Проточная часть паровой турбины

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к цилиндрам низкого давления для конденсационных паровых турбин. Проточная часть паровой турбины, преимущественно цилиндра низкого давления, содержит одноярусные и двухъярусные ступени, с помощью которых формируется проточная часть. Число ступеней в верхнем ярусе определяется в зависимости от числа ступеней в нижнем ярусе по защищаемым настоящим изобретением соотношениям. Степень реактивности у корня лопаток верхнего яруса выбрана в зависимости от степени реактивности у вершин лопаток нижнего яруса по соотношению, защищаемому настоящим изобретением. Изобретение позволяет оптимизировать проточную часть цилиндра низкого давления турбины, снизить потери энергии от утечек пара между верхними и нижними ярусами, а также увеличить пропускную способность цилиндра низкого давления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и посвящено созданию цилиндра низкого давления (ЦНД) для конденсационных паровых турбин с предельным пропуском пара в конденсатор.

Указанная проблема может быть решена за счет увеличения длины рабочих лопаток последней ступени. Однако эта длина ограничена условиями обеспечения надежности работы лопаток и в настоящее время для быстроходных турбин достигла предельно допустимых размеров (1200-1320 мм).

Второй путь решения проблемы сводится к пропуску части пара в конденсатор после лопаток предпоследней ступени. Известна конструкция ЦНД со ступенью Баумана, при которой предпоследняя ступень выполнена двухъярусной, разделенной перегородками на две самостоятельные части (см. Щегляев А.В. Паровые турбины. Издательство «Энергия», 1976, стр.278-280) [1]. В верхний ярус ступени Баумана пар поступает из периферийной области предыдущей ступени, где расширяется до давления, близкого к давлению в конденсаторе, и затем направляется в конденсатор. Пар из нижнего яруса ступени Баумана идет далее к последней ступени паровой турбины.

Основной недостаток известной конструкции состоит в том, что перепад энтальпий на верхнем ярусе ступени Баумана почти в два раза превышает перепад энтальпий на последней ступени нижнего яруса и работа пара происходит при неоптимальных условиях с большими потерями энергии, обусловленными высокой выходной скоростью. Одновременно в связи с большими осевыми скоростями выхода пара из верхнего яруса заметно увеличиваются и потери в системе отвода пара к конденсатору.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является проточная часть паровой турбины преимущественно ЦНД, содержащая двухъярусную проточную часть осевой турбины (см. Нишневич В.И., Бакурадзе М.В., Сафонов Л.П., Храбров П.В. Анализ и перспективы применения двухъярусных выхлопов в проточных частях низкого давления мощных паровых турбин. Труды ЦКТИ 1978 г., стр.46-59) [3]. Аналогичное решение рассматривалось и в авторском свидетельстве SU 964197 (см. SU 964197, F 01 D 1/02. Бюллетень № 37 от 07.10.82, Кириллов И.И., Биржаков М.Б., Байбаков А.Б., Берман Б.И., Хавин С.Л. Проточная часть паровой турбины) [2].

Основные недостатки известных решений сводятся к следующему.

1. Поскольку средний диаметр всех ступеней верхнего яруса существенно больше среднего диаметра ступеней нижнего яруса, то при фиксированном перепаде энтальпий на цилиндре низкого давления при одинаковом числе ступеней в верхнем и нижнем ярусах ступени верхнего яруса будут работать при неоптимальных значениях параметра (u - окружная скорость на среднем диаметре, С_α - скорость, эквивалентная располагаемому перепаду энтальпий h_0i, на ступень), определяющего экономичность ступени.

В [3] число ступеней в верхнем ярусе уменьшено, но не определено количество оставшихся ступеней, которое должно зависеть от числа ступеней в нижнем ярусе, а также не указывается с какой стороны ЦНД необходимо уменьшать число ступеней.

2. Большое различие в давлениях по разным сторонам разделительной полки в рабочих лопатках приводит к большим добавочным потерям от утечки пара, на основании чего в [3] сделан вывод о нецелесообразности практического использования рассматриваемого решения.

Задача изобретения состоит в оптимизации проточной части ЦНД, в снижении потерь энергии от утечки пара между верхним и нижним ярусами и в максимальном увеличении пропускной способности ЦНД.

Сущность технического решения заключается в том, что проточная часть паровой турбины, преимущественно цилиндра низкого давления, содержит одноярусные и двухъярусные ступени, с помощью которых формируется проточная часть. При Z_H ступенях в нижнем ярусе число ступеней в верхнем ярусе Z_B, при Z_H четном Z_B=0,5(Z_H+2), при Z_H нечетном Z_B=0,5(Z_B+1). Степень реактивности у корня лопаток верхнего яруса ρ_K ^B выбрана в зависимости от степени реактивности у вершин лопаток нижнего яруса ρ_B ^H по соотношению ρ_K ^B=0,6ρ_B ^H. Предпочтительно, чтобы число ступеней в верхнем ярусе было сокращено со стороны входа пара, а длина рабочей лопатки последней ступени верхнего яруса l_Z ^B составляла l_Z ^B=l_Z ^H-l_z-1 ^H, где l_Z ^H - длина последней лопатки нижнего яруса, a l_Z-1 ^H - длина предпоследней лопатки нижнего яруса.

Изобретение иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 изображена двухъярусная ступень паровой турбины, где высота рабочих лопаток в нижнем ярусе, - высота рабочих лопаток в верхнем ярусе, d_Hcp - средний диаметр лопаток нижнего яруса, d_Bcp - средний диаметр лопаток верхнего яруса, D_K - корневой диаметр двухъярусной ступени.

На фиг.2 показана предлагаемая оптимизированная двухъярусная проточная часть ЦНД с повышенной пропускной способностью с предельной для российских турбин длиной лопатки последней ступени, равной 1200 мм, где 1 - диафрагмы, 2 - рабочие лопатки, 3 - кольцевые разделительные перегородки.

Для достижения указанных задач рассмотрим в каком соотношении должно находиться число ступеней в верхнем и нижнем ярусах двухъярусного ЦНД, а также условия, при которых достигается максимальная пропускная способность рассматриваемого ЦНД при сохранении им высокой экономичности.

Согласно [1] расчетный перепад энтальпий на турбинную ступень определяется следующим соотношением

где ω - частота вращения ротора, a d_cp - средний диаметр ступени паровой турбины.

Если обозначить средний диаметр характерной ступени нижнего яруса через d_Hcp, а средний диаметр характерной ступени верхнего яруса через d_Bcp (фиг.1), то расчетный перепад энтальпий для характерной ступени верхнего яруса согласно выражению (1) будет равен

В свою очередь из фиг.1 следует:

В существующих ЦНД для средних (характерных) ступеней . При выполнении ЦНД двухъярусным для средней (характерной) ступени . Таким образом, .

Принимая отношение рассматриваемых диаметров равным из соотношения (2) получим:

Если ΔH₀ общий перепад энтальпий на весь ЦНД, то число ступеней Z_H в нижнем и число ступеней Z_B в верхнем ярусах должно находиться в следующем соотношении (с учетом (4)):

Ясно, что полученное соотношение (5) между числом ступеней в верхнем ярусе Z_B и в нижнем Z_H нельзя использовать при Z_H<3.

Действительно, при Z_H=1 конструктивно исчезает понятие верхнего яруса, а при Z_H=2 мы вновь приходим к обычной ступени Баумана, где исключается возможность оптимального распределения между ступенями верхнего яруса (нет ступеней) располагаемого перепада энтальпий.

Учитывая приближенность проведенных оценок, возможность в небольших пределах варьировать оптимальным значением параметра Х_α, а также результаты конкретных расчетов, предполагается использовать следующую оценку для необходимого числа ступеней в верхнем ярусе.

Для нечетного числа ступеней в нижнем ярусе рассматриваемой проточной части ЦНД число ступеней в верхнем ярусе должно быть равно:

Z_B=0.5(Z_H+1)

Для четного числа ступеней в нижнем ярусе в верхнем ярусе должно быть:

Z_B=0.5(Z_H+2)

При использовании указанных соотношений обеспечиваются оптимальные условия работы проточной части верхнего и нижнего ярусов двухъярусного ЦНД и достигается кпд, мало отличающийся (не более 1%) от кпд одноярусного ЦНД.

Правильность предлагаемых соотношений между числом ступеней верхнего и нижнего ярусов подтверждается и более точными расчетами конкретных двухъярусных ЦНД, проведенными в [3], где показано, что, действительно, в полном соответствии с нашими соотношениями при Z_H=3, 4 и 5 ступенями в нижнем ярусе, верхний ярус должен содержать соответственно Z_B=2, 3 и 3 ступени.

Для снижения энергии, обусловленного повышенными протечками пара из нижнего в верхний ярус в области разделительных полок на рабочих лопатках (основной недостаток двухъярусных проточных частей паровых турбин) необходимо увеличить давление пара в корневых областях рабочих лопаток верхнего яруса двухъярусного ЦНД. Величина этого давления зависит от принятой для расчета корневой степени реактивности ρ_K рассматриваемой ступени.

Для ступеней с относительной высотой лопаток степень реактивности у корня лопатки для активных ступеней составляет величину, равную . При этом степень реактивности у вершины лопаток нижнего яруса меняется от для первых ступеней до для последних ступеней.

Если, как обычно, при расчете турбинных ступеней принять указанную степень реактивности у корня лопатки верхнего яруса , то в области разделительных полок на лопатках рабочих колес возникнет большая разница давлений и в конструктивных зазорах скорость пара может достигать 200-300 м/с.

Для серьезного снижения перепада давлений в области разделительных полок и, соответственно, снижения скорости перетекания пара из нижнего яруса в верхний необходимо при расчете ступеней верхнего яруса существенно увеличить степень реактивности у корневых сечений лопаток верхнего яруса. Такое решение в данном случае вполне оправдано, так как высота рабочих лопаток ступеней верхнего яруса существенно меньше высоты лопаток ступеней нижнего яруса. В результате, при повышении степени реактивности у корня лопаток верхнего яруса степень реактивности вершины лопаток верхнего яруса не должна превышать значений, которые имеют место у вершины лопаток нижнего яруса. Как показали конкретные расчеты это условие выполняется для всех ступеней верхнего яруса, если принять ( - степень реактивности у корня лопаток верхнего яруса, а - степень реактивности у вершины лопаток нижнего яруса).

При соблюдении указанного условия коэффициент потерь энергии от утечки пара через конструктивные зазоры в области разделительных полок для ступеней нижнего яруса в двухъярусных ЦНД не превысит 0,5%, а в верхнем ярусе кроме последней ступени рассматриваемая утечка пара ведет к некоторому увеличению вырабатываемой мощности, так как пар, попадающий из нижнего яруса в верхний, участвует далее в процессе выработки мощности.

Учитывая, что задачей настоящего изобретения является также максимально возможное увеличение расхода пара через ЦНД при фиксированной высоте лопаток последней ступени, число ступеней в верхнем ярусе сокращено со стороны входа пара в ЦНД с тем, чтобы общая высота лопаток последней двухъярусной ступени равнялась высоте лопатки последней одноярусной ступени.

Достигаемое при этом увеличение расхода определяется из условия равенства общей длины лопатки последней ступени верхнего яруса разнице между длиной последней лопатки нижнего яруса и длиной лопатки предпоследней ступени нижнего яруса . Для большинства ЦНД, работающих при давлении в конденсаторе P_K=4÷6 кПа длина последней лопатки верхнего яруса . При таком соотношении высот лопаток площадь выхода пара из нижнего яруса ЦНД - будет равна:

Площадь выхода пара из верхнего яруса ЦНД будет определяться следующим соотношением: .

В результате суммарная площадь выхода пара из ЦНД F₂ оказывается равной: .

Соответственно, степень увеличения выходной площади при использовании предложенного решения составит:

При использовании типовой последней ступени Ленинградского металлического завода (далее ЛМЗ) с максимальной высотой лопаток мм при корневом диаметре D_K=1800 мм и мм получим по формуле (6) .

Поскольку пропорционально увеличению площади растет и пропускная способность ЦНД, то при переходе к двухъярусным цилиндрам их пропускная способность, а следовательно, и мощность турбины увеличивается на 47%.

На фиг.2 показана проточная часть нового двухъярусного ЦНД, спроектированного с учетом всех описанных выше соотношений на основе типового ЦНД мощных паровых турбин ЛМЗ с лопаткой последней ступени мм.

Предлагаемый цилиндр низкого давления состоит из двух независимых турбин, объединенных конструктивно общими диафрагмами 1 и рабочими лопатками 2, которые разделены кольцевыми перегородками 3. Проточная часть нижнего яруса представляет собой обычную проточную часть ЦНД предельной для лопатки длиной мм пропускной способностью. Над этой проточной частью располагается проточная часть дополнительной турбины (верхний ярус) с независимыми от нижнего яруса профилями сопловых и рабочих лопаток. Проточная часть верхнего яруса рассчитывается на тот же перепад энтальпий ΔH₀, что и проточная часть нижнего яруса. Отличительной особенностью этого расчета является выбор высокой степени реактивности в корневых сечениях всех ступеней верхнего яруса согласно соотношению . При этом практически исключаются утечки пара между ярусами в области разделительных перегородок, отделяющих нижний ярус от верхнего. Дополнительный пропуск пара через верхний ярус определяется дополнительной площадью выхода пара из последней ступени турбины верхнего яруса.

Для типовой последней ступени ЛМЗ с предельной в настоящее время длиной лопатки мм увеличение выходной площади за счет надстройки верхнего яруса составляет около 47%. Соответственно, на эти же 47% может быть увеличена и предельная мощность паровой турбины с двухъярусными цилиндрами низкого давления.

Новый цилиндр низкого давления работает следующим образом. Пар при параметрах, которые имеют место за цилиндром среднего давления, одновременно подводится к первой ступени нижнего яруса и к первой ступени верхнего яруса. В нижнем ярусе пар расширяется в шести ступенях до давления Р_Z, близкого к давлению в конденсаторе P_K, обеспечивая выработку мощности, характерную для стандартного цилиндра предельной пропускной способности с лопаткой последней ступени мм. В верхнем ярусе (в соответствии с формулой для четного числа ступеней в нижнем ярусе Z_H=6 число ступеней в верхнем ярусе - Z_B=0.5(Z_H+2)=4) расширение пара происходит в четырех ступенях до того же давления Р_Z, которое имеет место за последней ступенью нижнего яруса.

Поскольку степень реактивности в корневых сечениях верхнего яруса принята сравнительно близкой к степени реактивности у вершин лопаток нижнего яруса , то потоки пара в верхнем и нижнем ярусах, с учетом низкого давления его во всем ЦНД, взаимодействуют весьма слабо. Это обстоятельство позволяет рассматривать двухъярусные ЦНД предлагаемого типа в виде сочетания двух самостоятельных турбин, объединенных одним корпусом.

1. Проточная часть паровой турбины, преимущественно цилиндра низкого давления, содержащая одноярусные и двухъярусные ступени, с помощью которых формируется проточная часть, отличающаяся тем, что при Z_H ступенях в нижнем ярусе число ступеней в верхнем ярусе Z_B, при Z_H четном Z_B=0,5(Z_H+2), при Z_H нечетном Z_B=0,5(Z_B+1), а степень реактивности у корня лопаток верхнего яруса ρ_K ^B выбрана в зависимости от степени реактивности у вершин лопаток нижнего яруса ρ_B ^H по соотношению ρ_K ^B=0,6ρ_B ^H.

2. Проточная часть паровой турбины по п.1, отличающаяся тем, что число ступеней в верхнем ярусе сокращено со стороны входа пара.

3. Проточная часть паровой турбины по п.1, отличающаяся тем, что длина рабочей лопатки последней ступени верхнего яруса l_z ^B равна l_z ^B=l_z ^H-l_z-l ^H, где l_z ^H - длина последней лопатки нижнего яруса, a l_z-l ^H - длина предпоследней лопатки нижнего яруса.