Расчет характеристик регулирующей ступени паровой турбины при переменных режимах работы

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет имени
первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Н. Голошумова

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК 
РЕГУЛИРУЮЩЕЙ СТУПЕНИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза,
обучающихся по направлению подготовки
13.04.03 «Энергетическое машиностроение»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 621.165(075.8)
ББК 31.363.2я73
          Г61

Рецензенты:
завкафедрой энергетики Уральского государственного лесотехнического 
университета д-р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров;
заместитель главного инженера ОАО «Уралэнергоремонт» канд. техн. наук 
В. В. Кортенко

Научный редактор — д-р техн. наук, ст. науч. сотр. В. Н. Брезгин

Изображение на обложке из архива автора.

 
Голошумова, В. Н.
Г61    Расчет характеристик регулирующей ступени паровой турбины при переменных режимах работы : учебно-методическое пособие / В. Н. Голошумова. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 156 с.

ISBN 978-5-7996-2573-3

Изложена методика и приведена последовательность расчета параметров пара, 
КПД и мощности регулирующей ступени паровой турбины, работающей при переменных режимах с открытыми полностью и с частично открытыми регулирующими клапанами, а также расчета этой ступени при номинальном режиме работы. В расчетах широко применяются функции WaterSteamPro для определения 
свойств водяного пара. Приведена методика распределения числа сопл регулирующей ступени между отдельными сегментами, необходимая при проектировании 
парораспределения турбины. Работа является частью учебно-методического и информационного обеспечения дисциплины «Переменные режимы паровых турбин 
и паротурбинных установок» для магистров, обучающихся по направлению «Энергетическое машиностроение».

Библиогр.: 54 назв. Рис. 31. Табл. 23. Прил. 4.

УДК 621.165(075.8)
ББК 31.363.2я73

ISBN 978-5-7996-2573-3 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2019

Оглавление

Предисловие ..........................................................................................4
Введение ................................................................................................6
1. Расчет распределения расхода пара между отдельными 
      сопловыми сегментами ..................................................................21
1.1. Определение давления в камере регулирующей ступени 
        при переменных режимах ........................................................21
1.2. Определение расходов пара через каждый сопловый 
        сегмент при переменном режиме ............................................25
1.3. Определение расходов пара потоков А и Б c учетом 
        парциальности при переменных режимах ..............................39
1.4. Определение мощности и относительного внутреннего 
        КПД регулирующей ступени при переменных режимах .......46
2. Термогазодинамический расчет регулирующей ступени 
      при номинальном режиме .............................................................55
3. Расчет числа сопл в сопловых сегментах и уточнение 
      характеристик регулирующей ступени при переменных 
      режимах ..........................................................................................81
4. Расчет переменных режимов регулирующей ступени 
      с полностью открытыми регулирующими клапанами 
      паротурбинной установки .............................................................91
5. Расчет переменных режимов регулирующей ступени 
      с частично открытым регулирующим клапаном 
      паротурбинной установки ........................................................... 110
Заключение ........................................................................................ 125
Дополнение ....................................................................................... 127
Библиографический список ............................................................. 140
Приложение 1. Требования к курсовой работе магистра ................ 146
Приложение 2. Форма задания на курсовую работу ........................ 151
Приложение 3. Форма титульного листа пояснительной 
                               записки к курсовой работе...................................... 152
Приложение 4. Форма рецензии на курсовую работу ..................... 153

Предисловие

В 

учебно-методическом пособии представлено методическое 
обеспечение дисциплины «Переменные режимы паровых турбин и паротурбинных установок».
Цель этой дисциплины — подготовка магистров, владеющих общими и специальными знаниями, умениями и компетенциями, необходимыми для создания современных паровых турбин и паротурбинных 
установок на заводах-изготовителях и при эксплуатации теплотехнического оборудования на ТЭС, ТЭЦ, АЭС.
При написании учебно-методического пособия автор ставил перед 
собой задачу создать руководство, включающее в себя теоретические 
сведения и методику расчета регулирующей ступени паровых турбин, 
работающих при переменных режимах. Такое руководство предназначено для самостоятельного изучения, практического освоения при выполнении курсовой работы или выпускных квалификационных работ 
для студентов, обучающихся по направлениям «Энергетическое машиностроение» и «Теплоэнергетика и теплотехника».
Учебно-методическое пособие изложено в последовательности, 
приведенной ниже.
Во введении изложена методика расчета паровой турбины при переменных режимах работы. Результатами расчетов являются значения 
параметров пара пред и за регулирующей ступенью, ее располагаемый 
теплоперепад, эффективность работы — относительный внутренний 
коэффициент полезного действия регулирующей ступени, мощность 
регулирующей ступени.
В главе 1 приведена методика, с помощью которой легко можно распределить сопла РС между отдельными сегментами, если заданы расходы, соответствующие полному открытию регулирующих клапанов 
при частичных нагрузках. Такой расчет необходим при проектировании соплового парораспределения турбины.

Предисловие

В главе 2 приведена рекомендуемая последовательность расчета термодинамической паровой РС турбины при номинальном режиме работы по одномерной математической модели. В настоящее время одномерные расчеты не утратили своей актуальности, они практически 
незаменимы при предварительном проектировании, обучении студентов, имеющих компьютеры ограниченной мощности. Расчеты при 
номинальном режимы необходимы в качестве исходной информации 
для выполнения расчетов при переменных режимах.
В главах 3–5 приведена рекомендуемая последовательность расчета регулирующей ступени паровой турбины при переменных режимах работы.
Дополнительно после основных глав приведен обзор современных 
научных публикаций «Совершенствование конструкции цилиндра высокого давления паровых турбин в зоне паровпуска».
В прил. 1 приведены требования к оформлению отчета для курсовой работы, критерии оценки ее выполнения. Критерии оценки применимы и для составления рецензии рецензентом.
Повышенную оценку курсовой работы выше 80 баллов можно получить при условии выполнения:
· расчета коэффициента скорости и коэффициента расхода для сопловой решетки и рабочей решетки регулирующей ступени (алгоритм приведен в табл. 2.6 и 2.7);
· расчета для определения числа сопл при переменных режимах, 
если при максимальном режиме пар подается через 4 или 6 регулирующих клапанов (алгоритм разработать самостоятельно);
· расчета дополнительных режимов с полностью открытыми регулирующими клапанами (алгоритм приведен в табл. 4.4);
· расчета дополнительных режимов с частично открытыми регулирующими клапанами (алгоритм приведен в табл. 5.3);
· обзора современных публикаций по теме курсовой работы из доступных источников информации (стиль изложения научный, 
приведен в главе «Дополнение»).
В прил. 2 приведен бланк задания на курсовую работу, рекомендованный в УрФУ.
В прил. 3 приведен титульный лист отчета о курсовой работе, рекомендованный в УрФУ.
В прил. 4 приведен бланк рецензии на курсовую работу, рекомендованный в УрФУ.

Введение

С

овременные условия эксплуатации турбоустановок очень часто 
не соответствуют номинальным. Поэтому учет режима эксплуатации в оптимизационных задачах при проектировании паровых турбин позволяет существенно повысить эффективность работы турбоагрегата [1, 5, 9, 13, 14, 17, 21, 25, 33, 34, 39, 40, 46, 48, 50, 53].
В ГОСТ 24278–2016 «Установки турбинные паровые стационарные 
для привода электрических генераторов ТЭС. Общие технические требования» даны определения терминов:
· номинальная мощность конденсационной и теплофикационной 
турбины — мощность турбогенератора, указанная изготовителем, с которой турбина может работать неограниченное время, 
не превышающее заданный срок службы, при номинальных основных параметрах; обычно гарантируется удельный расход теплоты или пара; регулирующие клапаны не должны быть полностью открыты;
· максимальная мощность конденсационной турбины — мощность 
турбины при полностью открытых регулирующих клапанах и номинальных основных и других параметрах пара и чистой проточной части;
· максимальная мощность теплофикационной турбины — наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на клеммах турбогенератора при определенных соотношениях расходов отбираемого пара (в соответствии с диаграммой 
режимов) и давлений пара в отборах или противодавления при 
номинальных значениях всех других основных параметров и чистой проточной части;
· требования к маневренности (турбины должны обеспечивать длительную работу в диапазоне мощности 30–100 % от номинальной 
для регулирования графиков электрической нагрузки; скорости 

Введение

изменения мощности в регулировочном диапазоне должны быть 
установлены в технических условиях или технических заданиях 
на турбины конкретных типоразмеров).
В ГОСТ 23269–78 «Турбины стационарные паровые. Термины 
и определения» даны определения терминов*:
· стопорный клапан (СК) паровой стационарной турбины — автоматический клапан, предназначенный для прекращения подачи 
пара в цилиндр паровой стационарной турбины в аварийной ситуации;
· регулирующий клапан (РК) паровой стационарной турбины — 
клапан для регулирования расхода пара через проточную часть 
цилиндра паровой стационарной турбины;
· сопловое парораспределение (СПР) турбины — система подачи 
пара к турбине, при которой изменение расхода пара осуществляется путем последовательного открытия или закрытия регулирующих клапанов, подающих пар к определенным группам сопл;
· сопловая коробка паровой турбины — часть статора, размещенная внутри корпуса, предназначенная для организации подвода 
пара к первой по ходу потока ступени цилиндра паровой турбины;
· сегмент сопл (СС) паровой турбины — часть соплового аппарата регулирующей ступени паровой турбины с индивидуальным 
подводом пара от одного или двух регулирующих клапанов;
· регулирующая ступень (РС) турбины — ступень турбины с изменяемым проходным сечением соплового аппарата;
· ступень турбины — совокупность ряда расположенных по окружности каналов, образованных направляющими лопатками или 
соплами, и следующего за ним вращающегося ряда (несколько 
рядов в случае двух- и трехвенечной ступени) каналов, образованных рабочими лопатками, с элементами установки, крепления и уплотнения, которая предназначена для преобразования 
энергии рабочего тела в механическую работу вращения ротора;
· цилиндр паровой стационарной турбины — часть паровой стационарной турбины, состоящая из ротора, статора и устройства 
для подвода и отвода пара, в которой энергия пара преобразуется в механическую работу вращения ротора;

* С сайта https://znaytovar.ru/gost/2/GOST_2326978_Turbiny_stacionar.html.

Введение

· цилиндр высокого давления (ЦВД) паровой стационарной турбины — первый по ходу пара цилиндр многоцилиндровой паровой стационарной турбины.
В допустимом диапазоне мощности паровой турбины РС может вырабатывать до 9–10 % мощности всей турбины. Например, для паровой турбины типа К-310-240-2 завода-изготовителя «Турбоатом» показана (рис. В.1) зависимость доли мощности РС Nрс от расхода свежего 
пара Nт через проточную часть ЦВД [54].

Рис. В.1. Изменение доли мощности регулирующей ступени турбины К-310-240-2 
от расхода свежего пара через проточную часть ЦВД

Рассмотрим структуру проточной части ЦВД мощной паровой турбины. Элементы, входящие в состав конструкции, по своему назначению можно разделить на три объекта. Первый объект — сопловое 
парораспределение (СПР), в состав которого входит стопорный клапан (СК), регулирующие клапаны, трубопровод от СК к РК, трубопроводы к СС (сопловым коробкам РС) и РС. Второй объект — камера регулирующей ступени (КРС), связующее звено между СПР 
и остальной проточной частью ЦВД, которая предназначена для выравнивания потока на входе в первую ступень давления ЦВД. Третий объект — отсеки, в которых более чем 4 ступени давления с одинаковым расходом пара.
Особенность работы РС состоит в том, что при изменении расхода пара с ее помощью изменяется давление за и перед ней (вследствие 
дросселирования пара в частично открытых РК), наблюдается и снижение температуры пара в РС. Систематическое изменение уровня 
нагрузки при работе турбины при режиме регулирования графиков 
нагрузки приводит к постоянным изменениям температуры металла 

Введение 

ротора и корпуса турбины в зоне РС, что ведет к дополнительным термическим напряжениям и малоцикловой усталости металла, а значит, 
и снижению надежности.
В настоящее время повышение газодинамической эффективности 
СПР развивается по следующим направлениям:
· разработка систем эффективного регулирования и оптимизации параметров турбоустановок с учетом их работы на частичных и форсированных режимах [2];
· разработка вариантов комбинаций СС, определяющих тот или 
иной закон управления подъемом штоков РК для обеспечения 
требуемого расхода через РС, оказывающих существенное влияние на параметры пара за РС, ее располагаемый теплоперепад 
и эффективность работы [7];
·  повышение эффективности отсека РС за счет выбора оптимальных значений параметров существующей конструкции: 
межвенцового зазора [54]; ширины уравнительной камеры 
(межступенчатый зазор) [31]; формы лопаток рабочего колеса 
РС, обеспечивающих оптимальную закрутку потока на входе 
в КРС [4]; лопатки направляющего аппарата (НА) первой ступени давления, малочувствительных к нерасчетным углам натекания [10];
·  повышение эффективности КРС за счет использования дополнительных элементов выравнивания окружной неравномерности [38];
·  совершенствование методов математического и физического моделирования с целью более точно прогнозировать нестационарные силовые воздействия потока на лопатки РС и последующих 
ступеней [19, 42, 44].
На рис. В.2 и В.3 приведены схемы проточной части ЦВД турбины 
с сопловым парораспределением, имеющей четыре регулирующих 
клапана (РК-1, РК-2, РК-3, РК-4) и сопловых сегмента (I, II, III, IV).
Пар от котла с параметрами Р0, t0 и расходом Gск поступает к СК, 
который при работе турбины всегда полностью открыт. В СК вследствие его сопротивления имеет место некоторая потеря давления пара, 
которая составляет при номинальном расходе DPск = (2…5 %) Р0.

Введение

Р0

Ркрс
Рв

Рис. В.2. Схема проточной части ЦВД турбины  
с сопловым парораспределением

Р0

РсI
РсIII

РсII
РсIV

Рис. В.3. Схема подвода пара к сопловым сегментам РС