VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA SINGLE-STAGE STEAM TURBIN BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MICHAELA ZÁRYBNICKÁ Ing. ZDENĚK NOVOTNÝ BRNO 009

2 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Abstrakt: Tato bakalářská práce se zabývá návrhem jednostupňové parní turbíny určené do redukční stanice teplárenského oběhu. Zapojení točivé redukce je voleno, aby byla dostatečně využívána energie páry. Pro zadané parametry byla navržena vhodná koncepce turbogenerátoru, a to s přímým napojením na asynchronní generátor. Nejdůležitějším bodem práce je termodynamický výpočet průtočné části, jehož cílem je dosáhnout co nejvyšší účinnosti a výkonu turbíny. Pro zvýšení účinnosti a na základě zadaných otáček je zvážena možnost použití bandáže. Také je proveden výběr vhodných parních ucpávek. Abstract: This bachelor thesis deal with project for single-stage steam turbine specified to the steam reduction station combined thermal cycle. Involvement rotary reduction is elective, to was enough exploited steam power. For the specified parameters was proposed designed the acceptable conception of turbo-generator with a direct connection to an asynchronous generator. The most important part work is the thermodynamic calculation of the flow part whose aim is achieve maximum efficiency and operation of turbines. To increase in efficiency and on the basis engeged turns is considered using of bandage. Also is effected the choice of acceptable steam paddings. Klíčová slova: jednostupňová parní turbína, redukční stanice, účinnost, expanze, rychlostní trojúhelníky Keywords: single-stage steam turbine, steam reduction station, efficiency, expansion, speed triangles

3 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Bibliografická citace ZÁRYBNICKÁ, M. Jednostupňová parní turbina. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Zdeněk Novotný.

4 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Čestné prohlášení Prohlašují, že tuto bakalářskou práci jsem vypracovala samostatně bez cizí pomoci. Vycházela jsem při tom ze svých znalostí, odborných konzultací a literatury uvedené v seznamu. V Brně dne Podpis:...

5 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Poděkování Ráda bych poděkovala za pomoc při psaní bakalářské práce Ing. Zdeňkovi Novotnému, především za odborné rady, doporučení a poskytnutí literatury.

6 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 OBSAH Úvod...0 Použití točivé redukce, koncepce turbogenerátoru.... Odůvodnění použití točivé redukce.... Konstrukce turbogenerátoru..... Turbína s převodovkou..... Turbína bez převodovky Asynchronní generátor Vysokofrekvenční generátor...5 Termodynamický výpočet...7. Vstupní hodnoty pro výpočet...7. Výpočet jednostupňové parní turbíny Předběžný výpočet Určení parametrů pro předběžný výpočet Stanovení rychl. poměru a středního průměru lopatkování Výpočet délky lopatky Výpočet termodynamické účinnosti a výkonu..... Detailní výpočet Upřesnění průběhu expanze Výpočet rychlostních trojúhelníků Výpočet průtočných průřezů stupně Volba profilů a základní rozměry Výpočet obvodové účinnosti Výpočet termodynamické účinnosti a výkonu Systém bandáží Způsoby bandážování Voštinové nadbandážové těsnění Výpočet termodynamické účinnosti a výkonu pro lopatkové řady s bandáží... 8

7 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA Koncepce parních ucpávek Kontaktní ucpávky Bezkontaktní ucpávky Závěr...7 9

8 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 ÚVOD Aby mohla být sestrojena první parní turbína, musela si daná technologie projít dlouhodobým vývojem. Ital Giovani de Branca již v roce 69 navrhl lopatkové kolo poháněné parou, avšak jeho turbína neposkytovala tolik síly, aby mohla pohánět stroje. Teprve v XIX. století byly předloženy návrhy na vynálezy, které přeměňují tepelnou energii na energii mechanickou. Nejvíce se ve své době o to zasloužil švédský inženýr Carl Gustav Patrik de Laval (845-9), který v roce 88 zkonstruoval první rovnotlakou turbínu, a jeho následovník na sebe nenechal dlouho čekat. Ihned v následujícím roce (884) ohlašuje svůj patent na sestrojení první přetlakové turbíny anglický inženýr Charles Algernon Parsons (854-9), zakladatel stejnojmenné továrny na výrobu parních turbín. Společným znakem obou uvedených turbín byly poměrně vysoké otáčky, 6 a ot/min a velmi nízké výkony 7 a 7,5 kw. Trvalo to však dalších několik let, než byly uznány jejich snahy, takže praktické využívání parní turbíny se datuje až asi kolem roku 900. Od té doby nastává neobyčejně rychlý vývoj tohoto otáčejícího se stroje. Děje se tak i díky tomu, že na přelomu 9. a 0. století byly již definovány tepelné oběhy těchto strojů, oběh Clausius-Rankinův a Carnotův. Právě Juliem Emanuelem Clausiem (8-888) byl zaveden pojem entropie. A od roku 904 je k dispozici od Rudolfa Molliera (86-95) i-s diagram vodní páry. V českých zemích na začátku XX. století byly vyrobeny a uvedeny do provozu první turbíny pro pohon elektrických generátorů. V roce 90 byla uvedena do provozu v První brněnské strojírně první přetlaková turbína o výkonu 00 kw podle licence firmy Parsons. V roce 904 byla uvedena do provozu ve Škodových závodech v Plzni první rovnotlaká turbína o výkonu 404 kw a otáčkách 000 ot/min podle licence Rateau. [6] Lavalovy turbíny byly svého času nejdokonalejším strojírenským výrobkem. Pracují na principu, kdy pára vystupuje z jedné nebo několika dýz, dosahuje v nich vysoké rychlosti a vede do oběžných lopatek umístěných na obvodu kola posazeného na hřídeli turbíny. Zvláštností turbíny je, že expanze páry probíhá v dýzách od počátečního do konečného tlaku v jednom stupni, což způsobí vysokou rychlost proudící páry. Turbíny, u nichž expanze páry probíhá v nepohybujících se dýzách, nazýváme, jak už bylo zmíněno, rovnotlaké. Parní turbína navržena Parsonem se od té Lavalovy lišila velmi výrazně. Expanze páry neprobíhá v jedné skupině dýz, ale postupně v řadách turbínových stupňů řazených za sebou, z nichž každý se skládá z nepohyblivých rozváděcích a oběžných lopatek. Expanze páry probíhá v rozváděcích a také v oběžných lopatkách. Rozváděcí lopatky jsou upevněny v nepohyblivém tělese turbíny a oběžné lopatky jsou uchyceny v jednotlivých řadách na rotujícím bubnu. Každý stupeň zpracuje tlakový spád, který tvoří nevelkou část spádu mezi tlakem vstupní páry a protitlakem ve výstupním hrdle. Tímto lze dosáhnout menší rychlosti páry v každém stupni a nižší obvodové rychlosti. Parní turbíny byly mnohem účinnější než parní stroje a jejich provoz byl levnější, což je předurčilo k rozsáhlému využití. Turbína se zpravidla nachází na společné hřídeli s elektrickým generátorem, dohromady tvoří tzv. turbogenerátor. Dnes jsou parní turbíny využívány především v energetice pro pohon alternátorů v tepelných i jaderných elektrárnách. Své místo našly ale i jako lodní pohon (parníky, jaderné ponorky, bitevní lodě). 0

9 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 POUŽITÍ TOČIVÉ REDUKCE, KONCEPCE TURBOGENERÁTORU Točivá redukce je v podstatě malá parní turbína, která slouží k pohonu točivých strojů nebo následně k výrobě elektrické energie. Využívá se na redukci páry namísto redukčního ventilu ke snížení tlaku páry. Rovněž je možno ji použít i na využití odpadní páry z průmyslu.. ODŮVODNĚNÍ POUŽITÍ TOČIVÉ REDUKCE V provozech, kde se používá přehřátá vodní pára, bývá nejčastěji využíváno následující uspořádání. Přehřátá pára z kotle je vedena do redukční stanice, kde se tlak páry škrcením snižuje na hodnotu požadovanou pro spotřebiče a danou technologii. Energie páry se tak škrcením maří, ačkoliv by se mohla využít na výrobu elektrické energie. Škrcení páry je totiž izoentalpický jev, kdy při snížení tlaku páry zůstává teplota páry přibližně na stejné úrovni. Teplota potřebné technologické páry je menší než teplota redukované páry, a proto je nutné ji chladit vstřikováním kondenzátu nebo napájecí vody. Je tedy možné říci, že v redukční stanici probíhají dva nehospodárné a nežádoucí děje, a to seškrcení tlaku páry a ochlazení páry. Točivá redukce využije entalpický spád páry a expanzí sníží její teplotu i tlak tak, že již není zpravidla potřeba páru dále upravovat. Obr.. Zapojení točivé redukce ve stávající technologii (redukční stanice) [8] SV - rychlozávěrný a spouštěcí ventil RV regulační ventil

10 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Zapojení samotné redukce obr.. je provedeno tak, že pára z kotle je vedena do turbíny a paralelně do redukční stanice. Pokud požadované množství technologické páry klesne pod minimální spotřebu turbíny, použije se k úpravě parametrů páry redukční stanice. V obdobích dlouhodobé malé spotřeby se turbína odstaví a pára se pouze redukuje. Obr..: Zapojení točivé redukce se stávající technologií (redukční stanice + turbína) [8] Pára z kotle je opět vedena paralelně do redukční stanice i do točivé redukce, v případě velkého množství páry je v provozu i protitlaká turbína obr... Při snížení potřeby páry se tato turbína odstaví a pára se upravuje pomocí točivé redukce. Jednotlivé cesty jsou opatřeny uzavíracími armaturami, lze jimi mezi redukční stanicí a turbínou přepínat. Chlazení výstupní páry je nejčastěji přímou součásti redukční stanice. Pokud lze mezi výstupní páru a vstřik umístit uzavírací armaturu a přípojku od točivé redukce, může se vstřik využít i pro úpravu teploty páry z protitlaku. Tato teplota může být vyšší díky vyšším ztrátám než připouštějí spotřebiče.. KONSTRUKCE TURBOGENERÁTORU Turbogenerátor (turbosoustrojí) s točivou redukcí se konstruuje obvykle z poháněcího točivého mechanického stroje turbíny a elektrického stroje, což je generátor. Podle volby otáček je turbína spojená s generátorem přímo nebo je použita i převodovka. Točivé redukce se navrhují s ohledem na jednoduchost a cenu výrobku, ve větší míře se používají v jednostupňovém provedení, ale lze je realizovat i jako dvoustupňové.

11 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA TURBÍNA S PŘEVODOVKOU Turbína s převodovkou pracuje za vysokých otáček, které jsou v případě použití asynchronního generátoru nutné snížit na 000 ot/min pomocí dané převodovky. Dále se využívá tam, kde je potřeba zpracovat větší izoentropické spády v jednom stupni. Požadavky na kvalitu převodovky jsou velké, musí mít vysokou kvalitu výroby ozubení, vysokou účinnost, životnost a vysokou spolehlivost materiálu a bezpečnost provozu. Problémem může být především hlučnost a možný výskyt nepříznivých dynamických sil. Převodovka je uchycena na základovém rámu, kde je pomocí pružné spojky spojena s elektrickým generátorem. Stator točivé redukce je uchycen na převodovku, která redukuje otáčky turbínového kola na otáčky generátoru. Těsnost rotoru proti úniku páry je zajištěna speciální ucpávkou. Na obr.. je zakreslena jednostupňová točivá redukce s převodovkou, která je navržena pro izoentropický spád větší jak 0 kj/kg s možností ovládání parciálního ostřiku. Daná turbína pracuje s hmotnostním průtokem 4-5 t/hod při vstupním tlaku páry 0,6-4 MPa a o maximální teplotě 40º C. Výstupní tlak je nižší a jeho hodnoty se pohybují v rozmezí 0,-, MPa. Výkon této turbíny dosahuje hodnot kw. Rozměry betonového základu, na kterém je turbosoustrojí umístěno, činní 400 x 900 mm. Obr.. Řez jednostupňovou točivou redukcí s převodovkou [7]

12 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA TURBÍNA BEZ PŘEVODOVKY Pro turbínu bez převodky je charakteristické dvojí uspořádání. Za prvé se jedná o turbínu s malými izoentropickými spády, která pracuje s otáčkami 000 min - a je pomocí spojky přímo napojena na asynchronní generátor. Druhou variantu tvoří možnost využití vysokofrekvenčního generátoru, který je schopen pracovat při otáčkách min - a je přímo spojen s turbínou.... ASYNCHRONNÍ GENERÁTOR Jak už bylo uvedeno, jedna z možných variant je použití asynchronního generátoru. Mezi jeho přednosti patří spolehlivost, jednoduchost a minimální nároky na údržbu. Takováto turbína s využitím asynchronního generátoru však pracuje při 000 ot/min, což umožňuje zpracovávat menší izoentropické spády do hodnoty 0 kj/kg. Takovéhle uspořádání turbíny bez převodovky s využitím asynchronního generátoru je předpokládáno i v této bakalářské práci. Příklad takové točivé redukce je na obr..4. Sestává ze základového rámu, na kterém je umístěno těleso, generátor, olejové hospodářství a olejová nádrž. Rotor točivé redukce je letmo uložen ve dvou kluzných ložiskách. Hřídel rotoru je spojena s generátorem pružnou spojkou. Těsnost rotoru je zajištěna ucpávkou, z které je vyvedena komínková pára a odvodnění. Tato turbína pracuje s hmotnostním průtokem 6-40 t/hod při vstupním tlaku páry 0,6-, MPa a teplotě max 00 C. Výstupní tlak je 0,-0,8 MPa. Výkon této turbíny je kw. Velikost betonového základu, na který je turbosoustrojí umístěno, činní 900 x 700 mm. Obr..4 Řez jednostupňovou točivou redukcí s asynchronním generátorem [7]. Stator-těleso točivé redukce 6. Vstup páry. Rotor točivé redukce-oběžná kola a hřídel 7. Parní ucpávka. Svařovaný ocelový rám 8. Kluzná ložiska 4. Asynchronní generátor 9. Pružná spojka 5. Výstup 4

13 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA VYSOKOFREKVENČNÍ GENERÁTOR Turbína s vysokofrekvenčním generátorem pracuje až s otáčkami min - při malém hmotnostním průtoku a je schopna zpracovávat velké izoentropické spády. Vysokofrekvenční generátory jsou poměrně novou technologií, která je především využívána ve spalovacích mikroturbínách. Výhoda spojení turbíny bez převodovky a tohoto generátoru je právě v absenci převodovky, protože převodovka je poměrně náročná na přesnou výrobu. S tím jsou spojené i vyšší cenové náklady, což se odrazí i v celkové hodnotě turbosoustrojí. Točivá redukce zobrazená na obr..5 je speciální stroj na redukci tlaku vodní páry konstruovaný na extrémně malé průtoky páry s vysokým požadavkem na bezpečný mechanický chod a vysokou účinnost. Turbínová skříň se statorem elektrického generátoru tvoří celek bez spojky a bez druhotných rotujících částí. Turbínové kolo je letmo uchyceno na rotor vysokofrekvenčního elektrického generátoru. Těsnost rotoru proti úniku páry je zajištěna speciální ucpávkou. Obr..5 Řez jednostupňovou točivou redukcí s vysokofrekvenčním generátorem [7]. Těleso točivé redukce 5. Vstup páry. Rotor točivé redukce 6. Odvod kondenzátu. Svařovaný ocelový rám 7. Parní ucpávka 4.Vysokofrekvenční generátor 5

14 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Na Obrázku.6 je znázorněn částečný řez (D modelem) jednostupňové točivé redukce s vysokofrekvenčním generátorem. Skříň je konstruovaná jako odlitek s vertikální dělící rovinou, do jejíž spodní části je zaústěno potrubí pro odvod kondenzátu. Rotor turbíny tvoří hřídel, jejíž součástí je i rotor generátoru. Na této hřídeli je nalisováno oběžné kolo. V řezu je zobrazen statorový disk s rozváděcími lopatkami, které nejsou po celém jeho obvodu, takže pára je přiváděná na rotorové lopatky parciálním ostřikem. Jsou zde také vyobrazeny dotykové ucpávky tvořené grafitovými kroužky a kluzná radiální ložiska. Stator generátoru je tvořen magnety a vinutím, které je vyvedeno do svorkovnice. Z důvodu vysokých teplot je stator chlazen olejem, který proudí po obvodu jeho pláště v žebrované mezistěně Obr..6 D model jednostupňové točivé redukce s vysokofrekvenčním generátorem [7]. Potrubí pro odvod kondenzátu 7. Radiální ložisko. Oběžné kolo 8. Vinutí statoru generátoru. KM matice s MB podložkou 9. Vývod vinutí do svorkovnice 4. Disk s rozváděcími lopatkami 0. Rotor 5. Skříň statoru. Magnety statoru generátoru 6. Ucpávka. Potrubí pro odvod ucpávkové páry 6

15 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 TERMODYNAMICKÝ VÝPOČET Termodynamický výpočet je proveden pro průtočné části, dle zadání pro jednostupňovou parní turbínu. Výpočet je optimalizován s cílem dosáhnutí co největší termodynamické účinnosti a výkonu stroje.. VSTUPNÍ HODNOTY PRO VÝPOČET Ukázkový výpočet je proveden pro turbínu s nejvyššími stavy páry, dle zadání bakalářské práce. Otáčky jsou voleny s ohledem na zvolenou konstrukci turbíny přímo spojené s generátorem. Vstupní teplota páry t 0 60 ºC Vstupní tlak páry p 0,5 MPa Výstupní tlak páry p MPa Hmotnostní průtok M 58 t/h 6, kg/s Otáčky n 000 min - 50 s -. VÝPOČET JEDNOSTUPŇOVÉ PARNÍ TURBÍNY Postup výpočtu se skládá z předběžného návrhu A-kola a detailního výpočtu A-kola. Výpočet je proveden pro akční stupeň turbíny s malou reakcí... PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET Předběžný návrh slouží ke stanovení základních geometrických a výkonových charakteristik. Pro zjednodušení předpokládáme rovnotlaké lopatkování (nulová reakce na oběžné lopatce) a také podrobné změny stavu páry na oběžných lopatkách jsou zanedbány. Na obrázku. je znázorněn předběžný návrh expanze v regulačním stupni. Obr..: Předběžný návrh expanze v regulačním stupni [] 7

16 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA URČENÍ PARAMETRŮ PRO PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET x p % Vnější ztráty na regulačním ventilu voleny z literatury [8]. Tlaková ztráta na spouštěcím ventilu: x p δ p sp p 0,5 0, 045 MPa Tlak za spouštěcím ventilem: p 0 p0 δ p,5 0,045, 455MPa sp Stav páry na vstupu do turbíny (určeny z i-s diagramu): Veškeré hodnoty určené pomocí i-s diagramu, byly kontrolovány pomocí programu na získání parametrů páry. ( t p ) ( 60;,455 ) 949, J/kg i fi 0; 0 0 k ( t p ) ( 60;,455 ) 6,774 J/kgK s s ; 0 f 0 0 k ( t ; ) ( 60;,455 ) 0,607 m /kg v0 f v 0 0 p Izoentropická entalpie na výstupu z turbíny: i ( p s ) ( ;6,774 ) 864,9 J/kg iz f i ; 0 k Izoentropický spád na turbíně: h i0 iiz 949, 864,9 84,kJ/kg iz Ztráty na dýze: Rychlostní ztrátový součinitel pro dýzu φ 0,85 volím dle doporučení literatury []. z 0 ( ϕ ) hiz ( 0,85 ) 84,,9 kj/kg Předběžný spád na stupeň: h pr hiz z0 84,,9 60,907 kj/kg Stav páry za dýzou: i i0 hpr 949, 60, ,9 kj/kg ( i ; ) ( 888,9;) 0,0 m /kg v f v p Měrný objem páry za dýzou je potřebný pro výpočet délky lopatky. 8

17 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA STANOVENÍ RYCHLOSTNÍHO POMĚRU A STŘEDNÍHO PRŮMĚRU LOPATKOVÁNÍ Zvolený rychlostní poměr: c iz Rychlostní poměr je volen dle literatury []. u 0,85 Teoretická rychlost páry za dýzou: volím Absolutní rychlost v potrubí by se měla pohybovat v rozmezí c0 0 m/s dle doporuční literatury []. c m/s, proto c 000 h + c0 0 84, + 0 4,704 m/s iz Střední průměr lopatkování: iz D u c iz c iz π n 4,704 0,85,009 m π 50 Obvodová rychlost: u π D n π, ,506 m/s Kritický tlak (pro přehřátou vodní páru): p krit 0,546 p 0 0,546,455 0,794 MPa Je-li p pkrit (MPa > 0,794MPa) nedochází ke kritickému proudění, a proto je navrhnuta nerozšířená dýza. Poměr tlaků p p 0 p p 0 nesmí překročit hodnotu 0,8. 0,69 hodnota 0,69 < 0,8., VÝPOČET DÉLKY LOPATKY Minimální délka lopatky by neměla být menší než mm. Výstupní úhel proudu 0 z dýzy α,8 volím dle doporučení literatury []. Délka výstupní hrany rozváděcí lopatky při totálním ostřiku: M v 6, 0,0 l 0 t 0,056 m,56cm π D c iz ϕ sin α π,009 4,704 0,85 sin,8 9

18 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Výpočet optimální délky rozváděcí lopatky: Konstanty pro A-kolo jsou voleny dle literatury []. c a 0,467 b a 0,098 Je možné uvažovat dva typy součinitele zohlednění parciálního ostřiku vcelku s, dělený s, volím parciální ostřik s rovněž podle literatury []. VCELKU DĚLENÝ Obr.. Typy parciálních ostřiků [] Součinitel delta: δ c a n 000 u c 0,85 0,467 0, 50, iz 0, 0,5 0,5 D Součinitel alfa pro určení optimální délky lopatky: 0,0 α b s a D + δ D,009 0, ,0,009,656 Optimální délka lopatky: lopt α l0 t,656,56,8cm,8 mm Skutečná délka lopatky: Skutečnou délku lopatky získám zaokrouhlením optimální délky lopatky. l mm o 0

19 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Redukovaná délka lopatky: L red l + l 0 opt l 0 δ l 0 +,,8, 0,0,,998cm 9,98 mm Parciální ostřik: ε l0 t l 0,56 0,47,...4 VÝPOČET TERMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI A VÝKONU Absolutní ztráta třením a ventilací: literatury []. Součinitel f ( n; D) f ( 50;,009 ) k volím dle grafu na obrázku. získaného z k Z,670 J/kg 5 M v 6, 0,0 k Obr.. Ztráta třením a ventilací regulačního stupně []

20 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Poměrná ztráta: z5,670 ξ 5 0,044 [-] 84, h iz Vnitřní účinnost regulačního stupně: u Hodnota obvodové účinnosti η ; u f Lred f ( 0,85;9,98 ) 0, 75 je volena ciz z grafu na obrázku.4, získaného z literatury []. η tdi ηu ξ5 0,75 0,044 0,67 Vnitřní výkon stupně: Obr..4 Redukovaná účinnost regulačního stupně (A-kola) [] Pi M h iz η tdi 6, 84, 0 0,67 98,5 W 9,8kW

21 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA DETAILNÍ VÝPOČET Cílem detailního výpočtu je stanovení přesného průběhu expanze a spádu zpracovaným na jednotlivých lopatkových řadách. Také lze zjistit výpočet rychlostních trojúhelníků, průtočných částí turbíny, vnitřní termodynamické účinnosti a výkon turbíny. V předběžném návrhu byly získány hodnoty a stanoveny základní rozměry turbíny, které budou dále používány v detailním výpočtu. Tab.. Hodnoty získané v předběžném návrhu D n h iz p kr l 0 ε u/c iz M [m] [s - ] [ kj kg ] [Mpa] [mm] [-] [-] [kg/s], , 0,794 0,47 0,85 6,... UPŘESNĚNÍ PRŮBĚHU EXPANZE Detailní průběh expanze je znázorněn na obrázku.5. Z důvodu zmenšení ztrát rotorové oběžné řady volím dle doporučení literatury [] malý stupeň reakce ρ 0, 05. Z toho vyplývá, že i rotorové lopatky zpracovávají malý spád, který je znázorněn na obrázku.5. Obr..5 Detailní průběh expanze v A-kole []

22 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Rozdělení tepelných spádů: Stator Rotor S h ( ρ ) h ( 0,05) 84, iz iz R hiz ρ hiz 0,05 84, 4,5kJ / kg 80,085 kj / kg Hodnoty entalpie v jednotlivých bodech expanze: ( t p ) ( 60;,455 ) 949, J/kg i i ; 0 f 0 0 k S iz i0 h iz 949, 80,085 iz f i p ; s 0 ;6,77 864,9k i i ( ) ( ) J/kg 869,5 kj / kg Velikosti tlaků v jednotlivých bodech expanze: p,455mpa 0 p f i s ( ) ( 869,5;6,77),097 MPa p iz ; 0 p MPa Kontrola kritického proudění dýzou: Jelikož je splněna podmínka p > pkrit (,097 MPa > 0,794 MPa), pak nedochází ke kritickému proudění ve výstupním průřezu dýzy a úhel profilu α p α výstupnímu proudu páry.... VÝPOČET RYCHLOSTNÍCH TROJÚHELNÍKŮ Volba velikosti úhlů α a β je volena s ohledem na tvar průtočného kanálu a jeho pozvolné rozšiřování tak, aby nedošlo ke zkracování lopatek ve směru toku páry. Obr..6 Rychlostní trojúhelníky 4

23 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Teoretická absolutní rychlost na výstupu z dýzy: ( ) h + ( 0,05) 84, ,5 m / s c iz c0 iz ρ Skutečná absolutní rychlost páry na výstupu z dýzy: c c iz ϕ 40,5 0,85 4,5m / s Relativní rychlost na výstupu z dýzy: w c + u c u cosα 4,5 + 58,506 Složky rychlostí do obvodového směru: c u w u c c cosα 4,5 cos,8 u 4,5 58,506 cos,8 88,78m / s,96m / s u,96 58,506 75,4 m / s Složky rychlostí do axiálního směru: c a c sinα 4,5 sin,8 w a c sinα 4,5 sin,8 69,76m / s 69,76m / s Úhel relativní rychlosti na výstupu z dýzy: w u 75,4 β arccos arccos w 88,78 o,69 Úhel relativní rychlosti na výstupu z oběžného kola: o ( ) 80 (,69 ) 6, β 80 β Teoretická relativní rychlost na výstupu z oběžného kola: w iz ρ hiz + w 0,05 84, ,78 99,64m / s Skutečná relativní rychlost na výstupu z oběžného kola: Rychlostní součinitel ψ 0,9 volím dle doporučení literatury []. w ψ wiz 0,9 99,64 79,67m / s 5

24 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Skutečná absolutní rychlost na výstupu z oběžného kola: c w + u w u cos(80 β ) 79, ,506 79,67 58,506 cos(80 6,) 58,74m / s Složky rychlostí do obvodového směru: w c u u w w u cos β 79,67 cos6, 70,99 m / s + u 70, ,506,69m / s Složky rychlostí do axiálního směru: c a w sin β 79,67 sin6, w a w sin β 79,67 sin6, 57,565m / s 57,565m / s Úhel absolutní rychlosti na výstupu z oběžného kola: c 57,565 a α arctg arctg cu,69 78,5 α 80 α 80 78,5 0,48 o o... VÝPOČET PRŮTOČNÝCH PRŮŘEZŮ STUPNĚ ZTRÁTY V JEDNOTLIVÝCH BODECH EXPANZE: Rozváděcí mříž: c iz 40,5 z 0 ( ϕ ) ( 0,85 ) 48,46J/kg Oběžná lopatková řada: w iz 99,64 z ( ψ ) ( 0,9 ) 786,04 J/kg z Ztráta výstupní rychlostí: c 58,74 c 75,6 J/kg Hodnoty entalpie v jednotlivých bodech: i iz i + z0 869,5 +,48 89,46 kj/kg R i i hiz + z 89,46 4,5 +,786 89,04kJ / kg 6

25 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Určení měrných objemů v jednotlivých bodech expanze (odečteno z i-s diagramu): ( t0; 0 ) ( 60;,455 ) 0,607 m /kg ( i; ) ( 89,46;,097) 0,7 m /kg ( i ; ) ( 89,05;) 0, m /kg v0 f v v f v p v f v p p Délka výstupní hrany rozváděcí lopatky: l 0 M v π D ε c sinα,9 mm 6, 0,7 0,09 m π,009 0,47 4,5 sin,8 Délka vstupní hrany oběžné lopatky: Přesah lopatek l by měl být volen v rozmezí mm, volím l,5 mm podle literatury []. l l0 + l 0,09 +,5 0 0,0489 m 4,89 mm Délka výstupní hrany oběžné lopatky: M v l π D ε w sin β 4, mm 6, 0, 0,04 m π,009 0,47 79,67 sin6, Obr..7 Průtočný kanál kuželový [] 7

26 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA VOLBA PROFILŮ A ZÁKLADNÍ ROZMĚRY LOPATKOVÁNÍ Na základě výpočtem získaných veličin se určí typ profilů lopatek. Konkrétní hodnoty získám z literatury [7]. Na obrázku.8 jsou znázorněny rozměrové charakteristiky obecného profilu. Obr..8 Označení rozměrů charakterizujících profil [] Rozváděcí lopatky: Z literatury [] volím typ rozváděcí lopatky 0TR/9,. s Poměrná rozteč 0, 6 c Délka tětivy profilu c 5mm Úhel nastavení profilu γ 54 Šířka lopatky (axiální stavební délka): B c cos γ 5 co54 4,695 mm Rozteč lopatek: s s c 5 0,6 5 mm c Počet lopatek: z S π D ε π 009,08 0,47 99,99 & 00 lopatek s 5 Oběžné lopatky: Z literatury [] volím typ oběžné lopatky 0TR/9,. s Poměrná rozteč 0, 7 c Délka tětivy profilu c 0 mm Úhel nastavení profilu γ 9, 8

27 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Počet lopatek: z R 47 lopatek Šířka lopatky (axiální stavební délka): B c cos γ 0 cos9, 8,48 mm Rozteč lopatek: s π D z R π 009,08, VÝPOČET OBVODOVÉ ÚČINNOSTI c 0 hiz + 0 z0 z zc a u E0 c0 hiz , +,48,786, , + 0 η u 0, VÝPOČET TERMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI A VÝKONU Výpočet ztrát: a) POMĚRNÁ ZTRÁTA VENTILACÍ DISKU: Součinitel k tř 0,45 0 volím dle doporučení literatury []. Průtočný průřez pro páru: S π D l ε sin α π ξ,009 0,0489 0,47 sin,8 0,0070m D,009 58,506 u 5 k 0,45 0 tř 0 S 0,7 0 h 0 84, iz 0,0046 b) POMĚRNÁ ZTÁTA PARCIÁLNÍM OSTŘIKEM: Ztráta ventilací neostříknutých lopatek: 0,065 ξ sinα ( ε ) u 0,065 ( 0,47) , 6 ε 0 sin,8 0,47 h iz 0,006 9

28 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Ztráta na okrajích pásma ostřiku: Počet segmentů po obvodu je volen podle literatury [] z segm. ξ 6 c l u 0,5 0 ηu zsegm S hiz 0,0 0,04 58,506 0,5 0,67 0,08 0, , Celková ztráta parciálním ostřikem: ξ 6 ξ 6 + ξ 6 0, ,08 0,086 c) POMĚRNÁ ZTRÁTA RADIÁLNÍ MEZEROU: Vypočet se dělá pro akční stupeň bez bandáže. Průtokový součinitel µ 0, 5 volím dle doporučení literatury []. Radiální mezeru δ 0,000m volím dle doporučení literatury []. Stupeň reakce na špici lopatky: ρ š D l ( ρ) D + l,009 0,048 ( 0,05), ,048 0,08 Průřez radiální mezery: ( D + l ) δ (, ,048) 0,000 0, S R π π m µ SR ηu ρ š 0,5 0, ,67 0,08 ξ 7,5,5 0,06 S ρ 0,0070 0,05 Výpočet termodynamické účinnosti turbíny: η tdi T η ξ ξ ξ 0,67 0,0046 0,086 0,06 0,666 u ,66% Vnitřní výkon stupně: Pi M hiz η tdi 6, 84, 0 0,67 869,W 86,9 kw Koncový bod expanze ve stupni: c0 0 i c i0 + h 949, + 84, 0,67 897,667 kj/kg iz η tdi 0 0 0

29 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA SYSTÉM BANDÁŽÍ Z důvodu snížení poměrné ztráty radiální mezerou (přetékání páry přes okraj lopatek) se na lopatkách oběžného kola provádí krycí bandáž. Toto opatření zabezpečuje příznivé obtékání špičkové části lopatky a zvyšuje účinnost stupně, u jednostupňových turbín zhruba o -% a u velkých turbín se tato hodnota pohybuje v rozmezí -4%. 4. ZPŮSOBY BANDÁŽOVÁNÍ Existuje několik způsobů bandážování lopatkových stupňů. Jednou z možných variant je pásková obvodová bandáž (obr.4.). Tato bandáž je tvořena lopatkou buď frézovanou nebo v případě statorových částí, lopatkou taženou z profilu Na konci každé lopatky je vyfrézován čípek, který je vyšší než šířka pásku bandáže. Poté co se provede zalopatkování, na čípky se nasadí pásek bandáže, který má otvory dané dle tvaru čípku. Po nasazení pásku se čípky zatemují. Dále se bandáž porovná, přesoustruží se a opatří se axiálním břitem. Výhodou této konstrukce jsou nižší náklady na výrobu lopatek oproti bandáži integrální. Obr. 4. Pásková obvodová bandáž [0] Obr. 4. Pásek pro obvodovou bandáž [0]

30 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Druhou variantou je již zmiňovaná integrální bandáž (obr.4.), která je součástí frézované lopatky. V případě, že průtočný kanál má kuželový tvar musí se lopatky z integrální bandáží vyrábět na 5-osé CNC frézce, což je výrobně i finančně nákladné. Po zalopatkování se integrální bandáž svařuje do tzv.svazků. Počet lopatek ve svazku je dám výpočtem s ohledem na kmitání lopatek. Po zavaření se bandáž přesoustruží a vyrobí se na ní tzv. hradby do nichž zapadají břity upevněné ve statoru. Obr. 4. Integrální bandáž [0] 4.. VOŠTINOVÉ NADBANDÁŽOVÉ TĚSNĚNÍ Moderním způsobem bandáže, ale méně využívaným je v současné době voštinové nadbandážové těsnění, které umožňuje oproti labyrintové ucpávce zmenšení radiální vůle na polovinu. Nadbandážové těsnění se nejčastěji navrhuje jako labyrintové s malou radiální vůlí. Velikost této vůle se musí určit s ohledem na požadovanou účinnost a spolehlivost, aby nikdy za provozu nenastala jakákoli forma kontaktu rotoru a statoru v ucpávkách. Musí se rovněž zohlednit výrobní a montážní tolerance a rezerva na případný nárůst rotorového chvění při dynamických změnách provozu. Obr.4.4 Nadbandážové voštinové těsnění [9]

31 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Těsnící protikus ve statoru je tvořen tzv. voštinami. Ty jsou vyrobeny z 0, mm tenkých profilovaných plechů z nerezové oceli, poskládaných do tvaru pravidelných šestiúhelníkových voštin s velikostí modulu,8 mm. Z hlediska usměrnění proudění páry mají voštiny charakter pevného tělesa. Z pohledu materiálových vlastností však mají voštiny charakter porézního kompozitu s malou pevností, minimální tepelnou kapacitou a minimálním koeficientem vedení tepla, jehož kovová složka se v případě náhodného kontaktu s rotující bandáží okamžitě utaví, vytvoří znovu dostatečnou radiální vůli a nepřenáší vzniklé teplo ani do rotoru, ani do statoru. [9] Obrázek 4.4 Detail voštinové ucpávky [9] 4. VÝPOČET TERMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI A VÝKONU PRO LOPATKOVÉ ŘADY S BANDÁŽÍ POMĚRNÁ ZTRÁTA RADIÁLNÍ MEZEROU: Vypočet je proveden pro akční stupeň s bandáží. b Velikost součinitele k r a ekvivalentní vůle δ e jsou počítány metodou Ščegljajev (autor) []. Hodnoty radiální vůle mezi statorem a rotorem δ r 0, 00m a axiální vůle mezi statorem rotorem δ a 0, 00m jsou voleny podle literatury []. Počet břitů bandáže z 5 je volen díky literatuře []. Součinitel u lopatkových řad s bandáží: b kr η u l0 +,8 D 0,67 +,8,9 009,08,8

32 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 Ekvivalentní vůle: δ e 4 δ a 5,5 z + δ r 4 0,00, ,00 6, b b δ e 6,566 0 ξ k,8,9 0 7 r l cosα,9 cos,8 0 5 Výpočet termodynamické účinnosti: η tdi T b 5 ηu ξ5 ξ 6 ξ 7 0,67 0,0046 0,086,9 0 0,60 6,0% Vnitřní výkon stupně: Pi M hiz η tdi 6, 84, 0 0,6 855,6W Koncový bod expanze ve stupni: 855,kW c0 0 i c i0 + h 949, + 84, 0,6 896,54 kj/kg iz η tdi 0 0 Termodynamická účinnost, jak vyplývá z výpočtu, se zvýšila z 6,66 % na 6,0 %, vyjádřeno v procentech se jedná posun v účinnosti o, %. K zvýšení účinnosti a výkonu je možné použít i jiných výpočtových metod. Hodnoty získaných účinností a výkonu získaných jinými výpočtovými metodami se příliš neliší podle mnou zvolené metody Ščegljajev. Metody výpočtů jsou získány z literatury []. Tab. 4. Zvýšení účinnosti pomocí různých metod Metoda-autor b k r [-] δ e [-] Ščegljajev,8 5 6,566 0 Traupel,06 5 8,944 0 Ainley-Mathieson 0,5 4 0 Dunham-Came 0,88 4,07 0 b ξ 7 [-] η tdit [%] P i [kw] 5,9 0 6,0 855,4 6,90 0 6,0 855,47 6 4, ,0 855,45 6, ,0 855,47 4

33 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA KONCEPCE PARNÍCH UCPÁVEK Parní ucpávky je druh těsnění, kterým se zamezuje únik pracovního média kolem rotující části stroje. V praxi se převážně u parních turbín používají dva typy ucpávek. 5. KONTAKTNÍ UCPÁVKY Kontaktní ( dotykové ) ucpávky je moderní typ ucpávek, nejčastěji využívaných u turbín s malým výkonem. Jsou sestaveny z kroužků, které jsou vyrobeny z grafitu nebo kompozitního materiálu. Kompozit je materiál ze dvou nebo více substancí, které dohromady dávají výslednému výrobku nové vlastnosti. Kroužky jsou naskládány v ocelovém tělese s vertikální nebo horizontální dělící rovinou. Ucpávka vyjde pro stejné poměry kratší než labyrintová, je však vhodná pouze pro obvodové rychlosti do určité hodnoty. Její výhodou je menší hmotnostní průtok páry, malé rozměry, snadná montáž a s tím spojená jednoduchá výměna. Snadná výměna je důležitá, protože nevýhodou je omezená životnost, ovlivněná obvodovou rychlostí a dynamickými vlastnostmi rotoru. Kontaktní ucpávky jsou použity při konstrukci točivé redukce navrhované v této práci. 5. Kontaktní kroužková ucpávka [7] 5

34 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA BEZKONTAKTNÍ UCPÁVKY Název bezdotykové ucpávky je odvozen díky tomu, že nepohyblivé a rotující části se nedotýkají. Proto v této ucpávce nevznikají ztráty třením. Bezdotykové ucpávky se používají nejčastěji pro velké, konstrukčně složitější turbíny. Jsou tvořeny labyrintem těsnících břitů, proto se jim někdy říká ucpávky labyrintové. Název labyrintové je tedy odvozen z funkce ucpávky. Pára je nucena procházet úzkými mezerami mezi těsnícími břity z jedné komůrky labyrintu do druhé. Každá mezera klade průtoku páry odpor, a proto je v každé následující komůrce tlak nižší. Při klesání tlaků se zvětšuje objem páry a díky tomu proniká labyrintem jen poměrně malé množství páry. Bezpečnost chodu rotačního stroje vyžaduje, aby mezera měla určitou hodnotu, aby v případech nestejnoměrného nebo nestejného ohřátí stroje (jak se děje při uvádění stroje v chod, nebo při nahodilých vibracích) nenastalo tření pevných částic ucpávky o otáčející se hřídel a tím eventuelně i poškození stroje. Labyrintové ucpávky existuji ve variantách s pravým a nepravým labyrintem. Na rozdíl od dotykových ucpávek mají labyrintové ucpávky mnohem menší účinnost, ale téměř neomezenou životnost. (a) nepravý labyrint (b) pravý labyrint Obr.5. Bezkontaktní labyrintová ucpávka [9] 6

35 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA ZÁVĚR Současná společnost je energeticky velmi náročná a spotřeba energie obecně stále stoupá. Energetickými zdroji, které se v současné době pro výrobu energie využívají, jsou stále ještě neobnovitelné zásoby fosilních paliv, kterých samozřejmě nevratně ubývá. V dnešní době se pro výrobu technologické páry z ekologického hlediska jeví jako velice příznivé využívat spalování různých druhů biomasy, nejčastěji jde o odpady z výroby, např. dřevní či rostlinný odpad. Při spalování paliva v teplárenském průmyslu je jednou z možností jak snížit spotřebu energetických zdrojů při zachování, nebo dokonce navýšení získané elektrické a tepelné energie právě využití točivé redukce. Točivá redukce se uplatňuje pro sytou nebo mírně přehřátou páru, především tam, kde bývá napájena malými zdroji o malém hmotnostním průtoku a nízkých tlakových parametrech kotlů. Točivé redukce využívají část tepelné energie k výrobě elektřiny, a teplo, které není přeměněno na elektřinu, se využívá pro technologické účely, nebo pro topení. Lákající předností je relativně vysoká účinnost. Dalšími přednostmi jsou po technické stránce spolehlivost, nenáročnost na údržbu a rovněž pořizovací náklady jsou přijatelné. Pro tyto přednosti je točivá redukce zajímavá nejen pro země ekonomicky vyspělé, ale i pro země průmyslově se rozvíjející. Do budoucna se dá předpokládat, že neustálý pokrok vědeckého poznání a konkurenční situace na trhu povede výrobce energetických zařízení k dalšímu zdokonalování parních turbín pro nově projektované energetické celky. 7

36 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 LITERATURA [] FIEDLER, J.: Parní turbíny. CERM Brno. 004 [] KADRNOŽKA, J.: Lopatkové stroje. CERM Brno. 00 [] KADRNOŽKA, J.: Tepelné turbíny a turbokompresory. CERM Brno. 004 [4] ŠČEGLJAJEV, A. V.: Parní turbíny. SNTL Praha. 98 [5] BŘEZINA, J.: Parní a plynové turbíny. SNTL Praha. 965 [6] ŠKOPEK, J.: Parní turbina tepelný a pevnostní výpočet. TDP. 007 [7] Podklady a materiály firmy G-TEAM [8] ČÁSLAVA, J. Točivá redukce pomocí parní turbíny Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Doc. Ing. Jan Fiedler,Dr. [9] [0] [] 8

37 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 POUŽITÉ ZNAČENÍ A JEDNOTKY VELIČIN symbol rozměr název B m, mm šířka lopatkové řady c m/s absolutní rychlost c m, mm délka tětivy D m, mm střední průměr lopatkování h kj/kg tepelný spád i kj/kg entalpie k - konstanta l m, mm délka lopatky M t/h, kg/s hmotnostní průtok páry n s -, min otáčky p Pa, MPa tlak P W výkon s kj/kg.k entropie s m, mm rozteč lopatek S m průtočný průřez t C teplota u m/s obvodová rychlost v m /kg měrný objem w m/s relativní rychlost z - počet břitů z kj/kg ztráta z - počet lopatek α úhel vektoru absolutní rychlosti β úhel vektoru relativní rychlosti δ MPa ztráta δ mm, m vůle ε - parciální ostřik γ úhel nastavení η - účinnost ϕ - rychlostní součinitel ψ - rychlostní součinitel µ - průtokový součinitel ρ - stupeň reakce ξ - poměrná ztráta mm vzdálenost 9

38 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 POUŽITÉ INDEXY symbol název 0 na vstupu,,,4, body expanze a axiální b bandáž c celkový e ekvivalentní iz izoentropický i vnitřní krit kritický o, opt optimální ot totální ostřik pr předběžný p tlaková R oběžná lopatková řada r, R radiální red redukovaná sp spouštěcí ventil S rozváděcí lopatková řada segm segmentové š špička t totální tř třecí tdi termodynamická tdit termodynamická turbíny u obvodová 40

39 FSI EÚ JEDNOSTUPŇOVÁ PARNÍ TURBÍNA 009 SEZNAM PŘÍLOH Výkres podélného řezu jednostupňovou parní turbínou i-s diagram 4