Турбины АЭС и ТЭС : курсовое проектирование

УДК 378.147.091.313:621.165(075.8)
ББК 31.366я73
К24

Р е ц е н з е н т ы : кафедра энергосбережения, гидравлики и теплотехники учреждения образования 
«Белорусский государственный технологический университет» (доктор технических наук, профессор 
В.И. Володин); начальник турбинного участка ОАО «Белэнергоремналадка» кандидат технических наук 
А.М. Таращук

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть 
осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3076-6 
© Карницкий Н.Б., Нерезько А.В., 
 
Пантелей Н.В., 2019
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2019

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АСУ – автоматическая система управления
АЭС – атомная электрическая станция
БНТУ – Белорусский национальный технический университет (Минск)
ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор
ВПУ – валоповоротное устройство
ВТИ – Всероссийский теплотехнический институт (Москва)
ГПЗ – главная паровая задвижка
ИГЭУ – Ивановский государственный энергетический университет
КПД – коэффициент полезного действия
КЭС – конденсационная электрическая станция
ЛМЗ – Ленинградский металлический завод (Санкт-Петербург) (ПАО «Силовые машины»)
МЭИ – Московский энергетический институт
НПЧ – низкопотенциальная часть паровой турбины
НЧВ – низкочастотная вибрация
ПВД – подогреватель высокого давления
ПГУ – парогазовая установка
ПД – поворотная диафрагма части низкого давления теплофикационной паровой турбины
ПНД – подогреватель низкого давления
ПО – промежуточный (переключаемый) отсек паровой турбины
ПТУ – паротурбинная установка
ПЧ – проточная ч асть турбины
ПЭВМ – персональная электронная вычислительная машина
РБМК – реактор большой мощности канальный
РНД – ротор низкого давления
РС – регулирующая ступень турбины
РТ – рабочее тело
СДПП – ступень двойного повторного подвода турбины
ССКД – суперсверхкритическое давление
ТО – теплофикационный отсек паровой турбины
ТЭС – тепловая электрическая станция
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
УТМЗ – Уральский турбомоторный завод (Екатеринбург) (ТМЗ, ЗАО «Уральский моторный 
завод»)
ХТГЗ – Харьковский турбогенераторный завод (ХТЗ, ОАО «Турбоатом»)
ЦВД – цилиндр высокого давления паровой турбины
ЦНД – цилиндр низкого давления паровой турбины
ЦСВД – цилиндр сверхвысокого давления паровой турбины
ЦСД – цилиндр среднего давления паровой турбины
ЧВД – часть высокого давления паровой турбины
ЧНД – часть низкого давления паровой турбины
ЧСВД – часть сверхвысокого давления паровой турбины
ЧСД – часть среднего давления паровой турбины

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплины «Турбины ТЭС» и «Турбины АЭС» являются базовыми при обучении студентов по специальностям 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции» 
и 1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций».
Целью разработки курсового проекта является овладение студентами знаниями 
теории теплового процесса паровых турбин, инженерных методов расчета паровых 
турбин, которые должны явиться основой приобретения умения проектировать, осуществлять надежную эксплуатацию, выполнять монтаж, ремонт и наладку паротурбинных установок ТЭС и АЭС, а также других объектов народного хозяйства, имеющих турбинную технику.
Основными задачами являются: изучение принципа действия, конструирования, 
расчета переменных режимов работы, основ построения систем регулирования и защиты турбин, а также особенностей конструкций. Теоретическая подготовка подкрепляется выполнением студентами курсового проекта.
В результате выполнения курсового проекта студент должен: 
знать:
 
устройство и принцип работы турбин (паровых и газовых);
 
условия надежной и экономичной работы турбины;
 
конструктивные особенности различных видов турбин;
 
основы построения систем автоматического регулирования и защит турбины;
уметь:
 
рассчитывать переменные режимы работы турбоустановки;
 
проектировать и рассчитывать турбоустановки, отдельные узлы и элементы 
турбины;
 
решать вопросы модернизации турбин;
владеть:
 
конструкторским расчетом ступеней турбоустановок;
 
поверочным расчетом турбин;
 
прочностными расчетами турбоустановки и отдельных ее узлов и элементов.
Выполнение курсового проекта должно обеспечить формирование следующих 
умений и навыков:
 
умение применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач;
 
владение системным и сравнительным анализом;
 
владение исследовательскими навыками;
 
умение работать самостоятельно;
 
 способность порождать новые идеи (обладать креативностью);
 
умение учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни;
 
способность к межличностным коммуникациям;
 
способность к критике и самокритике;
 
умение работать в команде;
 
умение разрабатывать техническую документацию и технологию проведения 
ремонта энергооборудования и осуществлять его приемку после ремонта в эксплуатацию;
 
способность осуществлять диагностику и мониторинг состояния энергооборудования с помощью современных устройств;
 
умение по результатам срабатывания устройств защиты и автоматики, показаниям контрольно-измерительной системы и состоянию оборудования выявлять причины отказов и аварий, разрабатывать и внедрять меры по их предупреждению;

 
умение готовить доклады, материалы к презентациям;
 
умение работать с научной, технической и патентной литературой.
Выполнение данного курсового проекта немыслимо без использования современной вычислительной техники. Основу использования такой техники составляет 
отказ от «ручного» определения параметров рабочих тел турбин в пользу применения 
наработанных уравнений состояния. Эти уравнения успешно используются передовыми специалистами-теплоэнергетиками, и их освоение студентами при выполнении 
курсового проекта является обязательным элементом проектирования. 
В настоящее время уравнения и таблицы ВТИ по водяному пару и продуктам 
сгорания топлив и уравнения В.Н. Зубарева для высоких значений температур технически важных газов являются реально доступным аппаратом расчетов. В данном пособии приводится методический подход к построению алгоритмов расчета турбин с 
использованием  таких уравнений.
Методики расчета турбин со времен А. Стодолы постоянно совершенствовались. 
Большие наработки таких методик сделаны в МЭИ школой единственного в мире 
академика-турбиниста А.В. Щегляева, заслуженных профессоров А.Г. Костюка 
и А.Д. Трухния, профессоров М.Е. Дейча, Б.М. Трояновского, Г.С. Самойловича, 
А.Е. Булкина. Огромный вклад в совершенствование турбин сверхкритического давления внесли ученые ВТИ В.П. Лагун и Г.Г. Ольховский. В этом ряду следует отметить 
работу заслуженного деятеля науки и техники РСФСР В.В. Фролова и оригинальный 
подход к расчету инженера И.П. Усачева. При подготовке данного учебного пособия 
авторы стремились использовать лучшие наработки отечественного и зарубежного 
турбостроения. Был учтен также опыт автора первых белорусских турбин для «малой» 
энергетики марки ТРБ (турбомашины Республики Беларусь) профессора В.К. Балабановича.
Расчет переменных режимов работы турбин является важной задачей инженерного обеспечения их надежности и экономичности. В рамках выполняемого курсового проекта таким расчетам уделяется значительное внимание, в частности приводятся 
соответствующие методики и даются практические рекомендации по выполнению 
расчетов и использованию их результатов.
Обеспечение прочности разрабатываемой конструкции составляет основу ее надежной работы. Поэтому данный раздел является неотъемлемой частью выполняемого проекта. Для освоения методик прочностных расчетов студенты должны в рамках 
курсового проекта выполнять прочностный расчет лопаток рабочего колеса турбины, 
корпуса и шпилек, а также определять критическое число оборотов ротора турбины, 
диска колеса. В плане этих требований в данном пособии приводятся характеристики 
металлов турбин и основных профилей турбинных лопаток конструкции МЭИ.
Главное в курсовом проектировании турбин ТЭС и АЭС – поиск новых решений 
для их совершенствования, разработка конструкций паровых и газовых турбин обозримого будущего.

Авторы

Глава 1
Глава 1

ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА 
И ПАРОВАЯ ТУРБИНА

1.1. История создания паровых машин. 
Конструкция современной паровой турбины

Прототип аксиальной одноступенчатой активной турбины с расширяющимися 
соплами (рис. 1.1) был предложен в 1883 г. шведским инженером Густавом Лавалем. 
В этой турбине расширение пара происходило только в сопловой решетке одной ступени от начального до конечного давления, что обусловливало очень высокие скорости 

Рис. 1.1. Схематический разрез одноступенчатой активной турбины:
1 – корпус; 2 – вал; 3 – диск; 4 – рабочие лопатки; 5 – сопловая решетка; 6 – выпускной патрубок

истечения пара из сопловых каналов. Поскольку для наивыгоднейшего использования кинетической энергии струи пара окружная скорость рабочих лопаток должна 
быть примерно в 2 раза меньше абсолютной скорости истечения пара из сопла, турбины Лаваля должны были иметь чрезмерно большую окружную скорость, а следовательно, и большую частоту вращения. Так, самые малые из турбин Лаваля (диаметр 
диска 100 мм, мощность около 2,5 кВт) имели частоту вращения 500 с–1. Мощность 
наибольшей турбины, построенной Лавалем, не превышала 500 кВт. Кроме того, эти 
турбины имели очень низкий КПД.
В 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс предложил многоступенчатую реактивную турбину, в которой расширение пара происходило не в одной, а в ряде следующих друг за другом ступеней, причем не только в сопловых (неподвижных), но и 
в рабочих (вращающихся) решетках (рис. 1.2). Благодаря этому стала возможна работа турбины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и, соответственно, с меньшими окружными скоростями 
рабочих лопаток.

В конце XIX в. в связи с совершенствованием электрических машин и широким 
внедрением электроэнергии развитие паротурбостроения пошло быстрыми темпами. 
Первые паровые турбины в России начали выпускать в 1907 г. на Металлическом заводе в Петербурге.
Дальнейшее развитие турбостроения направлено на повышение экономичности 
паротурбинных установок и паровых турбин, а также увеличение их единичной мощности. В настоящее время как для станций на органическом топливе, так и для атомных электростанций максимальная единичная мощность паровых турбин находится 
на уровне 1000–1200 МВт. На рис. 1.3 показана современная паротурбинная установка, которая включает все элементы и особенности современных турбин.

Рис. 1.2. Многоступенчатая реактивная турбина:
1 – подшипник; 2 – барабан; 3 – сопловые лопатки одной из ступеней; 4 – рабочие лопатки одной из ступеней; 
5 – корпус

Рис. 1.3. Разрез паротурбинной установки:
1 – паропровод пара к ЦВД; 2 – кожух турбины; 3 – сервомотор регулирующего клапана ЦСД; 4 – регулирующий клапан ЦСД; 5 – ротор ЦСД; 6 – перепускные паропроводы 
(ресиверные); 7 – опора вкладыша подшипника; 8 – корпус ЦНД; 9 – паровпускная камера ЦНД; 10 – предохранительный клапан ЦНД; 11 – ротор ЦНД; 12 – соединительная 
полумуфта с генератором; 13 – горизонтальный разъем внутреннего корпуса ЦВД; 14 – выхлопные патрубки ЦНД; 15 – опорный пояс корпуса ЦНД; 16 – вкладыш опорного 
подшипника скольжения; 17 – рабочие лопатки; 18 – корпус ЦНД; 19 – концевые уплотнения; 20 – вкладыш опорного подшипника скольжения; 21 – соединительная муфта; 
22 – выхлопной патрубок ЦСД; 23 – вкладыш опорного подшипника скольжения; 24 – корпус ЦСД; 25 – ротор ЦСД; 26 – паровпускная камера ЦСД; 27 – концевые уплотнения; 28 – опора вкладыша подшипника; 29 – вкладыш опорно-упорного подшипника скольжения; 30 – упорный гребень подшипника; 31 – соединительная муфта; 32 – концевые уплотнения; 33 – паровпускная камера; 34 – паропровод пара к ЦВД; 35 – внутренний корпус ЦВД; 36 – фундаментная плита паровой турбины; 37 – выхлопные патрубки 
ЦВД; 38 – выходная камера ЦВД; 39 – корпус ЦВД; 40 – концевые уплотнения; 41 – передняя опора корпуса ЦВД; 42 – вкладыш опорного подшипника скольжения; 43 – механизм управления турбиной; 44 – блок регулирования и управления паровой турбины; 45 – опора вкладыша подшипника; 46 – внешний корпус ЦВД; 47 – ротор ЦВД

1.2. Тепловой цикл паротурбинной установки. 
Основные технико-экономические показатели 
турбоустановок

Паровая турбина является одним из основных элементов теплоэнергетической 
установки. Принципиальная схема простейшей такой установки представлена 
на рис. 1.4. Современные паровые турбины работают по циклу Ренкина. Изменение 
состояния пара в идеальном цикле в Т,s-диаграмме представлено на рис. 1.5.

Питательный насос 1 (рис. 1.4) повышает давление воды до значения рп.в и подает ее в котел 2, затрачивая при этом работу Lн на 1 кг питательной воды. Процесс 
изоэнтропийного сжатия воды насосом в масштабе изображен в T,s-диаграмме линией а′а (рис. 1.5). 
В котле происходит нагрев воды при постоянном давлении до температуры кипения (линия ab в T,s-диаграмме) и ее испарение (линия bс в T,s-диаграмме). Далее 
пар поступает в перегреватель 3, где температура его повышается до Т0. Процесс подведения тепла в перегревателе представлен линией cd в T,s-диаграмме.
Подвод тепла в котел, в том числе в пароперегревателе, происходит при постоянном давлении р0, так что количество тепла qт.у, перешедшего к воде и пару, целиком 
расходуется на повышение энтальпии пара и может быть представлено для 1 кг участвующего в процессе пара разностью энтальпий

q
h
h
т.у
п.в
=
−
0
,

где h0 – энтальпия пара, вышедшего из перегревателя; hп.в – энтальпия питательной 
воды при входе в котел.
Тепло, сообщенное пару в парогенераторе и пароперегревателе, изображается 
в T,s-диаграмме площадью 1abcd2.
Вышедший из пароперегревателя с энтальпией h0 пар направляется к турбине 4 
и, расширяясь в ней, совершает работу Lт. Для турбины, работающей без потерь и теплообмена с внешней средой, процесс расширения протекает по изоэнтропе, которая 

Рис. 1.4. Принципиальная схема простейшей паротурбинной 
установки
Рис. 1.5. Идеальный цикл пара 
в турбинной установке (цикл 
Рен кина) в T,s-диаграмме

изображена линией de в Т,s-диаграмме. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор 5. Здесь при неизменном давлении рк производится отвод тепла от пара к охлаждающей воде, пар конденсируется, и конденсат с энтальпией ′hк откачивается насосом 1 и снова подается в парогенератор. Отводу тепла в конденсаторе отвечает процесс, обозначенный линией еа′ в Т,s-диаграмме.
Таким образом, цикл водяного пара в теплоэнергетической установке замыкается. Тепло qк, отведенное от 1 кг пара при постоянном давлении в конденсаторе, при изоэнтропийном расширении пара в турбине определяется разностью энтальпий

q
h
h
t
к
к
к
=
− ′,

где h t
к  – энтальпия отработавшего в турбине пара при изоэнтропийном процессе расширения; ′hк – энтальпия конденсата.
В данном замкнутом цикле работа, которую можно получить от 1 кг пара, по закону сохранения энергии может быть найдена как

L
q
q
h
h
h
h
t
=
−
=
−
−
− ′
т.у
к
п.в
к
к
(
)
(
).
0

Перепишем это уравнение таким образом:

L
h
h
h
h
L
L
t
t
=
−
−
− ′ =
−
(
)
(
)
,
0
к
п.в
к
т
н

где L
h
h
H
t
t
т
к
=
−
=
(
)
0
0 – работа, которую может совершить 1 кг пара в идеальной турбине (называется располагаемой работой или располагаемым теплоперепадом); 
L
h
h
н
п.в
к
=
− ′ – работа, затрачиваемая в насосе.
Площадь, эквивалентная работе L, заштрихована в T,s-диаграмме (рис. 1.5).
Совершенство технического устройства характеризуется коэффициентом полезного действия. Абсолютный КПД идеальной установки, работающей без потерь в турбине, т.е. при изоэнтропийном расширении пара, представляется отношением

 
ηt
t
L
q
h
h
h
h
h
h
=
=
−
−
− ′
−
т.у

к
п.в
к

п.в

(
)
(
).
0

0

 
(1.1)

Это выражение можно переписать следующим образом:

ηt
t
L
q
h
h
h
h
h
h
h
h
=
=
−
−
− ′
− ′ −
− ′
т.у

к
п.в
к

к
п.в
к

(
)
(
)
(
)
.
(
)

0

0

В паротурбинной установке работа на привод питательного насоса даже в установках сверхкритических параметров не превышает 5% от работы, развиваемой турбиной, поэтому в большинстве случаев оценки эффективности цикла ею можно пренебречь. Если не учитывать работу насоса, то абсолютный КПД идеального цикла 
перепишется так:

 
ηt
t
L
q
h
h
h
h
=
=
−
− ′
т.у

к

к

0

0
. 
(1.2)

Разность начальной и конечной энтальпий при изоэнтропийном расширении 
пара  H
h
h t
0
0
=
−
к  принято называть располагаемым теплоперепадом. Располагаемый 
теплоперепад находится непосредственно из h,s-диаграммы (рис. 1.6).