4 TURBI E S VIŠE STUP JEVA

Transcript

1 49 4 TURBI E S VIŠE STUP JEVA 4. Termodinamički procesi u turbini s više stupnjeva U suvremenim termoelektranama i nuklearnim elektranama raspoloživi toplinski pad na turbini kreće se od do 6 kj/kg. Niti sa suvremenom razinom čvrstoće materijala nismo u mogućnosti konstruirati turbinu sa samo jednim stupnjem za tako visoki toplinski pad. Brzina strujanja na izlazu iz lopatica statora bi kod takvih toplinskih padova iznosila 5 do 7 m/s i za obični akcijski stupanj iziskivalo bi obodne brzine od do m/s. Pri takvoj obodnoj brzini nismo u stanju osigurati potrebnu čvrstoću rotora turbine i lopatica rotora. Pored toga, Machov broj strujanja od 3. do 3.5 podrazumijevao bi jako velike gubitke energije u struji pare. Iz tih se razloga velike parne turbine za sve namjene izrađuju kao turbine s više stupnjeva. Para u takvim turbinama ekspandira uzastopno na odabranom broju stupnjeva. Toplinski pad na svakom od tih stupnjeva je mnogo manji od onoga za cijelu turbinu. Obodne brzine na lopaticama su u području 2 do 5 m/s na visokotlačnim i srednjetlačnim dijelovima turbine te 35 do 45 m/s na niskotlačnim dijelovima kondenzacijske turbine. U većini stupnjeva je Machov broj strujanja manji od jedinice. Pogledajmo shematski prikaz turbine s više stupnjeva s relativno visokim tlakom ispuha (slika 4.). Kako je opisano u poglavlju 2, stupanj turbine je kombinacija jednog reda statorskih lopatica i jednog reda rotorskih lopatica. Četiri takva akcijska stupnja prikazana su kao stupnjevi turbine na slici 4.. Na ulazu u turbinu glavna para ulazi u opatice statora prvoga stupnja koje su uložene u gnijezda. Lopatice rotora na prvom i sljedećim stupnjevima montirane su na diskovima koji su iskovani zajedno s rotorom. Nakon prolaska kroz lopatice rotora prvoga stupnja, para ulazi u lopatice statora drugoga stupnja koje su montirane u dijafragmi. Dijafragme II., III. i IV. stupnja učvršćene su u prstenastim utorima u kućištu turbine. bi smanjili propuštanje pare kroz zračnost brtve između dijafragme i vratila rotora, brtve su smještene na najmanjem radiusu u provrtu u sredini dijafragme. Razdioba tlakova i zakretnih momenata prikazana je na slici 4.. Slika 4. Put pare u turbini i razdioba tlakova i zakretnog momenta duž osi turbine p I - p IV - padovi tlaka na stupnjevima turbine I do IV, p - glavni tlak pare na ulazu u turbinu, p - tlak ispuha

2 5 Slika 4.2 h-s dijagram za ekspanziju pare na turbini s više stupnjeva Kako možemo vidjeti, tlak pare se smanjuje tek malo u svakom stupnju turbine. Kod stupnjeva akcijske turbine ovaj pad tlaka se odvija samo u lopaticama statora. Moment na vratilu rotora se povećava od stupnja do stupnja jer se dodaje zakretni moment sa svakoga od stupnjeva u smjeru prema spojki na vratilu. Zakretni moment i kutna brzina rotora definiraju snagu turbine: P= Mω Lijeva strana vratila turbine prenosi mali moment M potrebn za pogon pumpe ulja koja je smještena na prednjoj strani turbine u kućištu ležaja. Na slici 4.2 prikazan je h-s dijagram ekspanzije pare u turbini s 4 akcijska stupnja. Kako para ekspandira u stupnjevima, njen tlak se smanjuje a specifični volumen povećava. To iziskuje da se protočna površina lopatica povećava u smjeru ekspanzije pare. Intenzitet rasta visine lopatica određen je Machovim brojem za strujanje pare po stupnjevima i taj je intenzitet viši na mjestima strujanja s višim M brojem. Pri M brojevima blizu nule (tj. pri strujanju nestlačivog fluida) visina lopatica bi mogla biti ista na svim stupnjevima duž struje fluida. Ako je turbina s više stupnjeva sastavljena od reakcijskih stupnjeva, lopatice statora smještene su izravno na kućište turbine. Primjena diskova na rotoru ne dolazi u obzir jer bi tada aksijalna sila na rotoru bila jako velika (zbog razlike tlaka ispred i iza rotora). Jednako se ne koriste niti dijafragme. Kod reakcijske turbine se koriste rotori u obliku glatkoga bubnja iz kojega vire van samo lopatice rotora. Tada razlika tlaka djeluje samo na prstenastu površinu koju čini projekcija prstena lopatica u smjeru osi rotora. Slika 4.3 Reakcijska turbina s više stupnjeva

3 Drugo svojstvo reakcijskih stupnjeva je da je obrađeni toplinski pad po stupnju mali, manji od akcijskog, tako da je za isti ukupni toplinski pad kod reakcijske turbine potreban veći broj stupnjeva nego kod akcijske turbine. Veliki broj stupnjeva turbine teško je smjestiti u samo jedno kućište. Zbog toga mnoge suvremene turbine u pravilu imaju više kućišta (visokotlačno, srednjetlačno i niskotlačno). Turbine s više stupnjeva imaju brojne prednosti obzirom na turbine s jednim stupnjem:. Pošto je raspoloživi toplinski pad po stupnju manji kod turbina s više stupnjeva, moguće je ostvariti optimalne omjere brzina u/c f i postići viši stupanj djelovanja. Što je veći broj stupnjeva, manji je toplinski pad po jednom stupnju i manje su brzine c f i u. Sada je jasno da se s većim brojem stupnjeva smanjuje Machov broj na stupnju. 2. S povećanjem broja stupnjeva kod turbine s više stupnjeva povećava se visina lopatica statora i rotora na svim stupnjevima. Visinu lopatica možemo izračunati po jednadžbi: A l = π d esinα ef 5 gdje je povećanje dužine lopatice vezano uz smanjenje srednjeg promjera stupnja i povećanje potrebne protočne površine kaskade. Srednji promjer stupnja se smanjuje s povećanjem broja stupnjeva, obzirom da je toplinski pad na stupnju manji, pa je i odgovarajuća optimalna obodna brzina manja. Protočna površina A se povećava pri manjoj brzini strujanja na lopaticama statora. Obzirom na to sve, smanjuje se gubitak energije na krajnjim plohama kanala (na korijenu i na vrhu lopatica) te gubitak zbog propuštanja. Kod turbina maloga kapaciteta s parcijalnim privodom pare, povećanje broja stupnjeva i smanjenje njihova promjera omogućuje povećanje stupnja parcijalnosti te smanjuje gubitke energije zbog parcijalnosti privoda. 3. U turbinama s više stupnjeva, kinetička energija struje na izlazu iz ranijeg stupnja može se koristiti u sljedećem stupnju. Na taj način se gubitak kinetičkom energijom na među-stupnjevima turbine poništava jer predstavlja dobitak na sljedećem stupnju. Gubitak kinetičkom energijom izlazne pare imamo samo na zadnjem stupnju turbine ili stupnju prije neke veće komore unutar turbine. 4. Kod turbine s više stupnjeva, gubitak topline iz ranijeg stupnja je dijelom oporavljen za proizvodnju korisne energije na sljedećem stupnju po efektu dogrijavanja (vidi poglavlje 4.2). 5. Konstrukcija turbine s više stupnjeva omogućuje odvodnju pare za regenerativno zagrijavanje napojne vode i međupregrijanje pare, čime se povećava stupanj djelovanja ukupnog parnoturbinskog postrojenja. Nedostaci turbina s više stupnjeva su brojni, a biti će spomenuta sljedeća dva:. Pri većem broju stupnjeva, turbina postaje vrlo složena,a njena proizvodnja skuplja U energetici je to opravdano višim stupnjem djelovanja same turbine i parnoturbinskog postrojenja. 2. Turbine s više stupnjeva imaju veće gubitke energije zbog propuštanja pare na brtvi prednjega kraja i na brtvama dijafragmi. Tlak na prednjoj brtvi je kod velikog broja turbina velik. Kod akcijske turbine s jednim stupnjem, nemamo nikakvih gubitaka propuštanja na brtvama dijafragme. Treba imati na umu da konstrukcija turbine obuhvaća kontrolirani dovod pare putem glavnog i regulacijskih ventila, koji su smješteni na ulazu pare u visokotlačni dio turbine i po potrebi u srednjetlačni dio turbine, osobito kod turbine s međupregrijanjem. Protok na tim ventilima vezan je uz hidrodinamičke gubitke energije, čime se smanjuje stupanj djelovanja turbine. Turbina ima i spojne

4 cijevi između pojedinih kućišta, kao i ispušni vod prema kondenzatoru. U svim tim spojevima stvaraju se također hidraulički gubici energije Faktor dogrijavanja Prednost turbina s više stupnjeva je u tome da se gubici energije iz početnih stupnjeva mogu dijelom oporaviti za proizvodnju rada u sljedećim stupnjevima. Gubici energije po stupnju pretvaraju se u toplinu koja se predaje ispušnoj pari iz stupnja i uzrokuje prirast entalpije na tlaku iza tog stupnja. To dovodi do povećanja temperature pare (ako se radi o pregrijanoj pari) ili smanjenja sadržaja vlage (ako se radi o vlažnoj pari). ako možemo vidjeti na slici 4.2, > ( ) II II, > ( ) III III itd. Za ovaj dobitak u toplinskim padovima je poznato da je prouzročen divergencijom (širenjem) izobara u h-s dijagramu u smjeru povećanja entropije. Prema tome, ako su toplinski padovi na stupnjevima turbine I, njihov zbroj će biti veći od toplinskog pada duž glavne izentrope: z i= II, III itd, te ako ih zbrojimo, i = Q ( 4. ) gdje je Q oporavljena toplina od gubitaka energije u stupnjevima, čime se povećava raspoloživa energija na stupnjevima turbine s više stupnjeva u usporedbi s turbinom sa samo jednim stupnjem. Pokušati ćemo izračunati stupanj djelovanja za turbinu s više stupnjeva uz pretpostavku da se sastoji od stupnjeva koji imaju isti stupanj djelovanja η : st ri z z ( i) ( i) st ( i) η z + Q i ri i i= i= st i= st st η ri = = = = ηri = ηri = ηri ( + qt) ( 4.2 ) Slika 4.4 Podloga za izvod faktora dogrijanja

5 53 Slika 4.5 Faktor dogrijanja za turbinu s beskonačnim brojem stupnjeva i κ =.3 gdje je: q t = Q faktor dogrijavanja (reheat factor) Kako slijedi iz jednadžbe (4.2), utjecaj oporavka topline povećava indicirani stupanj djelovanja turbine u usporedbi s turbinom sa samo jednim stupnjem. Ovaj prirast je određen faktorom dogrijanja, koji se može mijenjati od.2 do. ovisno o, broju stupnjeva i stupnju djelovanja. Za turbinu s poznatim h-s dijagramom za ekspanziju pare i sa zadanim brojem stupnjeva, faktor dogrijanja može se lako naći po jednadžbama (4.) i (4.2). Grube procjene mogu se dobiti brojnim metodama za izračunavanje faktora dogrijanja. Jedna od njih temelji se na određivanju oporavljene topline u h-s dijagramu (slika 4.4) Uz pretpostavku da je stvarni proces u turbini s beskonačnim brojem stupnjeva prikazan linijom -2, suma toplinskih padova određena je dijelovima -2t i '-2. Toplinski pad određen dijelom '-2 odgovara hipotetskom slučaju kada je temperatura pare ispred prvoga stupnja povećana zbog oporavka svih gubitaka topline na svim ranijim stupnjevima. Pošto se ukupni gubitak energije povećava od stupnja do stupnja, gotovo linearno, stvarna suma toplinskih padova se određuje pomoću izentrope a-b koja prolazi kroz središta dijelova 2t-2 i -'. Prema tome, faktor dogrijanja za turbinu s beskonačnim brojem stupnjeva možemo naći po jednadžbi: q t = ab ( 4.3 ) Uzmimo sada jednadžbu za raspoloživi toplinski pad: κ κ κ p κ κ 2 κ p2 = = RT p v ( 4.4 ) κ p κ p gdje je v = v''x, za vlažnu paru. Oporavljenu toplinu ab Q = možemo naći na sljedeći način: i κ ( ) p = R T T κ p Q a 2 κ κ

6 Pošto su: 54 T a i = T + 2c p ( ηri) i = konačno možemo dobiti: q t = K T ( ηri) ( 4.5 ) gdje je K konstantni faktor ovisan o eksponentu izentrope κ i plinskoj konstanti R. Jednadžba (4.5) za beskonačni broj stupnjeva je pogodna za proračune u h-s dijagramu za ekspanziju pare kada se mijenjaju κ i R. Za slučajeve kada možemo koristiti jednadžbu idealnoga plina, ova se jednadžba može pisati u drugačijem obliku (vidi sliku 4.5): κ ( ) κ st p2 q = t K ' ηri ( 4.5a ) p Pri konačnom broju stupnjeva, faktor dogrijanja se smanjuje, obzirom da se toplinski pad na prvome stupnju ne povećava zbog dogrijanja. Zbog toga se pri konačnom broju stupnjeva oporavljena toplina Q smanjuje za vrijednost koju ćemo naći po slici 4.4: I ( ) cb Q= Ako je toplinski pad jednak na svim stupnjevima, imamo: z z cb ab = z z I = a faktor dogrijavanja za konačni broj stupnjeva može se prikazati u obliku: q = ab I ( ) I z z = q t z z ( 4.6 ) Za praktične proračune, ova je jednadžba izmijenjena u oblik: q t z = k( η ri) ( 4.7 ) z gdje koeficijent k ima vrijednosti (za u kj/kg): k t =.48 k t =.28 k t =.32 do.43 za stupnjeve koji rade s pregrijanom parom za stupnjeve koji rade s vlažnom parom za stupnjeve na prijelazu pregrijane pare u vlažnu paru

7 55 Kućište Stražnja brtva Prednja brtva Donja Gornja Slika 4.6 Labirintne brtve suvremenih parnih turbina a - s trakama (jezicima) na statoru i ekspanzijskim utorima na rotoru, b - s trakama na rotoru, c - brtva na ravnoj plohi na niskotlačnom kućištu, d - brtva s jezičcima na statoru i rotoru 4.3 Izvedba brtvi Izvedba brtvi definira u značajnoj mjeri pouzdani rad turbine. U turbinama s više stupnjeva, krajnja brtva i brtve na dijafragmama se obično izvode kao labirintne. Stupanj turbine ima brtve a bandaži i na korijenu lopatica rotora. Za djelotvorno funkcioniranje bilo koje labirintne brtve značajno je kako je projektiran njen elementarni dio, tj. traka ili jezičak za brtvljenje i prva ekspanzijska komora. Posebno je važno da se sva kinetička energija propuštene pare u potpunosti poništi prije sljedećega propuštanja na novoj zračnosti. Pod tim uvjetima ukupno propuštanje kroz brtvu će biti najmanje. Kako je rečeno u poglavlju 3.2, poželjno je povećati broj procjepa z na labirintnoj brtvi da bi se smanjilo propuštanje pare kroz nju. Iz tih razloga projektanti nastoje smjestiti čim veći broj procjepa na zadanu dužinu brtve s time da ekspanzijske komore imaju dovoljno veliki volumen za umirivanje propuštene struje pare i gašenje njene kinetičke energije. Protok pare na labirintnim brtvama najdjelotvornije se može smanjiti maksimalnim smanjivanjem zračnosti na mjestima propuštanja, tj. zračnosti između vrha jezička lamele i nasuprotne površine. Pri najmanjim zračnostima može u radu doći do dodira vrha jezička s nasuprotnom površinom i do trenja. Ako se to dešava samo na jednoj strani po opsegu brtve, taj dio će se više grijati i još više deformirati zbog termičkih dilatacija. Ako do takvoga grijanja dolazi na samo jednoj strani rotora, doći će do deformacije rotora, do vibracija turbine i početka trenja i na drugim brtvama zbog pomaka osi rotora. Zbog zagrijavanja dolazi do većih termičkih dilatacija i naprezanja u tom dijelu rotora su tlačna, a na hladnoj strani vlačna. Ako dođe do naprezanja koja prelaze granicu elastičnosti, doći će do trajne deformacije rotora, posebno kada se takav rotor nakon obustavljanja rada ohladi. Rotor s takvim deformacijama treba ponovno izravnati i balansirati. Radi se o vrlo opsežnom poslu zbog čega je potrebno rotor isporučiti na popravak u poduzeće koje je proizvelo turbinu. Dvije glavne metode se koriste u suvremenim konstrukciji brtvi na krajevima turbine i na dijafragmama da se spriječi moguće trenje zbog dodira jezičaka i brtvenih površina, zagrijavanje i uz to vezano krivljenje rotora U slučajevima kada se brtvene trake I montirane na statoru (slika 4.6a), na rotoru se stavljaju ekspanzijski utori. Ako dođe do trenja, metal rotora u presjecima između dva utora će slobodnije dilatirati, tako da neće prouzročiti deformaciju rotora. U drugoj metodi koriste se tanke trake (jezičci) na rotoru (slika 4.6b). Pošto je njihova debljina mala, one zbog male površine presjeka za provođenje topline nisu u stanju prenijeti mnogo topline na sam rotor.

8 56 iz otplinjača Slika 4.7 Shema brtvljenja veće parne turbine - brtvljenje regulatora pare, 2 - glavni vod pare za brtvljenje, 3 - sigurnosni ventil, 4 - odvod pare za II oduzimanje, 5 - odvod pare na IV oduzimanje, 6 - odvod pare na zagrijač pare za brtvljenje, 7 - odvod pare s krajnjih brtvi na zagrijač pare za brtvljenje Ako su aksijalni pomaci rotora prema statoru veliki (na primjer u niskotlačnoj turbini velike elektrane), izbjegava se korištenje brtvenih površina s utorima i radije se koriste ravne (glatke) brtvene površine. Tada se brtvena površina na rotoru izvodi kao glatka, bez utora, a brtvene trake se montiraju na stator (slika 4.6c) ili se koriste izvedbe kao na slici 4.6d. Za minimiziranje propuštanja pare, jezičci su nagnuti nasuprot strujanju pare pri propuštanju. Brtve prikazane na slikama 4.6c i 4.6d dopuštaju velike relativne aksijalne pomake (sve do 3-35 mm) rotora prema statoru. Kod brtvi s utorima (slike 4.6a i 4.6b) je relativni aksijalni pomak ograničen veličinama utora i ploha među njima. Krajnje brtve kućišta, na mjestima gdje vratilo rotora izlazi van kućišta mogu imati različiti broj sekcija s različitim brojem komora za dovod ili odvod pare, ovisno o organizaciji strujanja pare u njima. Na slici 4.7 prikazan je primjer brtvljenja pomoću krajnjih labirintnih brtvi na jednoj kondenzacijskoj turbini veće snage. Krajnje brtve svih kućišta turbine podijeljene su u sekcije s komorama između njih. Komore služe za dovod ili odvod pare. Brtva na prednjoj strani kućišta visokotlačne turbine ima najveći broj sekcija. Iz prve sekcije (najbliže unutrašnjosti kućišta) ove brtve para se odvodi u ispušni vod pare iz visokotlačne turbine, tako da se ona može koristiti na daljnjim stupnjevima turbine. Iz komora nakon druge sekcije prednje brtve i nakon prve sekcije stražnje brtve (na ispušnoj strani kućišta) te iza prve sekcije prednje brtve na srednjetlačnoj turbini para se vodi u četvrto regeneracijsko oduzimanje. Iz sljedećih sekcija brtvi na visokotlačnom i srednjetlačnom kućištu para se odvodi na zagrijač G pare za brtvljenje unutar sustava regeneracije. Krajnje komore svih brtvi povezane su s parnim prostorom zagrijača 7 za brtvenu paru pri tlaku malo nižem od atmosferskog (pri MPa apsolutnog tlaka), kako bi se spriječilo istjecanje pare iz turbine u okolni prostor. Sljedeće unutarnje komore su vezane na dovod pare iz otplinjača putem glavnog voda pare 2 s malim reguliranim pretlakom obzirom na atmosferski tlak ( do 2 kpa ili. do.2 bar). Na taj način se sprječava da vanjski zrak prodre u sustav pare. Ova para ujedno služi i kao rashladno sredstvo za krajeve rotora koji se oslanjaju u ležajevima turbine. U turbinama za nuklearne elektrane para može biti radioaktivna, pa se za sprječavanje njena propuštanja van turbine dovodi ne-radioaktivna para za brtvljenje iz posebnih generatora pare ili evaporatora. Na slici 4.8 prikazane su brtve na primjeru jedne veće turbine. Kod ovih turbina se brtva stvara od jezičaka na statoru i pravokutnih prstena i upusta na rotoru. Trake jezičaka na statoru ugrađene su u kanale i fiksirane u brtveni prsten koji je sastavljen od 4 do 6 segmenata ugrađenih u žljebove u jarmu 2. Izdanci na segmentima su pritisnuti prema izdancima oslonaca pomoću lisnatih opruga. Zbog razlike tlaka u kućištu turbine i vani, ti elementi su pritisnuti aksijalno, tako da među njima gotovo nema propuštanja.

9 57 Ukupni zazor za pola kruga Barem Pogled na spoj Korak 5 mm Kućište Slika 4.8 Labirintna brtva - brtveni prsten sastavljen od 4 segmenta, 2 - jaram brtve iz dvije polovice, 3 - radijalni osigurač, 4 - zaustavna ploča, 5 - vijak za osiguranje Niz brtvenih prstena ugrađenih u jaram stvara sekciju brtve. Između pojedinih sekcija brtve formiraju se komore za dovod ili odvod pare, ovisno o shemi organizacije strujanja pare (slika 4.7). Broj takvih komora u brtvama može biti od 2 do 5, ovisno o tlaku koji brtvimo. Jarmovi brtvi ugrađuju se u kućište turbine na isti način kao i dijafragme s lopaticama statora pomoću osigurača (presjeci BB i CC na slici 4.8). Aksijalni položaj jarmova određen je položajem jezičaka montiranih na statoru obzirom na utore u rotoru i na način da ne dolazi do izravnog dodira među dijelovima pri termičkim dilatacijama rotora obzirom na stator. U navedenim izvedbama brtvi, trake jezičaka pričvršćene su s brtvljenjem na cijelom luku segmenta. Da sile na jezičke u slučaju dodira ne bi bile suviše velike, segmenti imaju određenu slobodu pomaka u radijalnom smjeru. Zračnost a ne smije biti manja od 2-3 mm. Radijalna zračnost na jezičcima δ t ovisi o promjeru brtve d g i obično je δ t = (.-.5) d g, tj mm. Slika 4.9 Prosječna dubina erozijskog habanja ovisno o vremenu rada lopatice

10 58 Slika 4. Lopatica rotora s oblogom od stelita Materijali koji se koriste za izradu traka jezičaka su bronca u području niskih temperatura, Monel metal u području umjerenih temperatura i nehrđajući čelik u području viših temperatura. Da bi se smanjilo habanje pri eroziji od strane vlažne pare na turbinama u nuklearnim elektranama, elementi brtve izrađeni su od legiranog čelika s velikim sadržajem kroma i posebnim prevlakama za zaštitu od erozije. 4.4 Erozija na dijelovima parne turbine Lopatice rotora na zadnjim stupnjevima kondenzacijske turbine su dijelovi turbine koji su izloženi habanju (eroziji) od udaraca kapljica vlage. Na dijelovima turbine gdje para ima visoki sadržaj vlage i veliku brzinu strujanja, posebno kod visokotlačnih kućišta turbina koje rade na zasićenu paru, na primjer u nuklearnim elektranama, može pored toga doći do erozije na žljebovima u kućištu turbine, jarmovima, dijafragmama, opremi i drugim dijelovima. Erozijsko habanje lopatica rotora zbog udara kapljica vode u vodeće bridove lopatica (slika 3.28) u početku ima izgled nepravilnih točki, nakon kojih dolazi do stvaranja udubljenja, kratera, rupa i sličnog, čime se narušava geometrija profila lopatice i stupanj djelovanja. Mehanizam erozijskog habanja na lopaticama rotora vezan je uz zamor materijala lopatica pod djelovanjem visokih lokalnih mehaničkih naprezanja od udara kapljica u stjenku lopatica. Tlak koji se razvija udarcem kapljice u površinu metala može se izračunati po jednadžbi (prema N.E. Zhukovsky): p = α ρ w a gdje je ρ gustoća tekućine u kanalu, w je relativna brzina udara kapljice u lopaticu, a je brzina zvuka u fluidu, a α je koeficijent čija se vrijednost mijenja od.25 do.5 ovisno o brzini kapljice w. Pri brzini w > 5 m/s, α =.5. Tlak sudara kapljice može doseći 3 MPa pri brzini od 3 m/s. Ovu relativnu brzinu udara možemo postići pri obodnoj brzini malo višoj od 3 m/s (vidi sliku 3.28). Osim mehaničkih naprezanja, na proces erozije mogu utjecati i drugi faktori kao što su korozija, kavitacija itd. U cijelome procesu obično razlikujemo tri vremenske faze (slika 4.9): I - period inkubacije tijekom kojega se u površinskom sloju nakuljaju efekti zamora materija (stvaranje i rast zamornih pukotina), II - period teške i uznapredovale erozije i III - period sporijeg napredovanja erozije. Dužina ovih perioda ovisi o udjelu vlage u pari, disperziji vlažnosti i brzini udara kapljica u površinu lopatica. Manja brzina

11 erozije u III. periodu može se objasniti prigušnim efektom kapljevine nakupljene u udubljenjima na površini lopatica. Razdioba vlage u struji pare na zadnjim stupnjevima turbine nije ujednačena u radijalnom smjeru. Najveća koncentracija vlage je na obodu, pri vrhu lopatica i može se spuštati prema korijenu lopatice, Dio lopatice koji je izložen udaru kapljica čini vanjsku trećinu visine lopatice. Za spječavanje ili smanjenje erozijskog napada na lopaticama rotora poduzimaju se sljedeće mjere:. Udio vlage u pari na ispuhu iz turbine se smanjuje s povećanjem temperature glavne pare, ponovnim zagrijavanjem pare, korištenjem separatora vlage iz pare u kombinaciji s dogrijavanjem separirane pare (koristi se u nuklearnim elektranama). 2. Primjena različitih uređaja za odvajanje (separaciju) vlage unutar turbine (separatori među stupnjevima, uređaji za prikupljanje vlage po obodu stupnjeva turbine, stupnjevi za odvajanje vlage). 3. Povećanjem razmaka između lopatica statora i rotora pogoduje se raspadu kapljica kondenzata i smanjenju razlike u brzini kapljica i pare. Ovaj razmak može biti širok do -3 mm. 4. Napuštanjem žice za povezivanje lopatica jer ona pogoduje povećanju sadržaja vlage. 5. Dodavanje uzdužnih kanala u ulaznom dijelu stražnje strane lopatica pri njihovom vrhu. Tu se vlaga nakuplja u kanalima i prigušuje udarce nadolazećih kapljica. Ovi kanali pospješuju odvođenje tekućine s lopatica. 6. Primjena materijala otpornih na eroziju s povećanjem čvrstoće površine lopatice i primjenom zaštitnih obloga. Prednji bridovi na poleđini lopatica rotora zaštićuju se navarivanjem sloja stelita ili stelitnih obloga koristeći srebrni lem (slika 4.). Stelit je tvrda legura na bazi kobalta, koja je vrlo otporna na habanje. Pokrovne ploče od stelita sastoje se iz brojnih sekcija po visini lopatice kako bi se smanjila smična naprezanja u lemu pri termičkim dilatacijama. U parnim turbinama nuklearnih elektrana koje rade s radioaktivnom parom, ne smijemo koristiti kobalt, niti kao legirajući element iz razloga radioaktivne sigurnosti. Bridovi ovih lopatica kod tih turbina su površinski otvrdniti ili imaju navarene tvrde slojeve. Ove mjere pomažu u sprječavanju opasnog erozijskog oštećenja lopatica na obodnim brzinama m/s uz sadržaj vlage oko 8% ili pri nižim obodnim brzinama sa sadržajem vlage oko 2-4%. 59 Slika 4. Brtve na vrhu lopatica za rad s vlažnom parom (niskotlačna turbina) a, b - iza lopatica statora na zadnjem stupnju, c, d - iza lopatica rotora na među-stupnju

12 6 Slika 4.2 Put pare u parnoj turbini Škoda s procjepima u izlaznim dijelovima lopatica statora (brojke označavaju dimenzije procjepa i obodnu brzinu lopatica, m/s) 4.5 Odvajanje vlage u turbinama Odvajanje vlage iz struje pare može značajno smanjiti eroziju dijelova turbine i može smanjiti gubitke energije zbog vlage. Eksperimentalno je potvrđeno da je odvajanje pare djelotvorno samo kod grubo raspršene vlage koja čini samo mali dio ukupnog sadržaja vlage u pari. Sve vrste odvajanja vlage mogu se svrstati u tri grupe ovisno o načinu odvajanja vlage u turbini: periferna separacija, separacija u prolazu među lopaticama i vanjska separacija: Periferna separacija je metoda u kojoj se kapljice vlage mogu skrenuti prema periferiji stupnja turbine pod djelovanjem centrifugalnih sila. Na obodu se kapljice odvajaju u posebne komore s udubljenjima za zadržavanje vlage iz kojih se onda odvode iz glavnoga puta pare (slika 4.). Odvojena vlaga na području niskoga tlaka uključuje i odvajanje određene količine pare i na taj način smanjuje stupanj djelovanja stupnja. Perifernom separacijom se vlaga može odvajati van iza statorskih lopatica (slika 4.a i b), iz lopatica rotora i iz prostora iza lopatica rotora (slika 4.c i d). Treba napomenuti da je obodna brzina grubo raspršenih kapljica iza lopatica rotora obično veća od one ispred rotora. Zbog toga je odvajanje vlage u području iza rotorskih lopatica djelotvornije nego iza statorskih lopatica. Djelotvornost periferne separacije jako ovisi i o tlaku pare. Tako je na primjer separacija pare u visokotlačnom kućištu turbine na vlažnu paru slabije nego u niskotlačnom kućištu. Pored toga, komora za odvajanje vlage utječe na aerodinamički stupanj djelovanja perifernoga dijela stupnja turbine i uzrokuje znatan gubitak energije. Zbog toga se preporučuje da se odvajanje vlage u visokotlačnoj turbini izvrši iza stupnjeva u kojima se odvodi para za regenerativno zagrijavanje. U visokotlačnoj turbini na vlažnu paru u nuklearnim elektranama nije zapaženo erozijsko habanje na lopaticama rotora. Separacija na prolazima lopatica je metoda u kojoj se vlaga kondenzirana na lopaticama stupnja odvaja na načina da kapljice ne stignu pratiti nagla skretanja i nakupljaju se na stjenkama lopatice, odakle se odvode kontrolirano pomoću posebno uobličenih utora. Ova se metoda uglavnom koristi na kaskadi lopatica statora (vidi sliku 4.2). Utori kroz koje se slojevi vode odvode povezani su s područjima nižega tlaka kroz provrte unutar same lopatice. Utori se izrađeni blizu izlaznog brida lopatice i vrlo su djelotvorni, tako da se gruba vlaga u većim kapljicama odvaja u potpunosti. Bez ovoga odvajanja, sloj vode bi nastavljao do izlaznog brida lopatice, tu bi se raspadao i nastale kaplje sudarale bi se s lopaticama rotora, što bi na njima sigurno izazvalo eroziju na lopaticama rotora.

13 Pozitivni efekti odvajanja pare unutar stupnja na smanjenje erozijskog habanja lopatica eksperimentalno je potvrđeno na turbini proizvodnje Škoda (slika 4.2). Kako se vidi na slici, erozija je praktično nezamjetna na dijelu lopatica rotora neposredno iza statorskih lopatica (zona II), a tek lagana u području I, gdje je koncentracija vlage još niska, a najveća je u zoni III. Vanjska separacija podrazumijeva da je ukupni protok pare odveden van kućišta turbine radi odvajanja vlage. Ovakva se separacija najčešće koristi na vodu pare iz kućišta visokotlačne turbine na kućište srednjetlačne turbine na turbinama koje su namijenjene radu s vlažnom parom (nuklearne elektrane). Karakteristika separatora pare je da imaju vrlo male otpore strujanja, te zbog toga koriste niske brzine strujanja pare kroz njih. Vlaga se kao sloj tekućine nakuplja na paketima žaluzija ili na paketima žičanih mreža od žice promjera.25 do.3 mm, debljine do 5 mm s velikim udjelom praznoga od ε = % (ostatak je žica koja popunjava ostatak prostora). Vrlo djelotvorni način odvajanja vlage je primjena ciklona. U nuklearnim elektranama se separatori vlage kombiniraju sa zagrijačima pare u zajednički uređaja: separator sa zagrijačem. Glavne karakteristike ovih separatora sa zagrijačima dane su u tablici 4.. Separator sa zagrijačem, tipske oznake SPP-22- prikazan je na slici 4.3. Para se iz kućišta visokotlačne turbine kroz priključak vodi u gornji dio uređaja, nakon čega prolazi kroz pakete žaluzija koji su složeni u blokove s po pet paketa u svakome (slika 4.4). Obzirom da para naglo skreće u žaluzijama, kapljice vlage zbog inercije ne mogu tako naglo skretati i izlijeću iz glavne struje te se talože na stjenkama žaluzija, odakle otječu u donji dio uređaja, u kojemu su smješteni I i II zagrijač (3 i 4 na slici 4.3). Dva zagrijača su izvedena s vertikalnim glatkim cijevima. Para se u zagrijačima grije do temperature zasićenja (36 do 24 o C). Sve vrste separatora sa zagrijačem su u osnovi jednake izvedbe, s površinama zagrijača koje se sastoje iz vertikalnih cijevi i elemenata separatora s vertikalnim ili malo nagnutim paketima žaluzija s horizontalnim skretnim limovima i perforiranim pločama iza njih. Ogrjevne površine separatora sa zagrijačem za nuklearne elektrane s dva kruga rashladnog medija izrađene su iz glatkih ili orebrenih čeličnih cijevi, a one za nuklearne elektrane sa samo jednim rashladnim krugom isključivo iz glatkih cijevi iz nehrđajućeg čelika. Takav uređaj ima obično vanjski separator vlage i vanjske posude za prihvat kondenzata, u koje se kondenzat skuplja gravitacijskim otjecanjem i drenažom. Tablica 4. Glavne karakteristike separatora sa zagrijačem za nuklearne elektrane 6 Parametar Tip separatora sa zagrijačem Oznaka reaktora Tip turbine Broj separatora po turbini Protok zagrijane pare, kg/s Tlak pare na ulazu, MPa Projektna temperatura zagrijane pare, o C Tlak pare za grijanje, MPa Masa uređaja, t Ogrjevna površina, m 2 Frontalna površina žaluzija, m 2 Glatke cijevi Brojnik za I. stupanj, nazivnik za II stupanj

14 62 Tlocrt Slika 4.3 Separator vlage i dogrijač pare - ulaz pare iz kućišta VT turbine, 2 - paketi skretnih žaluzina, 3 -. stupanj zagrijača pare, 4-2. stupanj zagrijača, 5 - izlaz zagrijane pare, 6 - ulaz pare za grijanje, 7 - izlaz pare za grijanje Separator sa zagrijačem tipa SPP-5- prikazan je na slici 4.5. Uređaj ima cilindrično kućište i sastoji se od samoga separatora i dva stupnja zagrijača. Separator je smješten na vrhu uređaja i sadrži 2 blokova smještenih oko središnje cijevi kroz koju izlazi osušena (separirana) para. Svaki blok sadrži tri paketa separatora. U donjem dijelu uređaja smještena su dva zagrijača tako da je prvi zagrijač smješten na obodu, a drugi zagrijač u središtu. Ogrjevnu površinu čine sekcije cijevi dimenzije mm i sadrži 252 cijevi 4.2 mm. Para za grijanje se dovodi kroz središnji provrt na cijevnoj ploči i opstrujava cijevi izvana. Para koju treba zagrijati prolazi kroz cijevi i oko kućišta modula. Prostori između modula ispunjeni su posebnom ispunom za smanjenje protoka pare i pojačanje izmjene topline. 4.6 Aksijalne sile koje djeluju na rotor turbine Pouzdani rad parne turbine ovisi velikim dijelom o karakteristikama odrivnog ležaja koji mora preuzeti svu aksijalnu silu koja djeluje na rotor turbine. Aksijalna sila je rezultat ukupnog djelovanja sila tlaka pare na površine rotora, a bi izračunali aksijalnu silu, rotor turbine se obično dijeli na sekcije. Uobičajena sekcija smještena je unutar stupnja turbine. Uzmimo da je potrebno izračunati aksijalnu silu za sekciju u jednom od među-stupnjeva turbine s više stupnjeva (slika 4.6).

15 63 Slika 4.4 Blok separatora vlage - paket žaluzija separatora, 2 - elementi žaluzija, 3 - vodeće ploče 4 - perforirane ploče, 5 - izlaz osušene pare Profilirani dio lopatica rotora prenosi na rotor aksijalnu silu F a I koju možemo prikazati jednadžbom koja je izvedena u poglavljima 2.3 i 3.3: F I a ( c sinα c2 sinα2) + ( p p2) π d l2 = m& ( 4.8 ) gdje razlika tlaka p.-.p 2 ovisi o stupnju reakcije na stupnju turbine. Što je viši stupanj reakcije na stupnju, to je veća aksijalna sila F a I. Pri Machovim brojevima strujanja M <.7 prvi član jednadžbe (4.8) vezan uz razliku projekcija ulazne i izlazne brzine iz rotora na obodu brzinu se najčešće zanemaruje i inače je mala obzirom na drugi član jednadžbe, vezan uz djelovanje sile zbog razlike u tlaku.

16 64 Slika 4.5 Separator pare i zagrijač - noseća rešetka modula, 2-2. stupanj modula zagrijača, 3 -. stupanj modula zagrijača, 4 - pregrada između. i 2. modula, 5 - kućište, 6 - blokovi separatora, 7 - komora separatora A - ulaz vlažne pare, B - odvod separirane vlage, C - izlaz zagrijane pare, D - dovod pare za grijanje 2. stupnja modula, E- dovod pare za grijanje. stupnja modula, F - drenaža kondenzata pare za grijanje 2. stupnja modula, G - drenaža kondenzata pare za grijanje. stupnja modula, - odvod nekondenzirane pare iz 2. modula zagrijača, I - odvod nekondenzirane pare iz. modula zagrijača, J - priključak na sigurnosni ventil, K - priključak na liniju ekstrakcije Slika 4.6 Podloga za proračun aksijalnih sila na stupnju turbine a - put pare na akcijskom stupnju, b - brtva dijafragme

17 Druga komponenta aksijalne sile na stupnju je sila razlike tlaka na disku rotora, tj. na njegovoj prstenastoj površini između promjera d 2 na brtvi dijafragme i promjera d r = d - l 2 (slika 4.6): 65 F II a = π 2 2 ( p p ) ( d d ) 2 4 r 2 ( 4.9 ) gdje je p' tlak u prostoru između lopatica statora i rotora, koji ovisi o relacijama između tri protoka u sustavu propuštanja na brtvama: propuštanja na brtvi dijafragme m&, propuštanja na korijenu lopatica m& r i propuštanja kroz provrte za izjednačenje tlaka tlaka ispred i iza lopatica rotora: p ( p ) p2 = k p2 g m& h. Razlika tlaka p'.-.p 2 proporcionalna je razlici Koeficijent k možemo naći iz jednadžbe očuvanja mase za propuštanje pare unutar stupnja: m & = mm& + m& ( 4. ) g r h Protoci propuštanja m& g, m& r i m& h mogu se izračunati pomoću sličnih jednadžbi koje uključuju koeficijente protoka µ g, µ r i µ h i protočnih površina zračnosti A g i A r te provrta za rasterećenje A h. Ovi koeficijenti i površine ujedno definiraju tlak p' ispred diska rotora. Ako se na primjer tijekom rada turbine poveća zračnost na brtvi dijafragme, povećati će se propuštanje na brtvi i time će se povećati i tlak p'. Provrti za rasterećenje na disku smanjuju razliku tlaka na disku p'.-.p 2 obzirom na razliku tlaka prije i poslije lopatica rotora p - p 2. Zaobljavanjem ulaznih bridova na otvorima za rasterećenje na diskovima, povećava se koeficijent protoka µ h, a razlika tlaka p'.-.p 2 na disku se smanjuje. Slika 4.7 Akcijska turbina s više stupnjeva s diskom za balans sila Slika 4.8 Shema rasterećenja odrivnog ležaja na turbini s dva kućišta

18 Na diskovima zadnjih stupnjeva turbina gdje apsolutne vrijednosti aksijalne sile nisu tako velike, na diskovima se ne izrađuju otvori za rasterećenje, kako bi se izbjegla moguća mjesta koncentracije naprezanja. Ti su diskovi inače poprilično opterećeni centrifugalnim silama zbog velike dužine lopatica na tim stupnjevima. Treća komponenta aksijalne sile djeluje na ogrlicama rotora, zbog razlike promjera na brtvama dijafragmi: 66 F III a = π p ( d d ) 2 ( 4. ) Četvrta komponenta aksijalne sile na stupnju je aksijalna sila koja djeluje na ogrlicama (trakama) brtvi (slika 4.6b) i možemo za nju postaviti sljedeću jednadžbu: F IV a ( p p ) = π dg h ( 4.2 ) 2 Dijeljenje s 2 u gornjoj jednadžbi se vrši zbog toga što ogrlica brtve na rotoru preuzima na sebe samo polovicu pada tlaka na svakoj zračnosti brtve (kanal-ogrlica). Ukupna aksijalna sila koja djeluje na rotor će biti jednaka zbroju svih komponenti aksijalne sile po svim stupnjevima turbine koji su na istome vratilu: n F a = F a i= ( i) gdje je i brojčana oznaka komponente aksijalne sile na rotoru. Aksijalna sila se prenosi na odrivni ležaj i opterećuje ga silom F thr, koja je manja od ukupne aksijalne sile na rotoru. Na rotoru koristimo klip za balansiranje aksijalne sile. On se nalazi u prvo dijelu blizu prednje brtve kućišta turbine i izveden je kao disk s cilindričnom vanjskom površinom prema kojoj brtve jezičci labirintne brtve. Ovaj disk za balansiranje je ujedno rasteretni disk rotora. Sila tlaka na njemu djeluje suprotno od smjera glavne struje pare. Unutarnja strana diska izložena je djelovanju većega tlaka, a vanjska strana okrenuta prema brtvi izložena je manjemu tlaku. Djelovanjem razlike tlaka na disku djeluje sila F b kojom se rasterećuje aksijalna sila rotora, po mogućnosti u potpunosti (slika 4.7). Neuravnoteženi ostatak sile opterećuje odrivni ležaj, koji je na taj način rasterećen i ne mora preuzimati ukupnu aksijalnu silu: F thr = F F ( 4.3 ) a b Sila na disku za balansiranje aksijalne sile je: F b π ( d d )( p p ) = x x ( 4.4 ) gdje je d promjer vratila rotora, a d x je vanjski promjer diska za balansiranje. Kod akcijskih turbina disk za balansiranje obično ima mali promjer. Kod reakcijskih turbina, gdje je aksijalna sila velika, promjer diska za balansiranje je velik i može doseći promjer stupnja turbine. U kondenzacijskim turbinama bez međupregrijanja, aksijalne sile se balansiraju simetričnom izvedbom turbine, odnosno nasuprotnim tokovima pare u dva uzastopna dijela turbine (slika 4.8). Aksijalna sila koja će djelovati na odrivni ležaj jednaka je razlici aksijalnih sila na oba rotora. Pri odabiru smjera strujanja moramo voditi računa o tri činjenice:. aksijalna sila na rotoru djeluje od strane većega tlaka prema strani nižega tlaka, 2. obje sile moramo postaviti na način da opterećuju

19 vratilo rotora na vlak, nikako na tlak, 3. balansni disk mora biti postavljen tako da vratilo rotora bude opterećeno na vlak, što znači da balansni disk treba postaviti na mjestu dovoda pare u turbinu. Kod turbina s međupregrijanjem, balansiranje rotora simetričnom ili nasuprotnom izvedbom ne garantira balans oba rotora u vetima promjenljivih režima rada, obzirom na veliku inerciju mase pare u parovodu koji vodi paru na pregrijanje i drugo dijelu u kojemu se pregrijana para vraća prema turbini. Upravo zbog te inercije, promjena tlaka na stupnju turbine s višim tlakom odvija se prije promjene tlaka na turbini koja dobiva paru nakon međupregrijanja, gdje će zbog inercije pare u parovodu, promjena tlaka kasniti. Iz tog razloga aksijalne sila na oba rotora neće moći biti jednake kao u ustaljenim režimima rada turbine. Zbog toga može doći do prevelike rezultirajuće sile na odrivni ležaj, kao i problem da jedno od vratila turbine bude opterećeno na tlak, umjesto na vlak. Zbog toga se preporučuje da se kod turbina s međupregrijanjem, svako od vratila balansira odvojeno. amo u takvim uvjetima ćemo imati balansiranje aksijalne sile čak i u uvjetima naglih ili brzih promjena režima rada. Isti princip zasebnog balansiranja koristimo i na turbinama s kontroliranim oduzimanjem pare. Ako sve turbine moramo spojiti na zajedničko vratilo, tada ćemo koristiti torzijski krute spojke, koje će od vratila na vratilo prenositi pogonski moment. Te spojke moraju imati mogućnost uzdužnih relativnih pomaka, kako se dilatacije i aksijalne sile jednoga vratila rotora ne bi prenašale na sljedeće vratilo rotora. Svako od takvih vratila rotora imati će svoj zasebni odrivni ležaj. Spojka će prenositi zakretni moment i pritom će se dijelovi spojke naslanjati jedni na druge. Vrlo često su to zupčaste spojke koje koriste plašt s unutarnjim ozubljenjem na krajevima plašta. U ta unutarnja ozubljenja umeću se krajevi vratila rotora s odgovarajućim vanjskim ozubljenjem, sa zubima u obliku lukova, kako bi spojka mogla prenositi moment i kod poprečnih i kutnih pomaka jednoga vratila obzirom na drugo vratilo. Sila trenja među dijelovima ovisi o dodirnoj sili među dijelovima spojke i ozubljenog kraja vratila. Ta sila trenja se preko spojke može prenositi na sljedeće vratilo i ona iznosi: 67 F c Pef f = 2π nr th gdje je P ef efektivna snaga koja se prenosi na spojci pri brzini vrtnje n, r th je srednji radius ozubljenja, a f je koeficijent trenja među dijelovima spojke. Odrivni ležaj, koji ćemo na neki način rasteretiti od ukupne aksijalne sile, preuzimati će na sebe preostalu razliku sila. On će istovremeno na jednome kraju djelovati kao uzdužna referentna točka za uzdužno pozicioniranje rotora. Obično se aksijalni ležaj smješta na samopodesivi radijalni ležaj ili neposredno uz njega. Drugi kraj vratila prolazi kroz drugi ležaj, na suprotnoj strani turbine. Taj kraj vratila će moći slobodno dilatirati pod djelovanje termičkih dilatacija zbog promjene temperature rotora. Tijekom rada turbine aksijalna sila na rotoru se može mijenjati i zbog promjene stupnja reakcije na pojedinim stupnjevima ili grupama stupnjeva, zbog razlika u propuštanjima na pojedinim brtvama itd. Do promjene stupnja reakcije može doći zbog različitih razloga, na primjer zbog razlika u naslagama soli na lopaticama statora i lopaticama rotora, oštećenja stražnjih bridova lopatica, zbog erozije profila lopatica izazvane kapljicama vlage u pari itd. Ako se iz bilo kojega razloga jako smanji protočna površina kanala među lopaticama rotora, povećati će se stupanj reakcije na stupnju. Aksijalne sile mogu se vrlo brzo mijenjati pri naglim promjenama režima rada turbine. Nagle promjene temperature statora ili rotora u takvim slučajevima mogu prouzročiti promjene zračnosti na brtvama, što ima za posljedicu promjenu aksijalne sile na rotoru.

20 68