоении размеров ступени число потоков / сократить не в 4, а, скажем, в 2 или 3 раза или оставить тем же, то возрастет суммарная площадь последних ступеней

  При том же числе потоков минимальные усредненные потери с выходной скоростью

  при этом все же настолько

  а также

аэродинамически более благоприятными оказываются решетки последней ступени, следовательно, тем самым снижаются потери при их обтекании.

напряжениями в рабочей лопатке и максимальными скоростями потока.

  и ее минимальными

  , улучшается обтекание решеток, снижается

разница в числах М между периферийными и корневыми сечениями решеток и обычно сокращаются максимальные значения чисел М в ступени.

повышает КПД последней ступени, а также

других ступеней ЦНД.

Дополнительные возможности повышения КПД цилиндра низкого давления связаны с более плавным очертанием проточной части из-за меньших теплоперепадов ступеней и, следовательно, меньшей разницей высот лопаток соседних ступеней. Кроме того, увеличение 0 при той же корневой реактивности

  согласно (3.70) ведет к меньшей реактивности на периферии

  для части низкого

давления КПД на 0,5—1,5% выше в тихоходном варианте. Однако в тихоходных ЦНД могут несколько возрасти потери (или ухудшится восстановление давления) в выходном патрубке. Это объясняется тем, что при столь больших размерах последних ступеней конструктивно труднее сохранить оптимальные соотношения размеров последней ступени, патрубка и входа в конденсатор.

С уменьшением частоты вращения экономичность в ЦВД может несколько снизиться. Это объясняется главным образом увеличением концевых потерь в решетках из-за меньших высот лопаток и роста утечек в уплотнениях, в том числе в концевых. Это снижение КПД связано с тем, что в тихоходной турбине существенно больше и диаметры ступеней, и диаметры концевых и диафрагменных уплотнений. Практически пропорционально диаметрам выбираются и зазоры в уплотнениях.

Опыт изготовления тихоходных турбин показал, что имеются определенные трудности изготовления последних лопаток с цельнофрезерованным бандажом. Другие же формы бандажа и соединения его с лопаткой обычно ведут к некоторому снижению эффективное!и обтекания периферийной зоны. В то же время отметим, что по некоторым, пока еще, правда, недостаточно полным и детальным опытам в тихоходных турбинах оказываются несколько меньшими потери от влажности.

МВт снижение экономичности ти-

хоходных ЦВД может быть настолько значительным, что с учетом большой относительной мощности ЦВД при переходе к тихоходному варианту КПД всей турбины практически не возрастет.

турбина мощностью 500 МВт выполняется двух-

" рис. 10.26).

Следует учесть, что в конструкции с двухпоточным ЦВД переднее концевое уплотнение отсутствует.

относительно выше, и уменьшение их в тихоходном варианте играет большую роль в оценке КПД всей турбины.

  (см. рис. 1.32).

В высокооборотных турбинах в отличие от тихоходных не всегда удается по условиям надежности и унификации (использования ЦНД, применяемых в турбинах ТЭС) иметь разделительное давление на уровне термодинамически оптимального.

Анализируя экономичность всей турбинной установки, отметим, что дополнительные потери, которые могут иметь место в ЦВД, частично компенсируются из-за возврата теплоты и сокращения затрат теплоты в промежуточном перегревателе. Повышение же КПД части низкого давления реализуется полностью.

В турбинах насыщенного пара уменьшение вдвое частоты вращения повышает экономичность установки, начиная примерно с мощности 500—800 МВт. Надежность тихоходных турбин в большинстве элементов оказывается выше.

Поскольку при переходе к тихоходному варианту окружная скорость на периферии последних лопаток уменьшается (см., например, табл. 6.2), следует ожидать меньшей эрозии лопаток, что подтверждается опытом эксплуатации турбин АЭС .

Благоприятно на надежности турбин сказывается уменьшение числа цилиндров в тихоходном варианте в связи с сокращением числа ЦНД. Меньшее число цилиндров означает большую надежность валопровода- системы роторов агрегата. Чем больше число элементов валопровода, тем более густой спектр собственных частот он имеет, тем труднее (с учетом неизбежной податливости опор и упругости масляной пленки в подшипниках)-обеспечить требуемый запас между частотой вращения турбины и одной из собственных частот ротора. Кроме того, большее число опор и соединений роторов также снижает надежность агрегата.

Для динамической надежности агрегата небезразличны моменты инерции валопровода, которые из-за больших радиальных размеров выше в тихоходной турбине. При этом увеличивается время разгона турбины после сброса нагрузки с отключением генератора от сети. Особенно это важно для турбин насыщенного пара, где из-за испарения и вскипания влаги, а также большого объема тракта сепаратор — перегреватель опасность такого разгона довольно велика (см. § 10.3). Для турбин АЭС выбег турбины после прекращения доступа пара в нее в ряде случаев используется для обеспечения надежности реактора. В тихоходных турбинах это время выбега больше.

В то же время следует отметить, что в турбинах высоких параметров увеличение размеров корпусов высокого давления, присущее тихоходным машинам, требует заметного увеличения толщин корпуса. Кроме того, неблагоприятно возрастают в ЦВД размеры фланцев.

  показал довольно высокую их надежность. Неполадки и отказы в работе турбин насыщенного пара, судя по этому опыту эксплуатации, как правило, оказались не связанными с частотой вращения агрегата.

  означает для турбины

  уменьшение числа всех цилиндров с 4—5 до 3—4, общая масса турбины все же заметно увеличивается.

Технико-экономические расчеты показывают, что для турбин высоких параметров пара, где возможный выигрыш в экономичности существенно ниже, чем в турбинах насыщенного пара, а увеличение стоимости значительнее, тихоходные конструкции нецелесообразны.

В настоящее время такие турбины не выпускает ни одна фирма в мире. В то же время для энергетики США рядом фирм выполнены предварительные проработки турбин сверхкритического начального давления мощностью 1600—2000 МВт как в быстроходном, так и в тихоходном варианте. Необходимо учитывать, что в связи с частотой 60 Гц электрической сети в США переход к низкооборотным турбинам при прочих равных условиях целесообразнее при меньших мощностях, чем при частоте сети 50 Гц.

В настоящее время турбины АЭС мощностью 800— 1000 МВт строятся как быстроходными, так и тихоходными (в США, Японии и Франции все турбины насыщенного пара выполняются тихоходными). Турбины большей мощности (более 1000 МВт) для АЭС, как правило, проектируются тихоходными для привода четырехполюсного генератора. В то же время работают на АЭС быстроходные турбины К-1000-5,9 ЛМЗ; спроектирован агрегат и большей мощности.

При выборе частоты вращения для агрегатов АЭС следует учитывать полные технико-экономические показатели, в том числе стоимость электрического генератора и строительной части, характеристики надежности, возможность и опыт изготовления деталей больших. габаритов, трудности перевозки негабаритных грузов, а также унификацию с другими турбинами. Последнее относится и к унификации с проектируемыми агрегатами еще больших мощностей.

. Эта переход-

ная мощность зависит от многих факторов, ее значение повышается с ростом начальных параметров, с ухудшением расчетного вакуума, с уменьшением стоимости топлива.

Примеры тихоходных турбин см. на рис. 10.28 —10.30.

Мощные турбины могут выполняться как одновальными, так и двухвальными. Двухвальные агрегаты представляют собой многоцилиндровую турбину с двумя электрическими генераторами, несколько цилиндров которой связано с одним, а остальные — с другим генератором. Подвод пара в турбину один, разделение потоков пара между валами, число цилиндров могут быть различными.

В настоящее время двухвальные турбины устанавливаются в основном на электростанциях США при частоте сети 60 Гц. Такими агрегатами являются, в частности, турбины мощностью

  первый состоит

из ЦВД и двух ЦНД, второй — из ЦСД и двух ЦНД. Хотя наличие четырех двухпоточных ЦНД позволяет высокоэффективно использовать весьма глубокий вакуум, при относительно большой длине последних лопаток эти турбоагрегаты проектировались на довольно высокое конечное давление

Конструктивная схема турбины показана на

рис. 6.12, а.

—два двухпоточных ЦНД (см. рис. 6.12, в). Мощность турбин 1000— 1100 МВт. Такая конструкция позволяет уменьшить число ЦНД.

Применение двухвальных турбин вызвано главным образом двумя причинами: во-первых, невозможностью в момент создания агрегата изготовления электрического генератора столь большой мощности, во-вторых — техническими трудностями создания, монтажа и эксплуатации агрегата с большим числом цилиндров и большой длины. Сегодня подавляющее количество гурбин большой мощности состоит из четырех или максимум пяти цилиндров. К последним, в частности, относятся турбины для АЭС- К-750-6,4/50 ХТЗ мощностью до 810 МВт (рис. 10.27), К-1000-5,9/25-1 мощностью 1000 МВт, турбины для ТЭС — К-800-23,5-5 ЛМЗ и К-1200-23,5 (рис. 10.13), для АЭС -К-1000-5,9/50 ЛМЗ (рис. 10.32). Причины ограничения числа цилиндров на одном валу рассмотрены ниже.

Экономичность двухвального агрегата не отличается от экономичности одновального при том же числе цилиндров. Если в двухвальном варианте имеется возможность установки еще одного ЦНД, то экономичность такой турбины будет, естественно, выше, главным образом из-за уменьшения выходных потерь.

Особенно существенно возрастает экономичность двухвального агрегата высоких начальных параметров пара, если первый вал с ЦВД и соответственно с относительно небольшими проходными сечениями решеток первых двух ступеней выполнить быстроходным, а ЦНД с большими объемными пропусками пара в конденсатор расположить на тихоходном валу.

  является

большим успехом отечественного паротурбостроения, пока нигде не превзойденным за рубежом. Отметим, что также уникальным является быстроходный электрогенератор этого агрегата, созданный на заводе Электросила.

Стоимость двухвального агрегата выше, главным образом, за счет второго генератора. Однако и стоимость собственно турбины оказывается также выше. Если сравнивать две турбины К-800-23,5 ЛМЗ на одинаковые параметры пара, выполненные в двухвальном и одновальном вариантах, то двухвальная турбина, состоящая из шести цилиндров, имеет массу больше пятицилиндровой одновальной на 300 т и соответственно дороже.

Разделение мощностей между валами зависит в первую очередь от конструкции электрогенераторов. Возможно разделение па равные части с одинаковыми генераторами (при равной частоте вращения обоих валов) или на разные, как это сделано в турбине К-800-23,5-1 ЛМЗ, когда использовались генераторы 300 и 500 МВт.

Выбор числа цилиндров также определяется надежностью, экономичностью и стоимостью турбины. В турбине заданных параметров пара и мощности при выбранной частоте вращения число цилиндров связано с конструкцией ЦНД. Увеличение размеров последней ступени, применение полуторного выхода и большие выходные потери позволяют через один ЦНД пропустить больший расход пара и, следовательно, сократить число цилиндров турбины.

  Увеличение

высоты последней ступени вызывает увеличение наклона меридионального обвода. Таким образом, эти и другие (например, потери от влажности) факторы не позволяют однозначно оценить изменение экономичности ЦНД при изменении его конструкции и требуют детальной проработки.

Кроме того, с увеличением напряжений в элементах ЦНД, присушим турбине с меньшим числом ЦНД, в большей степени может проявиться снижение надежности, определяемое коррозией под напряжением: коррозионным растрескиванием материала, усталостной коррозией. С другой стороны, сокращение числа цилиндров может обеспечить большую надежность всего агрегата (меньше число рядов лопаток и число подшипников--наиболее повреждаемых элементов турбин), сокращается длина турбины и соответственно удлинение ее ротора и статора; меньшее число участков валопровода —системы роторов многоцилиндровой турбины и электрогенератора -обычно ведет к повышению его динамической надежности. При меньшем числе цилиндров, подшипников, ступеней и, следовательно, общего числа лопаток сокращается время, требуемое для ремонта турбины.

Очевидно, что увеличение числа цилиндров, особенно дорогостоящих ЦНД, сказывается на стоимости турбины. Таким образом, выбор числа цилиндров, как и рассмотренный выше выбор числа валов, является технико-экономической задачей. Упрощение конструкции агрегата и, следовательно, больший расход топлива, а в случае заданной паропроизводительности котла или парогенератора (реактора) снижение мощности турбины, оправдано лишь в том случае, когда при расчете стоимости одного киловатт-часа оно будет перекрываться снижением капитальных затрат. Очевидно, что технико-экономический выбор того или иного варианта конструкции будет зависеть от мощности энергоблока, его параметров, стоимости топлива (или для региона, где располагается проектируемая электростанция,— стоимости замещаемой электроэнергии), числа часов использования мощности энергоблока в году, цен па металл и от ряда других факторов.

при конкретных условиях электростанции соответствует изменение стоимости не только собственно турбины, но и конденсатора, и источников водоснабжения. Выбирая число цилиндров, следует учитывать изменения в строительной части электростанции.

  , при низком давлении перед ЦНД потребуется кроме ЦВД еще один цилиндр — ЦСД. Так, в частности, выполнена первая модификация турбины К-1000-5,9-1 ХТЗ (рис. 10.28). Возможно объединение ЧВД и ЧНД в одном цилиндре (рис. 10.34).

При очень высоком давлении пара перед ЦНД высота лопаток первых ступеней ЦНД может оказаться относительно небольшой с соответствующим снижением КПД этих ступеней из-за значительных концевых потерь при обтекании их решеток. В то же время в предшествующем ЦНД цилиндре, где расход пара всегда разделен на меньшее число потоков, в последних ступенях высоты лопаток будут выше, чем в первых ступенях ЦНД. При выборе теплоперенада ЦНД, от которого может зависеть число цилиндров, следует учитывать, что с изменением длины цилиндра меняется жесткость и ротора, и корпуса; при большой длине может возникнуть коробление корпуса. Весь этот комплекс вопросов надежности, экономичности, в том числе при неременных режимах работы, стоимости и т. д., должен исследоваться в предварительных проработках варианта турбоагрегата и турбоустановки.