диплом_1 / 5 ТУРБІНА-8

60

5 РОЗРАХУНОК ТУРБІНИ, ПОТУЖНІСТЮ 350 кВт

Одноступінчата турбіна є турбіною простого типу. Її частина, що обертається, складається з валу, на який насаджений диск  з робочими лопатками; у корпусі турбіни вставлена одне або декілька сопів, створюючих разом з лопатками її проточну частину.

На нижній частині розгорнений на горизонтальній площині перетин сопів і лопаток. Осі сопел розташовані під деяким кутом (зазвичай в межах 12—20°) до площини диска.

У верхній частині представлені криві зміни тиску і абсолютної швидкості пари при його проходженні по проточній частині турбіни. Свіжа пара з тиском  підводиться до сопел. У соплах пара розширюється і тиск його падає, а швидкість пари зростає. З цією швидкістю пара поступає на робочі лопатки, яким він віддає частину своєї кінетичної енергії і приводить в обертання вал і диск з укріпленими на нім лопатками.

Абсолютна швидкість пари при цьому зменшується до величини вихідної швидкості С₂. Розширення пари на робочих лопатках не відбувається, тому тиск пари до колеса  рівний тиску за колесом. Не дивлячись на простоту пристрою, одноступінчаті парові турбіни великого розповсюдження не отримали із-за властивого ним великого числа оборотів, неможливості досягти високого коефіцієнта корисної дії, при значних перепадах тепла, і неможливості отримання великих потужностей.

Застосування енергоагрегатів на базі парових турбін малої потужності дозволяє з найменшими тимчасовими і фінансовими витратами переобладнати котельні, що діють, знов вводяться і реконструюються, на сумісне вироблення теплової і електричної енергії за рахунок використання пари, що виробляється, без додаткових паливних витрат і викидів.

Модульне виконання агрегатів, їх компактних розмірів і невеликої маси дозволяють включитися в існуючу теплову схему, вести монтаж в приміщеннях котельних, що діють, без капітального будівництва [15]. 

Мікротурбіни має наступні показники надійності:

• термін служби між капітальними ремонтами – не менше 5 років;

• середнє напрацювання на відмову - не менше 7000 ч;

• коефіцієнт готовності - не менше 0,98;

• повний встановлений термін служби - не менше 25 років, за винятком деталей, що швидко зношуються.

Таблиця 5.1 Основні технічні характеристики мікротурбін парових [13]

Потужність, кВт	80 – 1000
Частота обертання ротора: -турбины, об/хв -генератора, об/хв	60000 60000
Тиск пари перед стопорним клапаном турбіни, МПа	0,7 – 3,43
Температура пари перед стопорним клапаном турбіни °С	170 – 435
Тиск пари у відборі, МПа (поставляється з відбором або без відбору на вибір Замовника)	0,2 – 0,8
Тиск пари за турбіною, МПа	0,006 – 0,8
Витрата пари, т/год	1,5 – 35
Тип генератора	Асинхронний/синхронний
Напруга генератора, В	400/6300 (-5%+10%)
Тип охолоджування генератора	Повітря, по розімкненому контуру
Термін служби, не менше, років	25

5.1 Початкові дані:

Номінальна потужність мікротурбінитурбіни:

N_т = 350 кВт;

Тиск пари перед турбіною:

Р_о=1,3 МПа;

Тиск за турбіною (протитиск):

Р₂=0,3 МПа;

Число оборотів вала турбогенератора у хвилину:

N=60000 об/хв.

5.2 Додаткові початкові дані:

Ступінь парциальности (немає заглушених сопел):

E_ps=1;

Відношення:

U/C₁=0,6;

ККД турбіни:

η_eff=0,75;

Коефіцієнт втрати швидкості в соплах:

F_i=0,95;

Коефіцієнт швидкості в каналах:

P_si=0,93;

Абсолютний кут виходу з сопел:

α₁=20^о;

Відношення середнього діаметру виходу до зовнішнього діаметру колеса: D₂/D₁=0,5;

Реактивність ступеня:

R_o=0.

5.3 Розрахунок:

Ентальпія початкова:

h_o=2787 кДж/кг;

Ентропія початкова:

S_о=6,49 кДж/(кг∙К);

Ентальпія за ступенем теоретична:

h_2t=2521 кДж/кг;

Перепад ентальпій ідеальний:

Δh_t=266 кДж/кг;

Витрата пари через турбіну:

G_о= N_т/(η_eff∙Δh_t);

G_о=350/(0,75∙266)=1,75 кг/с;

Ентальпія за соплами теоретична:

h_1t= h_o- Δh_t (1- R_o);

h_1t=2787-266(1-0)=2521 кДж/кг;

Теоретична швидкість за соплом:

C_1t= ;

C_1t= =729,4 м/с;

Реальна швидкість за соплом:

С₁= C_1t∙ F_i;

С₁=729,4∙0,95=692,9 м/с;

Втрати в соплах:

Δh_c=( C_1t²- С₁²) /2000;

Δh_c =(729,4-692,9) /2000=26 кДж/кг;

Ентальпія за соплами реальна:

h₁= h_1t+ Δh_c;

h₁=2521 +26=2547 кДж/кг;

Тиск за соплами:

P₁=P_о-( P_о-P₂)∙(1- R_o);

P₁=13-(13-3) ∙ (1-0)=3 бар;

Питомий об'єм пари за соплами:

V₁=0,55 м3/кг;

Окружна швидкість на вході:

U₁=С₁∙ (U₁/C₁);

U₁=692,9∙ (0,6)=415,7 м/с;

Діаметр колеса:

D₁= U₁/(π∙ N/60);

D₁= 415,7/(3,14∙ 60000/60)=0,132 м;

Вихідна висота сопів:

L₁= V₁∙ G_о/( р∙ D₁∙ E_ps∙ С₁∙sin(α₁));

L₁= 0,55∙ 1,75/( 3,14∙ 0,132∙ 1∙ 692,9∙sin(20))= 0,01 м;

Відносна швидкість входу:

W₁= ;

W₁= =334 м/с;

Відносний кут входу :

β₁=asin(С₁∙sin(α₁)/ W₁);

β₁=asin(692,9∙sin(20)/ 334)=45,2^o;

Відносна швидкість виходу:

W₂= P_si∙;

W₂= 0,93∙=310,6 м/с;

Середній діаметр виходу:

D₂=D₁∙( D₂/D₁);

D₂=0,132∙ ( 0,5)=0,066 м;

Середня окружна швидкість виходу:

U₂= π∙ D₂∙N/60;

U₂= 3,14∙ 0,066∙60000/60=207,8 м/с;

Абсолютний кут виходу з колеса:

α₂=90^о;

Абсолютна швидкість виходу на середньому діаметрі:

С_2ср=;

С_2ср==230,8 м/с;

Середній відносний кут виходу:

β_2ср= asin(С_2ср/ W₂);

β_2ср= asin(230,8/ 310,6)=48^о;

Питомий об'єм виходу:

V₂= 0,56 м3/кг;

Вихідна висота:

L₂= G_о∙ V₂/(р∙ D₂∙ E_ps∙ W₂∙sin(β_2ср));

L₂= 1,75∙ 0,56/(3,14∙ 0,066∙ 1∙ 310,6∙sin(48))=0,02 м;

Кореневий діаметр виходу:

D_2к= D₂- L₂;

D_2к= 0,066- 0,02=0,046 м;

Коренева окружна швидкість виходу:

U_2к= π∙ D_2к∙ N/60;

U_2к= 3,14∙ 0,046∙ 60000/60=145,9 м/с;

Абсолютна швидкість виходу в кореневому діаметрі:

С_2к= ;

С_2к= =274,2;

Кореневий відносний кут виходу:

β_2к= asin(С_2к/ W₂);

β_2к = asin(274,2/ 310,6)=62^о;

Периферійний діаметр виходу:

D_2п= D₂+ L₂;

D_2п= 0,066+ 0,02=0,086 м;

Переферійная окружна швидкість виходу:

U_2п = π∙D_2п∙ N/60;

U_2п = 3,14∙ 0,086∙ 60000/60=269,9 м/с;

Абсолютна швидкість виходу на переферийном діаметрі:

С_2п= ;

С_2п= =153,7 м/с;

Периферійний відносний кут виходу:

β_2п= asin(С_2п/ W₂);

β_2п= asin(153,7/ 310,6)=29,7^о.

5.4 Висновки по розрахунку:

Виходячи з отриманих результатів розрахунку турбіни, можна зробити висновок, що така мікротурбіна може бути насправді спроектована та створена, звичайно для данної мікротурбіни потрібно кваліфіковано підбирати відповідні матеріали, що витримають відповідні механічні та температурні навантаження.

У підшипниках даннох мікротурбіни потрібно використовувати повітряний клин, що буде виконувати як охолоджувальну функцію так і сприяти невисокому рівню шуму та вібрації, при таких значних обертах ротора тубіни.

Данна мікротурбіна є досить маневреною, із-за своїх відносно невеликих габаритів повинна швидко прогріватися та виходити на номінальну нагрузку з холодного стану.