5 PRORAČU PUTA PARE U TURBI I S VIŠE STUP JEVA

Transcript

1 69 5 PRORAČU PUTA PARE U TURBI I S VIŠE STUP JEVA 5. Prinipi odabira puta pare u turbini s više stupnjeva Konstrukija parne turbine, posebno njenoga puta pare, posebno je određena sljedećim faktorima:. početnim parametrima pare (ispred turbine) i tlakom na ispuhu,. snagom turbine, 3. brzinom vrtnje rotora, 4. međupregrijanjem pare (ako se koristi), 5. automatskim oduzimanjem pare (ako se koristi) i brojem mjesta oduzimanja, 6. iskustvom i tradiijom proizvođača te raspoloživim setom dijelova i alata za proizvodnju dijelova turbine i same turbine, 7. radnim uvjetima turbine obzirom na njeno upućivanje, područja opterećenja, područja promjena opterećenja itd., 8. unifikaijom dijelova i jelina turbine, 9. tehnološkim zahtjevima, uključujući i troškove rada u proizvodnji turbine,. lakoćom održavanja turbine, njenih dijelova i jelina, Turbine se obično projektiraju u različitim izvedbama i najlakše ih je odabrati po kriteriju najmanje ijene proizvoda. Ako je to turbina za termoelektranu, kriterij odabira je ijena proizvedene električne energije. Za odabir izvedbe puta pare kroz turbinu obično su zadani sljedeći parametri:. nazivna električna snaga turbogeneratora, P el,. početni parametri pare, p i T, 3. parametri međupregrijanja pare p rh i T rh (ako se koristi međupregrijanje), 4. tlak pare na ispuhu p (p ), 5. temperatura napojne vode na izlazu iz sustava regeneraije, T fw, i 6. brzina vrtnje rotora n. azivna snaga turbine je najveća snaga koja se može razviti na spojniama električnog generatora kroz neograničeno vrijeme pri nazivnim parametrima pare, kao i pri njihovim dogovorenim odstupanjima (sniženje početnog tlaka, pogoršanje vakuuma u kondenzatoru itd.) Pored nazivne snage, često se koristi i konept maksimalne snage turbine, koja podrazumijeva najveću snagu koju turbina može razviti pri dopuštenim promjenama parametara pare (viši tlak pred turbinom, viši vakuum itd.) bez oduzimanja pare za regenerativno zagrijavanje napojne vode. Početni parametri pare, p i T se obično uzimaju kao tlak i temperatura na glavnom ventilu pare na turbini. Tlak pare odmah iza generatora pare je malo viši od tlaka ispred glavnog ventila obzirom na pad tlaka pri strujanju pare u glavnom parovodu između generatora pare i turbine. Jednako tako je i temperatura pare odmah iza generatora pare malo veća nego ispred glavnoga ventila zbog gubitaka topline u parovodu. Parametri pare iza međupregrijača, p rh i T rh su obično zadani za stanje pare prije glavnog ventila za srednjetlačni dio turbine. Tlak međupregrijanja p rh se odabire po kriteriju minimalnih troškova proizvodnje električne energije. Tlak pare u ispuhu p (p ) je tlak na izlazu iz turbine u kućištu koje paru odvodi u kondenzator. Kod kondenzaijskih turbina tlak u kondenzatoru ovisi o temperaturi rashladne vode. Kod izrade glavnih proračuna uzima se u obzir srednja godišnja temperatura rashladne vode. Kako tlak u kondenzatoru

2 ovisi i o konstrukijskoj izvedbi samoga kondenzatora, ona se odabire za minimalne troškove proizvodnje električne energije. Nazivna temperatura napojne vode T fw se odabire prema preliminarnoj ojeni gospodarskoga stupnja djelovanja termoelektrane. Ako u obzir uzimamo samo gospodarsku dobit elektrane, tada je temperatura zasićenja najpogodnija temperatura zagrijanja. Stupanj djelovanja generatora pare se smanjuje pri takvom zagrijavanju jer nam raste temperatura ispušnih plinova i gubitak topline u okoliš. Najpogodnije temperature zagrijavanja napojne vode su ovisne o tlakovima (i temperaturama zasićenja) i kreću se u graniama: T fw, o C p, MPa Brzine vrtnje rotora turbine ovise o stroju kojega mora pokretati turbina. Za električne generatore s rotorom s z pari polova i s frekvenijom električne energije f, Hz, brzina vrtnje n, s -, će biti: 7 n f z U većini svijeta električna energija ima frekveniju od 5 Hz. U Sjevernoj Amerii i na brodovima koristi se električna energija frekvenije 6 Hz. Sinkrone brzine vrtnje električnih generatora n, min - su, ovisno o broju polova: z f 5 Hz f 6 Hz Kod malih parnih turbina sa snagom manjom od 4 MW, turbina može imati i veću brzinu vrtnje od sinkrone brzine generatora, ali u tom slučaju treba koristiti reduktor za smanjenje brzine vrtnje turbine na sinkronu brzinu za pogon generatora. Za turbine jako velikih snaga (P el > 5 - MW) može biti korisno da se smanji broj niskotlačnih kućišta turbine time što će se primijeniti brzina vrtnje s n 5 s - (3 min - ) na n 5 s - (5.min - ) tako da se umjesto generatora s jednim parom polova primijeni generator s dva para (ili četveropolni) generator. Prije proračuna parne turbine moramo poznavati njenu nazivnu snagu, tj. snagu P e el kojoj odgovara najviši stupanj djelovanja. Za turbine koje će raditi u velikom području opterećenja, radna snaga turbine se uzima jednakom 8 do 9% nazivne snage. Za velike turbine koje moraju dugotrajno raditi na punom opterećenju, radna snaga turbine P e el se uzima u području od 9 do % nazivne snage P n el. Turbine za nuklearne elektrane se projektiraju u pravilu za P e el P n el. Kada je odabran termodinamički proes termoelektrane, tj. poznat nam je broj regenerativnih zagrijača napojne vode, tlak u otplinjačima, temperatura napojne vode na izlazu iz zagrijača, parametri pare za pomoćnu turbinu pumpe ulja, tlak međupregrijanja, a kod turbina za nuklearne elektrane još i tlak među-separatora itd. Početno se analizira termodinamički proes na temelju statističkih podataka za stupanj djelovanja termodinamičkog proesa i sve se najprije analizira u h-s dijagramu (poglavlje 5.3). Proračun termodinamičkog proesa turbine daje nam podatke o masenim protoima pare u svim stupnjevima turbine i na oduzimanjima za regenerativno zagrijavanje napojne vode. Pored toga nalazimo i druge karakteristike turbine, kao što su speifični protok pare, speifična potrošnja topline itd.

3 Izvedba stupnjeva turbine i dimenzije dijelova turbine u putu pare ovise jako o volumnim protoima pare, tj. o umnošku masenog protoka i speifičnog volumena. Speifični volumen pare se sve vrijeme povećava od ulaza u turbinu sve do njenoga izlaza. Tako se na primjer od početnih parametara pare s tlakom p 3.5 MPa i T 54 o C do izlaznog tlaka od p 3.4 kpa speifični volumen poveća za 5 puta! Zbog tih razloga, volumni protok pare na početnim stupnjevima turbine je značajno niži nego na njenim zadnjim stupnjevima. Obzirom na speifičnosti izvedbe puta pare u turbini, svi stupnjevi kondenzaijske turbine dijele se u 4 grupe:. regulaijski stupnjevi,. stupnjevi s malim volumnim protokom (početni ne-regulirani stupnjevi malih turbina), 3. među-stupnjevi s relativno velikim volumnim protokom pare, 4. zadnji stupnjevi niskotlačne turbine s vrlo velikim volumnim protoima. Regulaijski stupanj je prvi stupanj turbine. Ako vršimo prigušivanje prije turbine pomoću prigušnog ventila, tada turbina nema regulaijski stupanj. Glavna konstrukijska karakteristika ovoga stupnja je višestruki parijalni privod uz mogućnost da se otvaranjem ventila k pojedinim dijelovima privoda mijenja parijalnost privoda pri čemu se mijenja i maseni protok pare kroz turbinu (vidi poglavlje 6.3). U vezi s time, lopatie statora na regulaijskom stupnju su grupirane u grupe koje čine dijelove privoda pare. Svakoj grupi lopatia se pomoću jednog od regulaijskog ventila dovodi para. Kada je otvoren samo jedan regulaijski ventil, para dolazi samo na jednu grupu lopatia i stupanj parijalnosti privoda je tada najmanji. Tada je protok pare kroz turbinu najmanji i snaga koju razvija turbina je najmanja. Kako se otvaraju dodatni ventili, povećava se broj grupa lopatia kojima se dovodi para i stupanj parijalnosti privoda se povećava. Kada su svi regulaijski ventili otvoreni, stupanj parijalnosti privoda je najveći, ali zbog konstrukije grupa lopatia on ne postiže vrijednost od. Regulaijski stupanj je velikom komorom za distribuiju pare odvojen od prvih sljedećih nereguliranih stupnjeva, koji će imati dovod pare po ijelom obodu. Veličina ove komore mora biti dovoljno velika da se para čim jednoličnije distribuira po ijelome obodu bez većih razlika u brzini i bez većih aerodinamičkih i energijskih gubitaka. Za djelotvorni rad parne turbine i razdiobu pare pri promjenama protoka pare, nastojimo da regulaijski stupanj u sebi preradi povišeni toplinski pad H gst, pa se vrlo često na tome mjestu koristi Curtisov stupanj. Regulaijski stupnjevi Regulaijski stupnjevi mogu imati rotor s jednim ili više redova lopatia. Stupanj s jednim redom lopatia na rotoru se koristi za obradu relativno malih toplinskih padova od 8 do kj/kg. Stupanj s dva reda lopatia na rotoru (Curtisov stupanj) može obraditi veći toplinski pad, obično od do 5 kj/kg. Toplinski pad i odgovarajuću izvedbu regulaijskog stupnja odabiremo sagledavajući utjeaj regulaijskog stupnja na ukupni stupanj djelovanja postrojenja ili barem ijele turbine.. Primjena regulaijskog stupnja s dva reda lopatia na rotoru i sukladno tome, većim toplinskim padom H gst omogućuje značajno smanjenje parametara pare na prvim lopatiama rotora i mnogo manja mehanička naprezanja. Isto tako, smanjuje se broj potrebnih naknadnih stupnjeva turbine, čime se smanjuju troškovi izrade turbine. Niži stupanj djelovanja takvoga stupnja snizuje ukupni stupanj djelovanja turbine. Izlazni gubii iz toga stupnja ne predstavljaju gubitak za ijelu turbinu, već se koriste u ostalim stupnjevima po efektu dogrijavanja, tj. pretvorbe svih gubitaka u toplinu koja se predaje ispušnoj pari iz stupnja, tj. ulaznoj pari u sljedeći stupanj.. Visokim toplinskim padom u prvom stupnju, tlak u komori i na prednjoj brtvi kućišta je manji od tlaka pare na ulazu u turbinu, pa su na taj način smanjeni gubii zbog propuštanja pare. Ovaj se efekt posebno može opaziti kod turbina manje snage, na kojima su gubii propuštanja vrlo utjeajni. 3. Veći toplinski pad na lopatiama statora regulaijskog stupnja znači niže temperature u prvoj komori turbine i moguću primjenu manje legiranih i jeftinijih materijala za izradu rotora, lopatia i kućišta turbine. 7

4 U suvremenim parnim turbinama velike snage preporučuje se primjena regulaijskog stupnja s jednim redom lopatia na rotoru (obični akijski stupanj), obzirom da tehničke prednosti većeg toplinskog pada nemaju i adekvatno opravdanje u ekonomskoj računii. U turbinama na zasićenu paru u nuklearnim elektranama, lopatie regulaijskog stupnja su obično uništene visokim pobudnim silama koje se javljaju zbog vibraije lopatia. Ove se sile pripisuju speifičnosti strujanja vlažne pare u ventilima i među lopatiama statora. Iz tih razloga se turbine velike snage, koje uglavnom rade pod konstantnim opterećenjem, konstruiraju s prigušenim dovodom pare. Curtisov stupanj je kao prvi regulaijski stupanj našao primjenu na turbinama manje snage i na protutlačnim turbinama ili turbinama s automatiziranim oduzimanjem. Početni stupnjevi bez regulaije Karakteristika početnih stupnjeva turbine je mala visina lopatia, obzirom da je volumni protok pare na tim stupnjevima mali. Gdje je to moguće, visinu lopatia možemo povećati, kako bi smanjili gubitke i povećali stupanj djelovanja tih stupnjeva. Visina lopatia statora može se odrediti po jednadžbi koja je izvedena iz jednadžbi (3.) i (3.): l mv & t ( 5. ) eµ π d t sinα ef 7 Visinu lopatia početnih stupnjeva možemo povećati na sljedeće načine:. Odabirom malih kutova izlazne brzine: α - o za akijski stupanj i α 4-5 o za reakijski stupanj. Ovdje treba naglasiti da se gubii energije na stupnju povećavaju samo malo sa smanjenjem kuta izlazne brzine na izlazu pare iz statorskih lopatia.. Mogu se koristiti stupnjevi s manjim srednjim promjerom. U tom slučaju se visina lopatia statora povećava sa smanjenjem srednjeg promjera na lopatiama, obzirom da se smanjuje protočna površina stupnja. Ako smanjimo brzinu istjeanja pare t mijenjati ćemo i omjer u/ f dok ne dođemo do optimalnoga omjera, koji bi kasnije trebao ostati konstantan. Treba svakako imati na umu da smanjenjem promjera smanjujemo obodnu brzinu u, tako da zbog održavanja optimalnog omjera brzina u/ f treba smanjiti i f. Zbog smanjenja brzine f smanjuje se toplinski pad na stupnju, pa je onda potrebno više stupnjeva turbine, te je takvu turbinu onda potrebno podijeliti na dijelove. To sve poskupljuje izradu turbine. Danas je uobičajena praksa da jedno kućište turbine (bez obzira dali je to ijela turbina ili samo dio, na primjer visokotlačni), ne sadrži od 8 - stupnjeva. 3. Kod turbina manjega protoka, ako je visina lopatia l manja od - mm, na prvim nereguliranim stupnjevima se može koristiti i parijalni privod pare. 4. Moguće je povećati brzinu vrtnje rotora turbine manjega protoka. U tom slučaju, korištenje veće visine lopatia ne uzrokuje povećanje broja stupnjeva, kao u slučaju kada smanjenjem promjera samo smanjujemo površinu protočnog presjeka. Sada smo smanjenje srednjeg promjera lopatia mogli kompenzirati povećanjem brzine vrtnje, kako bi obodna brzina ostala ista, čime će i toplinski pad na stupnju ostati isti. Za parne turbine u elektranama je tada potrebno ugraditi reduktor, kako bi mogli pokretati elektrini generator pri sinkronoj brzini vrtnje. Među-stupnjevi i početni ne-regulirani stupnjevi Karakteristike ovih stupnjeva, kod turbina velikih snaga su relativno veliki volumni protoi pare, tako da su i dužine lopatia velike (ne i ultimativne). Visoki stupanj djelovanja ovih stupnjeva održava se uz manje problema nego ih je bilo na stupnjevima s malom visinom lopatia. Jednako tako i kod lopatia nije poseban problem njihova čvrstoća i naprezanja nisu tako velika kao u lopatiama posljednjih stupnjeva turbine. Ovi stupnjevi imaju i manji faktor lepeze usporedbi s lopatiama zadnjih stupnjeva gdje d/l može dosegnuti vrijednosti od.5 do 3.. Jednako su tako i gubii energije manji nego na završnim stupnjevima turbine.

5 5. Krajnja snaga kondenzaijske turbine s jednostrukim protokom 73 Zadnji stupnjevi kondenzaijske turbine imaju duge lopatie i statora i rotora, obzirom da kroz njih moraju proći najveći volumni protok pare u ijeloj turbini. Vezano na to, ove lopatie rade na graniama svojih mogućnosti. Drugim riječima, krajnji protok pare koja može proći u jednom toku kroz takve stupnjeve definira krajnji kapaitet kondenzaijske turbine s jednim protokom. Taj se kapaitet može odrediti po približnoj jednadžbi: P i k m& H ( 5. ) m ri gdje je m& maseni protok kroz kondenzator, a k m je koefiijent koji ispravlja snagu obzirom na oduzimanja pare za regeneraiju. Koefiijent k m ovisi o parametrima glavne pare, broju regenerativnih točki oduzimanja i temperaturi napojne vode. Njegova je vrijednost obično k m Protok pare kroz kondenzator možemo naći iz jednadžbe očuvanja mase za presjek turbine odmah iza lopatia rotora zadnjega stupnja: π d l sinα v m& ( 5.3 ) gdje je d srednji promjer lopatia rotora na zadnjem stupnju, l je visina tih lopatia, a i v su prosječna brzina i prosječni speifični volumen iz lopatia rotora zadnjega stupnja. Umnožak π d l Ω predstavlja projekiju lepeze lopatia, odnosno površinu koju obriše loptia rotora u jednom punom okretaju. Pri optimalnim radnim uvjetima je kut α 9 o, pa se jednadžba očuvanja mase može napisati u obliku: & ( 5.4 ) Ω m v Kako slijedi iz ove jednadžbe, aksijalna površina Ω treba biti što veća kako bi turbina postigla čim veću snagu. Za zadanu brzinu vrtnje rotora, maksimalna površina Ω je ograničena čvrstoćom i gustoćom materijala lopatie. Vlačna naprezanja zbog djelovanja entrifugalne sile javlja se u korijenu lopatie s konstantnim profilom i može se izračunati po jednadžbi; F f σ on Ab ili ρ Ab l d A ω b σ on ρ lπ n d ρωπ n ( 5.5 ) gdje je F f entrifugalna sila za lopatiu konstantnoga presjeka, A b je površina poprečnog presjeka u profiliranom dijelu lopatie, ρ je gustoća materijala lopatia, ω je kutna brzina rotora i n je brzina vrtnje rotora. Lopatie zadnjega stupnja turbine su uglavnom izrađene s promjenljivom površinom poprečnoga presjeka, koja se smanjuje od korijena lopatie prema vrhu. Zbog toga je vlačno naprezanje u korijenu takve lopatie manje od onoga za lopatiu konstantnoga presjeka lopatie. Ovo se smanjenje uzima u obzir pomoću koefiijenta k unl u jednadžbi (5.5). Tako dobivamo jednadžbu za naprezanja u korijenu lopatie s promjenljivim presjekom lopatie:

6 74 σ ρπ n Ω ( 5.6 ) k unl Faktor k unl ovisi o omjeru površina presjeka lopatie na vrhu i u korijenu A t i A r : k unl At A r Najniža vrijednost omjera površina A t /A r je. -.4, a faktor k unl Supstituija za maseni protok u jednadžbi (5.) je dobiven iz jednadžbi (5.4) i (5.6), pa dobivamo novu jednadžbu: P i k k σ H m unlri ( 5.7 ) π ρ n v Kako slijedi iz ove jednadžbe, krajnja snaga za turbinu s jednostrukim protokom ovisi o šest glavnih parametara: σ,, H, v, n i ρ. Vrijednost za σ određena je dopuštenim vlačnim naprezanjem materijala lopatia. Za nehrđajući čelik imamo σ 45 MPa. Ova naprezanja određuju krajnju aksijalnu površinu Ω. Tako je na primjer prema jednadžbi (5.6) krajnja površina pri n 5 s - jednaka je 8.6 m. Odabirom čelika veće čvrstoće za lopatie zadnjih stupnjeva turbine i boljim profiliranjem lopatia s povećanjem vrijednosti koefiijenta k unl moguće je povećati krajnju aksijalnu površinu i time krajnju snagu turbine. Dimenzije lopatia rotora na zadnjim stupnjevima nekoliko odabranih parnih turbina prikazane su u tablii 5.. Tablia 5. Dimenzije lopatia rotora zadnjeg stupnja kondenzaijskih turbina velike snage Proizvođač Lopatie iz legure titana

7 Izlazna brzina ovisi o gubitku raspoložive energije /, čiji odabir ovisi o ijeni goriva, faktoru kapaiteta postrojenja, troškovima kapitala i tekućeg održavanja za postrojenje kondenzatora itd. Gubitak energije izlaznom brzinom je kod velikih turbina u rasponu - 4 kj/kg, čemu odgovara brzina - 83 m/s. Promjena gubitaka energije izlaznom brzinom ima veliki utjeaj na stupanj djelovanja rel kod turbina koje rade na vlažnu paru u nuklearnim elektranama nego je to kod turbina koje rade na pregrijanu paru. Kako slijedi iz jednadžbe (5.7), visoku krajnju snagu možemo održati pri visokim ekonomskim pokazateljima ovisno o brzini na izlazu pare iz zadnjega stupnja. Raspoloživi toplinski pad turbine H ovisi o početnim parametrima pare. Za turbine na vlažnu paru koje koristimo u nuklearnim elektranama, H je mnogo niži od njezine vrijednosti za turbine na pregrijanu paru, pa je i krajnja snaga turbina na vlažnu paru za % niža od one za turbine na pregrijanu paru. Speifični volumen pare iza zadnjega stupnja, v ovisi o tlaku p u kondenzatoru. Povećanjem p i sniženjem v moguće je povećati krajnju snagu, iako će se značajno pogoršati stupanj djelovanja elektrane. Na primjer, za porast tlaka kondenzatora p s 3.5 kpa na 5. kpa, krajnja snaga će se povećati za 43%, a stupanj djelovanja postrojenja će se smanjiti za.5% za elektranu s turbinom na pregrijanu pare, odnosno za.8% za elektranu s turbinama na vlažnu paru. Odabir tlaka u kondenzatoru ovisi o troškovima proizvodnje turbine, kondenzatora i sustava napojne vode, troškovima goriva i troškovima rada kondenzatora. Brzina vrtnje n rotora može imati jaki utjeaj na krajnju snagu turbine. Smanjenjem brzine vrtnje n na poloviu, krajnja snaga turbine povećati će se krajnja snaga za 4 puta. Suvremene parne turbine velikih snaga, koje koriste pregrijanu paru projektirane su za brzinu vrtnje na n 5 s -. Za istu brzinu vrtnje projektirane su i turbine za nuklearne elektrane sa snagama od 75 do MW, dok su turbine snage MW ili više projektirane za brzinu vrtnje n 5 s -. Pri promjeni s brzine vrtnje n 5 s - na n 5 s -, krajnja snaga turbine ne može se iz praktičnih razloga za 4 puta, kako bi se dalo zaključiti po jednadžbi (5.7). Razloga za to ima mnogo. Prvi od njih je to što bi to iziskivalo veliko povećanje ukupnih dimenzija rotora i kućišta turbine, kondenzatora, ispušnih kanala i učinilo ih problematičnima za izradu, transport i montažu. Iz navedenih razloga, visina lopatia i srednji promjer lopatia pri nižoj brzini vrtnje se povećava na otprilike.5 puta. Drugi razlog je da se omjer d/l za niskotlačni dio ne uzima čim niži do samih grania, kako je to običaj kod turbina koje se vrte na najvišoj sinkronoj brzini vrtnje. Na taj su način Mahovi brojevi za strujanje u lopatiama kaskade niži, što omogućava profiliranje lopatia statora i rotora s nižim aerodinamičkim gubiima. Gustoća materijala lopatia rotora može utjeati na kranju snagu turbine vezano uz dopuštena vlačna naprezanja u materijalu. Vezano uz to, poželjno je potražiti materijal s čim nižom vrijednosti za omjer ρ/σ. Pojedini proizvođači koriste lopatie iz lake legure titana s gustoćom ρ 45 kg/m 3 i s omjerom ρ/σ.6 kg/(m 3.MPa) za razliku od nehrđajućeg čelika za izradu lopatia rotora čija je vrijednost ρ/σ 7.3 kg/(m 3.MPa). Primjena lopatia rotora iz titana omogućuje povećanje krajnje snage za faktor.5. Tablia 5. Maksimalna snaga turbine s jednostrukim prolazom pare pri n 5 s -, p 4 kpa i H ev 3 kj/kg i 36.5 kj/kg 75 Karakteristike Vrijednosti Tlak glavne pare, MPa Temperatura gl. pare, o C Temp. međupregrijanja, o C Spe. potrošnja topline q, kj/kj Spe. protok pare u kondenzator kg/kwh Snaga turbine, MW, pri: Suhozasićena para

8 76 Glavna para Na Iz međupregrijanje Slika 5. Shema pare u parnoj turbini K--4 Slika 5. Put pare u turbini s dvostrukim ispuhom odmah iza zadnjeg stupnja (Baumanov stupanj) Krajnje snage za kondenzaijske turbine s jednostrukim tokom pare s lopatiama rotora iz čelika dane su u tablii 5.. U jedinstvenoj turbini K--4 pri n 5 s -, lopatie rotora zadnjega stupnja izrađene su iz legure titana i imaju visinu od mm. Krajnja snaga pri jednostrukom protoku kroz ovu turbinu je MW. Ukupna snaga ove turbine od MW dobivena je dijeljenjem struje pare u šest tokova prije kondenzatora (vidi sliku 5.), s time da su po dva simetrična toka realizirana u svakom od tri kućišta niskotlačnih turbina. Na taj način, povećanjem broja paralelnih tokova pare, možemo ostvariti vrlo velike snage turbina. Broj paralelnih tokova pare koji se odvode u kondenzator limitiran je zahtjevima konstrukije i pokušaji da se izgradi turbina s podjelom na više od 5 kućišta nisu do sada bili uspješni. Iz tih je razloga najveći broj paralelnih tokova pare ograničen na 6, a broj niskotlačnih kućišta turbine na 3. Jedna druga metoda za povećanje krajnje snage je primjena lopatia s dvostrukim ispuhom prije završnog stupnja turbine. Takva izvedba naziva se dvostruki ispuh ili Baumanov stupanj (slika 5.). Kako i ime govori, Baumanov stupanj se sastoji iz dva dijela i dijeli dolazni tok pare u dva izlazna toka. Gornji (obodni) dio stupnja radi s toplinskim padom koji je jednak zbroju toplinskih padova na unutarnjem (središnjem) toku. Na taj način /3 ukupnog protoka pare je usmjerena kroz obodni snop struje i ispuhuje se izravno u kondenzator i zaobilazi zadnji stupanj turbine. Preostalih /3 toka će proći kroz zadnji stupanj turbine. Na taj način je moguće krajnju snagu turbine povećati za faktor.5. Tako na primjer dodavanjem tri niskotlačna kućišta turbine s ukupno 6 paralelnih tokova s parametrima konstrukije jednakim onima za turbinu K--4 (slika 5.) možemo umjesto snage od MW dobiti snagu od 8 MW. S druge strane, Baumanov stupanj smanjuje stupanj djelovanja turbine (pri istom gubitku izlaznom brzinom) zbog sljedećih razloga:

9 . Visoki Mahovi brojevi koji se javljaju na kaskadama lopatia statora i rotora u obodnoj struji pare, čime se povećavaju gubii izlaznom brzinom. Veća snaga turbine je na istom toplinskom padu povezana s većim masenim protokom pare.. Ispušno kućište koje vodi paru u kondenzator turbine radi s nižim stupnjem djelovanja, jer radi s većim protoima pare. 3. Gubii na rubnim plohama kaskade (između lopatia pri vrhu i pri korijenu) su viši, pošto se relativna visina lopatia smanjuje zbog podjele visine lopatia u Baumanovom stupnju. Dodatne gubitke imamo i u prostoru među lopatiama jer je zadnji stupanj znatno odmaknut da se dobije konstrukija za odvod obodne ispušne pare. 4. Dodatni gubii javljaju se zbog propuštanja pare iz središnje struje prema obodnoj, zbog razlike tlaka među njima. U sadašnjem trenutku Baumanov stupanj još nije šire prihvaćen zbog njegove složene konstrukije i vrlo upitne vibraijske pouzdanosti. Jedini izuzetak je turbina K--3 u kojoj je predzadnji stupanj konstruiran kao Baumanov stupanj Gruba projena proesa protoka pare na turbini Za proračune termodinamičkog proesa na postrojenju termoelektrane i detaljnije proračune glavnog toka pare, bitno je prethodno oijeniti parametre pare duž toka glavne pre u turbini. U tu svrhu koristimo h-s dijagram na temelju iskustvenih podataka za stupnjeve djelovanja sličnih turbina. Pomoću isrtanog h-s dijagrama moguće je izračunati parametre pare u bilo kojoj točki na glavnom toku pare kroz turbinu, posebno na mjestima oduzimanja pare za regenerativno zagrijavanje napojne vode. Primjenom takvih približnih h-s dijagrama moguće je izračunati proes u turbini i na regenerativnim zagrijačima napojne vode te dobiti prve pokazatelje za stupanj djelovanja termoelektrane, speifičnu potrošnju topline, speifični protok pare itd., koji će biti ispravljeni tijekom detaljnijih proračuna. Približni h-s dijagram se rta za zadane parametre pare ispred glavnog ventila parne turbine (točka na slii 5.3). Da bi našli stanje pare ispred lopatia statora prvoga stupnja, tj. parametre pare u točki ', potrebno je predvidjeti pad tlaka na glavnom ventilu, regulaijskom ventilu itd., što se može izračunati po jednadžbi: (.4. ) p p 5 ( 5.8 ) Stanje pare u komori regulaijskog stupnja određeno je projenom stupnja djelovanja na regulaijskom stupnju. Za turbine s brzinom vrtnje n 5 s -, stupanj djelovanja regulaijskog stupnja s čistim protočnim presjekom kaskade statorskih lopatia A i omjerom brzina u/ f. Jednadžbe za stupanj djelovanja regulaijskog stupnja, koje su dobivene statističkom obradom raspoloživih eksperimentalnih podataka su sljedeće: 4 p rii k u /.83 za rotor s jednim redom lopatia ( 5.9 ) m & v 4 p riii k u /.8 za rotor s dva reda lopatia ( 5. ) m & v gdje je k u/ koefiijent koji možemo naći iz krivulje na slii 5.4. Ostali podai u jednadžbama su nam već poznati s time da indeks upućuje na stanje ispred stupnja. Prije rtanja h-s dijagrama, protok pare moramo izračunati na sljedeći način. Najprije nalazimo reduirani toplinski pad na ukupnoj turbini:

10 78 Slika 5.3 h-s dijagram za ekspanziju pare u turbini s međupregrijanjem H i gdje je: ir Slika 5.4 Ispravak stupnja djelovanja za regulaijski stupanj pri uzimanju u obzir ovisnost o odstupanju omjera brzina u/ f od optimalne vrijednosti k I - rotor s jednim redom lopatia, k II - rotor s dva reda lopatia [( h h ) + ( h )] ( 5. ) h h fw rh h ( h h ) I t ri I II Stupanj djelovanja ri je grubo proijenjen na način da su. 85, a dobitak na stupnju ri ri ri djelovanja zbog regeneraije se izračunava pomoću približno pretpostavljenih vrijednosti za ξ r i ξ rh r koje nalazimo iz krivulja na slii.4 i po jednadžbama (.37) i (.38). Apsolutni unutarnji (indiirani) stupanj djelovanja ir turbinskog postrojenja s međupregrijanjem pare izračunavamo po jednadžbi:

11 79 ir I ( h h ) + ( h h ) t ri rh t ri I rh ( h h ) + ( h h ) ( ξ ) t ri rh II r a za postrojenje bez međupregrijanja po jednadžbi: ir ( h h ) t ri ( h h ) ( ξ ) r Pomoću toplinskog pada H koji smo našli na taj način i zadane snage P el možemo izračunati približni protok kroz prvi stupanj turbine: P m H el & ( 5. ) i m eg te uz primjenu jednadžbe da je Q m& ( h h ), protok pare u kondenzator će biti: P ( ) el m & h h meg ( 5.3 ) ir gdje h možemo naći iz grube konstrukije h-s dijagrama za proese u srednjetlačnoj i niskotlačnoj turbini uz pretpostavku da je unutarnji stupanj djelovanja ri.85 i uzimanjem u obzir zadane podatke međupregrijanja i tlak u kondenzatoru. U ovim jednadžbama možemo koristiti mehanički stupanj djelovanja turbine prema slii 5.5. Tu moraju biti uključeni i gubii na reduktoru ako se koristi. Krivulje na slii opisuju praktično područje mehaničkih gubitaka energije u turbinama koje imaju različiti broj ležaja, različite vrste pumpi ulja i njihovih pogona itd. Stupanj djelovanja električnih generatora eg može se usvojiti prema tablii 5.3. i Nakon što smo odredili stupanj djelovanja regulaijskog stupnja po jednadžbama (5.9) ili (5.), moguće je naći stupanj djelovanja za ne-regulirani stupanj u visokotlačnoj i srednjetlačnoj turbini. Stupanj djelovanja zajedničke grupe stupnjeva turbine s gubitkom putem izlazne brzine pare na zadnjem od tih stupnjeva, za rad s pregrijanom parom pri brzini vrtnje n 5 s - može se izračunati po jednadžbi: gr rh.5 H 6 ri.95 ev mav v + ξ & av ( ) ( 5.4 ) gdje su srednji maseni protok i srednji speifični volumen: & m& m& v av v v m av gdje se indeks odnosi na stanje ispred, a indeks na stanje iza grupe stupnjeva. H gr, kj/kg, je raspoloživi toplinski pad na grupi stupnjeva a ξ ( sin α ) z, gdje je z broj stupnjeva u grupi. ev ef Stupanj djelovanja za grupu niskotlačnih stupnjeva koji rade na pregrijanu paru pri brzini vrtnje n 5 s - izračunavamo po jednadžbi: lp rh H 4 Hev ri.87 + lp ( 5.5 ) H

12 8 gdje je H lp, kj/kg, raspoloživi toplinski pad na niskotlačnom dijelu, a: H ev m& v Ω + ( d ) z lz ( 5.6 ) je približna vrijednost gubitka energije izlaznom brzinom na zadnjem stupnju turbine, d z /l z je faktor lepeze na zadnjem stupnju, Ω je aksijalna površina izlaza iz zadnjega stupnja, a indeks na masenom protoku i speifičnom volumenu označava stanje iza lopatia rotora na zadnjem stupnju. Ako se ekspanzija pare na zadnjem stupnju dešava u području vlažne pare, stupanj djelovanja stupnja treba korigirati za koefiijent trenja vlažne pare: ( 5.7 ) gr rh ri kwfri gdje je: k wf a y + y wf Ovdje je y udio vlage na ulazu u grupu stupnjeva, a y je udio vlage na izlazu, a wf je koefiijent koji se može usvojiti da je jednak a wf.8 ako je tok pare izveden sa separaijom vlage po obodu. Kada konstruiramo h.s dijagram za tok pare u turbini, bitno je da uzmemo u obzir padove tlaka u sljedećim dijelovima glavnog toka pare kroz turbinu: Tablia 5.3 Stupanj djelovanja električnih generatora pri n 5 s - Generator Proizvođač Snaga St. djel. Hlađenje MW % Zrak Zrak Zrak Zrak Zrak Zrak Zrak Vodik Zrak Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik Vodik

13 8 Slika 5.5 Mehanički gubii na turbinskom postrojenju gubii u reduktoru. u međupregrijanju pare: prh. prh ( 5.8 ). u spojnim ijevima između kućišta turbine (bez međupregrijanja i vanjskoga separatora) p. ( 5.9 ) r p r 3. u vanjskom separatoru sep ( ) sep p.6. p ( 5. ) 4. u ispušnom vodu u kondenzator p λ exh p ( 5. ) gdje je exh - m/s, brzina pare u ispušnom vodu za kondenzaijsku turbinu, ili za protutlačnu turbinu exh 5-8 m/s. Koefiijent λ je dobiven eksperimentalno i njegove vrijednosti se kreću od. do. ovisno o aerodinamičkom stupnju djelovanja. U suvremenim izvedbama je pad tlaka na ispušnom vodu jer se vrlo često koristi i difuzorski efekt pri odvodu pare u kondenzator. Kod starijih turbina su gubii u ispušnom vodu znatni. Nakon konstruiranja h-s dijagrama proesa (vid poglavlje 5.6), provodi se detaljni proračun proesa u parnoj turbini. Protok pare kroz dijelove glavnog toka pare u parnoj turbini, koji nalazimo kao rezultat ovih proračuna, koristi se pri detaljnim proračunima proesa u turbini. 5.4 Određivanje promjera stupnja, broja stupnjeva i razdiobe toplinskih padova po stupnjevima Prije početka detaljnih proračuna za svaki stupanj turbine, ukupni toplinski pad na turbini treba podijeliti po stupnjevima. Da bi to učinili, potrebno je odrediti promjer prvoga nereguliranog stupnja na turbini. Glavne poteškoće u konstrukiji zadnjih stupnjeva turbine opisane su detaljno u poglavlju 5..

14 Glavne dimenzije kaskade lopatia rotora na zadnjem stupnju, tj. srednji promjer d i visina lopatia l, koje ovise prije svega o volumnom protoku ispuha, određene su iz jednadžbe čuvanja mase (5.4) za izlazni presjek turbine na lopatiama rotora zadnjega stupnja: 8 Ω π d l m v sinα & gdje izlazni kut brzine iz lopatia rotora može biti 9 o, speifični volumen v nalazimo iz h-s dijagrama za stanje pare na izlazu iz zadnjega stupnja. Izlazna brzina pare na zadnjem stupnju definirana je tehničko-ekonomskim proračunima. Gubitak energije izlaznom brzinom iza zadnjega stupnja se obično uzima u graniama / - 4 kj/kg. Vrijednost Ω nalazimo po gore navedenoj jednadžbi s krajnjim vrijednostima uobičajenim za izvedbe sličnih turbina. Ako je ona prva (izračunata) vrijednost veća nego kod sličnih turbina (vidi tabliu 5.), odabire se izvedba niskotlačne turbine s više paralelnih tokova. Srednji promjer zadnjega stupnja može se izračunati po jednadžbi: d Ωθ iπ gdje je i broj paralelnih tokova u niskotlačnom dijelu turbine. Omjer lepeze θ d /l je jednak.5 do 3. za turbine velike snage i 3.5 do 7. za turbine manje snage. Visinu lopatia rotora na zadnjem stupnju turbine dobivamo po jednadžbi: l θ ( 5. ) d Treba napomenuti da mala vrijednost od θ otežava projektiranje aerodinamički i konstrukijski efikasnoga profila lopatia rotor. U tim slučajevima postoji opasnost od stvaranja zastoja strujanja pri korijenu lopatie, tako da se za zadnje stupnjeve ne preporučuje odabir malih vrijednosti srednjeg promjera d za zadnji stupanj jer bi to iziskivalo ugradnju većeg broja stupnjeva turbine. Dimenzije prvoga ne-reguliranoga stupnja mogu se odrediti na isti način kao i za zadnji stupanj, tj. po jednadžbi očuvanja mase (5.). Nakon supstituije u ovu jednadžbu, dobivamo: u f ρ ρ x u π d n f d π µ nel mv & t x f ρ sinα ef ( 5.3 ) gdje su maseni protok i brzina vrtnje određeni u ulaznim podaima. Drugi članovi su izračunati ili pretpostavljeni. Speifični volumen nalazimo iz h-s dijagrama za stanje na izlazu iz kaskade lopatia statora na prvom ne-reguliranom stupnju. Koristimo grubu pretpostavku da je toplinski pad na stupnju jednak 3-45 kj/kg. Omjer x f za stupanj akijske turbine može biti od.4 do.5. Niže vrijednosti za x f odabiremo za stupnjeve s parijalnim privodom pare. Za stupnjeve s malom visinom lopatia (l. - 5 mm), x f Za lopatie s l.> 5 mm, x f Za turbine male snage visina lopatia se ne izvodi manjom od - 4 mm. Ako je odgovarajući promjer stupnja mali, na primjer manji od m za brzinu vrtnje od 5 s -, usvaja se parijalni privod pare. Pri niskom toplinskom padu na stupnju, broj stupnjeva turbine se povećava, što poskupljuje proizvodnju turbine. Treba imati na umu da je porast potrebe za višim stupnjem djelovanja povezan i s

15 većim brojem stupnjeva. Za turbine manjih snaga s visinama lopatia - 4 mm, na izlazu iz kaskade statora odabire se mali kut izlazne brzine α ef - o. Za turbine većih snaga on je α ef 3-6 o uz visinu lopatia prema jednadžbi (5.3) uz pogodni promjer nereguliranog stupnja od.8 do. m. Stupanj reakije u jednadžbi (5.3) se odabire ovisno o omjeru d/l i o njemu se govori u poglavlju 3 u jednadžbi (3.58) u kojoj je ρ Za kondenzaijske turbine male snage (P el < 4. MW) preporučuje se da se poveća brzina vrtnje iznad 5 s - i da se koristi reduktor za povezivanje turbine s generatorom. Proračun prvoga ne-reguliranog stupnja za reakijsku turbinu razlikuje se od onoga što smo malo prije rekli obzirom da je minimalna visina lopatia sada veća od mm, a stupanj reakije se odabirao takav da je privod pare pun. Za izlazni kut iz lopatia statora α ef 5-8 o odabran je stupanj reakije ρ.5 i omjer brzina x f Problem određivanja broja stupnjeva turbine i razdiobe toplinskih padova među stupnjevima nije jednostavni postupak. Kako je već rečeno, povećanje broja stupnjeva turbine vezano je uz smanjenje srednjega promjera preko lopatia i povećanje dužine lopatia. Time se ujedno povećava stupanj djelovanja turbine. Iz tih razloga, tok pare kroz turbinu koja koristi skupo gorivo ili nosi glavni teret se izvodi s većim brojem stupnjeva. S druge strane, turbine koje ne smiju biti preskupe izvode se s manjim brojem stupnjeva koji se smještaju u jedno ili dva kućišta. Pri podjeli toplinskih padova po stupnjevima, bitno je osigurati da se promjeri stupnjeva mijenjaju kontinuirano od prvih ne-reguliranih stupnjeva do zadnjega. Kod kondenzaijskih turbina koje se izvode samo s jednim kućištem, promjer prvog ne-reguliranog stupnja je 4 do 5% promjera zadnjega stupnja. Turbina ima dvije ili više grupa stupnjeva s naglom promjenom promjera među njima. Ako su početni stupnjevi izrađeni s parijalnim privodom pare, preporučljivo je da se svi takvi stupnjevi grupiraju u prvu grupu, a oni s punim privodom pare u sljedeću zasebnu grupu. Između njih treba staviti komoru u kojoj će se para koja je izašla iz stupnjeva s parijalnim privodom rasporediti po ijelom obodu da može ući u sljedeći stupanj s punim privodom. Za turbine s više kućišta, određivanje broja stupnjeva i razdioba toplinskih padova među njima provodi se zasebno a svako kućište turbine. Pritom se pazi na odgovarajući omjer promjera od početnog do krajnjeg stupnja u tom kućištu, kako bi se unutar kućišta dobila glatka kontura glavnoga toka pare. 83 Stupanj br. Slika 5.6 Dijagram za određivanje broja stupnjeva i razdiobu toplinskih padova među njima Određivanje broja stupnjeva i razdioba toplinskih padova se najlakše izvodi koristeći zasebni dijagram (slika 5.6). Dijagram je konstruiran na način da smo na apsisu postavili proizvoljni presjek a. Promjer prvog ne-reguliranog stupnja i onaj od zadnjega stupnja položeni su kao ordinate na krajevima odsječka a. Gornji krajevi ordinata spojeni su krivuljom koja određuje promjere svih stupnjeva unutar turbine.. U visokotlačnom dijelu krivulja je gotovo horizontalna, obzirom da promjeri u tom dijelu

16 turbine jedva rastu od stupnja do stupnja. U niskotlačnom dijelu kondenzaijskih turbina krivulja počinje rasti sve strmije i vod a sve većim promjerima stupnjeva. Krivulja omjera brzina x f u/ f za sve stupnjeve je isto tako urtana u dijagram. Vrijednosti x f su one blizu optimuma kako bi na svakom stupnju postizali najviši stupanj djelovanja ri. Kako je navedeno u poglavlju 3, x f,opt ovisi o stupnju reakije, trenju, segmentnim i ventilaijskim gubiima, gubiima propuštanja i zbog vlažne pare. Omjer lepeze θ d/l se smanjuje od stupnja do stupnja, a time se povećava stupanj reakije po jednadžbi (3.58), koja obuhvaća povećanje optimalnoga omjera brzina. Sa smanjenjem prije navedenih gubitaka energije, optimalni omjer brzina x f se povećava. Pošto je visina lopatia na visokotlačnom dijelu turbine skoro konstantna, kao i promjeri stupnjeva, omjer brzina je konstantan za ijeli dio turbine. U srednjetlačnom i niskotlačnom dijelu, x f se povećava od stupnja do stupnja, kako je prikazano na slii 5.6. Uz srednji promjer stupnjeva i omjere brzina koje nalazimo na taj način, moguće je odrediti raspoloživi toplinski pad za svaki stupanj: 84 H u x f ili H π d n ( 5.4 ) x f Uz n 5 s -, jednadžba za raspoloživi toplinski pad na stupnju za zastojne parametre može se napisati kako slijedi:. 3 d H ( 5.4a ) x f Da bi podijelili toplinski pad među stupnjevima i povezali ih s ukupnim toplinskim padom nereguliranih stupnjeva, bitno je odrediti raspoloživi toplinski pad za statičke parametre: H H Energija izlazne brzine iz prethodnog stupnja / obično predstavlja 4-8% toplinskog pada za zastojne parametre, pa je: (.9. ) H H 96 ( 5.5 ) gdje vrijednost.9 odgovara izlaznom kutu brzine pare iz statora α ef 6-7 o, a vrijednost.96 za α ef o. Energija izlazne brzine iz ranijega stupnja ne koristi se u prvom stupnju bilo kojega kućišta turbine, gdje je / pa je za te stupnjeve: H H Na taj način, pri poznatim vrijednostima za d i x f moguće je po jednadžbama (5.4) i (5.5) naći raspoložive toplinske padove duž sekije a i nartati odgovarajuću krivulju u dijagramu prema slii 5.6. Nadalje, ako sekiju a podijelimo na m podsekija i nađemo toplinske padove za krajeve ovih podsekija u dijagramu, prosječni toplinski pad na stupnju može se izračunati po jednadžbi:

17 85 ( H ) m + ( H ) i i ( 5.6 ) av m+ a broj stupnjeva po jednadžbi: n( qt) ( H ) av H + z ( 5.7 ) gdje je H n raspoloživi toplinski pad na ne-reguliranim stupnjevima, koji se izračunava za stanje pare u komori regulaijskog stupnja i tlaku na izlazu u ispušni vod turbine, a q t je faktor međupregrijanja. Nakon zaokruživanja broja stupnjeva z na ijeli broj, moguće je naći toplinski pad za svaki stupanj. To se radi tako da se sekija a podijeli na z- podsekija i za točke podjele odredi se preliminarna vrijednost toplinskog pada H' za svaki stupanj na krivulji H. Nakon toga ispravljaju se vrijednosti za toplinske padove uspoređujući sumu toplinskih padova na svim stupnjevima H s umnoškom H + ( ) n q t, Razlika: z H ( + ) n qt H i se dijeli s brojem stupnjeva i vrijednost razlomka /z se dodaje toplinskom padu H' za svaki stupanj zasebno. Ovaj redoslijed radnji koji određuje toplinske padove po stupnjevima prikazan je u tablii 5.4 gdje je u zadnjem redu prikazan konačni toplinski pad koji će se koristiti za detaljne proračune stupnjeva turbine. Treba istaknuti da dobivenu razdiobu toplinskih padova i srednje promjere možda bude trebalo popraviti detaljnim proračunima kako bi se dobili bolji prijelazi iz stupnja u stupanj na glavnom putu pare. Tablia 5.4 Razdioba toplinskih padova među stupnjevima z i i Parametar Broj stupnja Promjer stupnja Preliminarni topl. pad Konačni toplinski pad Oznaka Suma toplinskih padova Prilikom podjele toplinskog pada po stupnjevima, bitno je uzeti u obzir sve aspekte odabira promjene promjera stupnjeva duž glavnog toka pare. Podjela toplinskih padova se obično vrši na način da se pazi na promjenu promjera d r korijena lopatie, prije nego srednjega promjera d. Promjer na korijenu lopatie, d l, je promjer na dnu profila lopatie. d r Promjer na korijenu lopatie se obično uzima konstantnim (d r onst) za visokotlačne dijelove turbine ili ponekada za ijeli tok pare. Ova zakonitost promjene promjera stupnja turbine omogućuje unifikaiju izvedbe korijena i prihvata lopatia na rotor, konstantne promjere tokarenja diskova rotor i standardne dimenzije utora za montažu lopatia. Ako grupu stupnjeva s konstantnim promjerom na korijenu lopatie ima konstantni stupanj reakije u svim korijenima lopatia rotora, sve lopatie ove grupe mogu imati iste profile i jedne od drugih se razlikuju samo po visini. Ova unifikaija omogućuje izradu svih lopatia s istim alatima i napravama, tako da je moguće smanjiti troškove proizvodnje turbina.

18 U konstrukiji dijagrama razdiobe toplinskih padova (slika 5.6), uvjet konstantnoga promjera korijena lopatia obuhvaća određene speifičnosti u pridruživanju srednjeg promjera na prvim i zadnjim stupnjevima u danoj grupi stupnjeva. U tom slučaju, uz pretpostavku da imamo puni privod i da je d dr + l, tj. zanemarivanjem razlika u promjeru korijena na lopatiama statora i rotora, iz jednadžbe (5.3) dobivamo: 86 ( d + l ) r l mv & t x fr π µ n ρ sinα r ef ( 5.8 ) gdje je x fr u r / f. Ova jednadžba, koja vrijedi za bilo koji stupanj u grupi, omogućuje da se odredi promjer zadnjega stupnja za usvojeni srednji promjer (a time i promjer na korijenu lopatia) prvoga stupnja. Uz d r onst moguće je naći visinu lopatia l (z) za zadnji stupanj u grupi i nakon toga srednji promjer: ( z) ( z) d dr + l S poznatim srednjim promjerom prvoga i zadnjeg stupnja, rta se krivulja srednjih promjera u dijagramu sličnom onome na slii 5.6, kako je objašnjeno ranije. U niskotlačnim dijelovima i ponekad u srednjetlačnom dijelu, promjer d r na korijenu može se povećavati ili smanjivati duž toka pare. Svaka od tih metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Smanjivanje promjera na korijenu u smjeru strujanja pare donosi nam sljedeće prednosti:. Mreža strujanja u području oko korijena lopatia statora i rotora so popravlja, posebno se smanjuje trend zastoja u strujanju.. Kut nagiba meridionalne konture kaskada lopatia statora i rotora se smanjuje i time smanjuje gubitak energije pri vrhu lopatia. 3. Srednji promjeri početnih stupnjeva su povećani, tako da je moguće smanjiti ukupni broj stupnjeva turbine. Od nedostataka ove metode imamo sljedeće:. Nemoguće je koristiti zajedničku pripremu i alate za izradu diskova i utora za prihvat lopatia.. Lopatie na prvim stupnjevima imaju manju visinu. U novije vrijeme ova metoda je postala popularna (vidi slike.8 i.37 na kojima su prikazana niskotlačna kućišta dvije turbine). Povećanje promjera korijena u smjeru toka pare nudi sljedeće prednosti, koje su od posebnog značaja kada je volumni protok pare mali u početnim stupnjevima. Kod ove metode, početni stupnjevi imaju smanjeni promjer na početnom stupnju i time daju veću visinu lopatia, čime se smanjuju rubni gubii na stupnju. Ova je metoda primijenjena pri konstrukiji duž toka pare na niskotlačnom kućištu turbine (vidi sliku.4). 5.5 Detaljni proračun toka pare u turbini Nakon određivanja broja stupnjeva i njihovih toplinskih padova, provode se detaljni proračuni za svaki stupanj turbine. Neka posebna svojstva ovih proračuna navedena su kao sljedeća:. Protoke pare kroz pojedine stupnjeve i grupe stupnjeva, kako nalazimo u proračunima, potrebno je popraviti. Na primjer, protok pare u regulaijskom stupnju i prvom sljedećem ne-reguliranom stupnju mogu biti različiti, obzirom na gubitak pare u prednjoj brtvi kućišta. Ovo propuštanje treba odrediti iz poznatih jednadžbi u poglavlju 3.. U nekim slučajevima treba uzeti u obzir promjene protoka pare zbog pare koja se dovodi iz prednje brtve kućišta i uključuje u glavni tok pare. Treba isto tako napomenuti da propuštanja pare kroz brtve dijafragmi nisu velika i da se

19 često zanemaruju u proračunima dimenzija lopatia statora i rotora. Oni se ipak moraju uzeti u obzir prilikom izračunavanja relativnog stupnja djelovanja na stupnju turbine.. U proračunima unutarnjih stupnjeva turbine, bitno je pravilno izračunati gubitak energije izlaznom brzinom iz ranijega stupnja, koju ćemo oporaviti za sljedeći stupanj. Za stupnjeve izvedene za optimalne radne uvjete, tj. s kutom izlazne struje blizu 9 o, usvaja se koefiijent utilizaije energije izlazne brzine χ ev jednak jedinii. Pri kutovima izlazne brzine različitim od 9 o i s kaskadom lopatia statora izvedenom za upadni kut α 9 o, koefiijent χ ev za raniji stupanj računa se po jednadžbi: χ ev sin α 87 Energija izlazne brzine se ne koristi na početnim stupnjevima svake sekije turbine ako je predviđen veći prostor prije takvoga stupnja. U vezi s time, bitno je povećati raspoloživi toplinski pad H tih stupnjeva po statičkim parametrima za energiju izlazne brzine od.5 do 3 kj/kg u usporedbi s drugim stupnjevima u kojima će se ta energija iskoristiti. U svim drugim stupnjevima također se iskorištava energija izlazne brzine. Važno je napomenuti da jednadžbe za raspoloživu energiju E i za stupanj djelovanja rb imaju različiti oblik za početni, unutarnji i zadnji stupanj sekije. Za prvi stupanj: E H rb E H E n H m Za svaki unutarnji stupanj: E H rb E H E n H m Za zadnji stupanj: E H rb E H n H E m H ev Za svi od navedenih stupnjeva, stupanj djelovanja rb može se odrediti iz projekija brzina na smjer obodne brzine po jednadžbi: rb u E u gdje je E izračunata za svaki od stupnjeva po prije navedenim jednadžbama. 3. Kako je ranije navedeno, promjer na korijenu lopatie na visokotlačnom dijelu, a često i na srednjetlačnom dijelu se izvodi kao konstantan da se ujednače utori za montažu lopatia. Pored toga, profili statorskih i rotorskih lopatia su slični od stupnja do stupnja uz pretpostavku da imaju jednake kutove brzina α i β, te konstantne omjere brzina u/ f i stupnjeve reakije za područje korijena lopatie. U tom će slučaju trokuti brzina za sve stupnjeve biti slični ako d r nije konstantan ili biti jednaki ako je d r onst. Pod takvim uvjetima, profili lopatia statora i rotora u svim stupnjevima grupe mogu biti jednaki uz uvjet da sve lopatie imaju zadanu čvrstoću na savijanje. Zahtjev čvrstoće na savijanje obično iziskuje veću širinu lopatia u zadnjim stupnjevima grupe (gdje lopatie imaju najveću visinu). 4. Faktor lepeze l /d lopatia se povećava od stupnja do stupnja duž toka pare zbog čega se povećava stupanj reakije ρ na srednjem promjeru, a na korijenu lopatia ostaje blago pozitivni stupanj reakije ρ r. Stupanj reakije na srednjem promjeru se izračunava po jednadžbi iz poglavlja 3.5: ρav r ( ρ ) r ϕ os α

20 ili 88 l ρ ( ) d av ρ r.8 Kako stupanj reakije na srednjem promjeru raste, raste i optimalni omjer brzina: u f opt ϕ osα ρ 5. Pošto se omjer srednjega promjera prema visini lopatie smanjuje prema zadnjem stupnju kondenzaijske turbine, lopatie za zadnje stupnjeve se izrađuju s profilom koji se mijenja po visini lopatia, tj. za njih kažemo da su uvijene. Prihvatljiva grania do kuda možemo imati lopatie bez uvijanja je θ > - 3. Uvijene lopatie su zahtjevnije i skuplje za izradu. 6. U niskotlačnom dijelu kondenzaijskih turbina se kut α može mijenjati značajno od stupnja do stupnja. Ova promjena je potrebna kako bi dobili glatku meridionalnu konturu glavnog toka pare, ili drugim riječima, da bi mogli intenzivnije povećavati visinu lopatia. U početnim stupnjevima niskotlačnog dijela turbine kut α se najprije smanjuje da bi omogućili veću visinu lopatia, a prema zadnjim stupnjevima se povećava, kako bi mogli malo skratiti visinu zadnjih lopatia. 7. Mahovi brojevi u lopatiama statora i rotora povećavaju se od stupnja do stupnja (na nereguliranim stupnjevima), pošto se povećava srednji promjer stupnjeva, koji povećava toplinski pad po stupnju i brzine t i w t. S druge strane, zbog sniženja temperature smanjuje se brzina zvuka od stupnja do stupnja. Na taj se način nadzvučne brzine mogu pojaviti na regulaijskim stupnjevima i na zadnjim stupnjevima turbine. Mahov broj na nereguliranim stupnjevima je u području unutar.5 do.6 za visokotlačni dio pa do.5 do. za zadnje stupnjeve turbine. To nam ukazuje na značaj vrlo složenih proračuna zadnjih stupnjeva turbine obzirom na povišene gubitke energije koji se javljaju s nadzvučnim strujanjem na kaskadama lopatia. Do sada navedena posebna svojstva proračuna stupnjeva turbine nisu sva s kojima se susrećemo u detaljnim proračunima stupnjeva. Primjer ovih detaljnih proračuna dan je u poglavlju 5.7. Sada ćemo pogledati speifičnosti proračuna reakijskih stupnjeva turbine u usporedbi s proračunom akijskih stupnjeva. Kako smo ranije naveli, minimalna visina lopatia na početnim nereguliranim stupnjevima je kod reakijskih stupnjeva do 5 mm i veća je nego kod akijskih stupnjeva. Lopatie manje visine uzrokuju veće propuštanje pare u zračnostima između lopatia statora i rotora- Zbog toga se kao obveza uvodi potreba da se na nereguliranim stupnjevima dovod pare vrši po ijelome obodu rotora, tj. sa e. Kut izlaza iz lopatia statora je kod reakijskih stupnjeva 5 do 8 o, a stupanj reakije je za sve stupnjeve osim za zadnja dva do tri stupnja jednak ρ.5. Zadnji stupnjevi imaju visoku vrijednost faktora lepeze (zbog većeg omjera visine lopatie i srednjeg promjera) i uvijek pozitivni stupanj reakije na korijenu lopatie, zbog čega je stupanj reakije na srednjem promjeru zadnjih stupnjeva veći od Speifičnosti turbina na vlažnu paru u nuklearnim elektranama Većina turbina u nuklearnim elektranama radi sa zasićenom parom. Primjena vlažne pare utječe na izvedbu i konstrukiju. O nekima od ovih speifičnosti će biti govora u ovome poglavlju. iski raspoloživi toplinski pad U većini turbina na zasićenu paru, raspoloživi toplinski pad je otprilike polovia onoga kod turbina s visokim početnim parametrima pare. Tako je na primjer raspoloživi toplinski pad suvremenih turbina na zasićenu paru s vanjskom separaijom pare i s p 6. MPa manji od 6% raspoloživog toplinskog

21 pada turbine s početnim parametrima pare p 3 MPa i T 55 o C. Sljedeće su posljedie ove konstataije:. većina turbina na vlažnu paru nema srednjetlačne turbine, već samo niskotlačni dio;. niskotlačni dio proesa proizvodi 5 do 6% snage turbine i njegov utjeaj na stupanj djelovanja turbine je vrlo značajan; 3. stupanj djelovanja turbine ovisi jako o gubitku izlaznom brzinom H ev, aerodinamičkom stupnju djelovanja ispušnog kanala, gubiima prigušivanja u dovodu pare na turbinu te gubiima u dovodnom parovodu. Volumni protok pare Obzirom na niske parametre pare i niži raspoloživi toplinski pad, volumni protok pare u turbinama na zasićenu paru je 6 do 9% veći nego kod parnih turbina na pregrijanu paru, ali iste snage. Zbog toga projektiranje turbina za nuklearne elektrane koje rade s vlažnom parom ima speifičnosti u:. većim ukupnim dimenzijama elemenata za dovod pare u turbinu,. visokotlačni dio turbine se izvodi s dvostrukim (paralelnim) tokom glavne pare na turbinama snage veće od 5-8 MW, 3. veća visina lopatia, zbog čega čak i lopatie početnih stupnjeva imaju uvijanje i varijabilnost profila po visini, 4. velika visina lopatia i visoka naprezanja u njima, posebno u regulaijskom stupnju s parijalnim privodom pare, 5. veliki volumni protok pare u kućištima niskotlačnog dijela turbine, zbog čega je potrebno koristiti više paralelnih tokova ili manju brzinu vrtnje. Vlažnost pare Problem sadržaja vlage u pari je najveća briga kod turbina za nuklearne elektrane, obzirom da svi stupnjevi turbine rade u području vlažne pare. Može se približno uzeti da povećanje sadržaja vlage u pari za % rezultira smanjenjem indiiranog stupnja djelovanja za %. Kondenzaija vlage na samom početku ekspanzije, gdje para ima veliku gustoću, uzrokuje erozijsko oštećenje lopatia i dijelova turbine. U turbinama koje rade s vlažnom parom mogu se pojaviti različiti oblii erozije, posebie udarna erozija, tangenijalna erozija i ispiranje zbog djelovanja mlazova vlage. Da bi smanjili gubitke zbog vlage u pari, stupnjevi i kaskade lopatia za te turbine se izvode s posebnom brigom za otklanjanje vlage. Tako se izvode veće zračnosti u prostoru između lopatia statora i rotora, kako bi se odvodila kondenzirana vlaga. Odvodnjom kapljia, koje imaju same veliku brzinu, imamo povećane gubitke kinetičke energije iz toka pare i smanjuje sadržaj energije pare koja ulazi u lopatie rotora. I tu postoji optimalni omjer dimenzija i optimalne zračnosti za svaki stupanj turbine. Kako je eksperimentalno potvrđeno, povećanje aksijalne zračnosti nema izravni utjeaj na stupanj djelovanja stupnja turbine. U nekim turbinama je aksijalna zračnost između lopatia statora i rotora mm i više. Ostale raionalne mjere koje se koriste u konstrukiji turbina na vlažnu paru su: smanjenje tangenijalne brzine na vrhovima lopatia što se postiže manjom visinom lopatia, primjena manje brzine vrtnje, smanjenje broja lopatia što ima pozitivne efekte u smanjenju nakupljanja vlage na lopatiama i smanjenje efekata stvaranja velikih kaplji od nakupljenog sloja tekućine na lopatiama i manjem broju takvih kaplji koje će udarati u lopatie rotora. Speifična snaga Pošto turbine na vlažnu paru imaju manji toplinski pad, speifična snaga takvih turbina je tek dio snage onih koje rade s pregrijanom pare za isti broj tokova pare u niskotlačnom dijelu turbine i za isti tlak u kondenzatoru. Problem odgovarajuće konačne speifične snage turbina visoke brzine vrtnje (n 5 s - ) za nuklearne elektrane se rješava uglavnom ovisno o dopuštenom broju kućišta turbine sa zajedničkim rotorom, te 89

22 tlakom i gubiima u kondenzatoru. Tako na primjer, shema turbine snage 5 MW koja radi s vlažnom parom sadrži 5 kućišta, zajedno s niskotlačnim kućištima. Postoji nekoliko mogućih načina za povećanje krajnje snage turbina visoke brzine vrtnje, namijenjenih nuklearnim elektranama:. Povećanje mogućeg protoka pare na ispuhu. Dobivena su iskustva u radu parnih turbina s malom speifičnom protočnom površinom sve do 9 m. Krajnja snaga turbine za n 5 s - koja radi na zasićenu paru s početnim tlakom MPa i tlakom na ispuhu od 4 kpa, s 8 ispuha i zadnjim lopatiama visine mm se projenjuje na 7 MW i može se povećati na MW daljnjim spuštanjem tlaka na ispuhu.. Smanjenje stupnja djelovanja turbine s povećanjem tlaka p na ispuhu ili povećanjem gubitaka u ispušnom vodu. Promjena tlaka u kondenzatoru s p 3.5 kpa na 5 kpa za iste dimenzije zadnjega stupnja turbine može povećati snagu turbine za 43% uz smanjenje stupnja djelovanja za svega.9%. Povećanje H ev za faktor.5 može povećati snagu za faktor. uz pad stupnja djelovanja.3%. 3. Smanjenje brzine vrtnje za 5%. Turbine za nuklearne elektrane za rad na zasićenu paru ili blago pregrijanu paru sada se izvode s brzinom vrtnje n 5 s - počev od snaga 5 do MW. Pouzdanost Turbine za nuklearne elektrane moraju poštivati vrlo stroge zahtjeve za pouzdanost rada. Glavni uzrok tome je taj da je nemoguće naglo zaustaviti nuklearni reaktor pri isključivanju parne turbine. Obzirom na to, turbine za nuklearne elektrane grade se sa strožim graniama sigurnosti uz primjenu najkvalitetnijih materijala: lopatie statora i rotora moraju biti kvalitetno konstruirane i izrađene. Radikalni način povećanja pouzdanosti turbine je u smanjenju brzine vrtnje, čime se smanjuju naprezanja u lopatiama rotora, povećava se krutost rotora i smanjuje broj potrebnih kućišta turbine. Utjeaj nakupljene vlage na karakteristike turbinskog postrojenja Oboje, turbine s međupregrijanjem i turbine koje rade s vlažnom parom, gdje parovodi među kućištima turbine ili do mjesta pregrijanja imaju veće dužine i sadrže velike količine pare, tako da pri promjenama opterećenja turbine može doći do porasta brzine vrtnje, obzirom da turbinu dodatno snabdijeva para akumulirana u tim vodovima. Kod turbina koje rade s vlažnom parom situaija je još teža zbog sadržaja kondenzata u ijevima, separatorima, na rotoru itd., koji pri sniženju tlaka može isparavati i dodatno hraniti turbinu parom. Proračuni i mjerenja su pokazali da povećanje brzine vrtnje može iznositi do 5-5%. Da bi se to spriječilo ili smanjilo koriste se sljedeće mjere:. speijalni ventili na ulazu u separatore i zagrijače pare na vodovima prema niskotlačnim kućištima,. smanjenje volumena parovoda između kućišta turbine i grupiranjem separatora i zagrijača u grupe, kako bi zauzimali čim manji volumen, 3. poboljšana drenaža kondenzata iz turbine i iz parovoda. Biološki štit Parne turbine u nuklearnim reaktorima s jednim krugom rade s radioaktivnim radnim medijem. Takve turbine i njihova oprema moraju biti zaštićeni kako se radioaktivnost ne bi prenijela u okoliš. Kod nekih nuklearnih elektrana se to svodi na stavljanje turbinskog postrojenja u hermetički zatvorene prostore ili se jednostavno hermetizira sama turbina. Parovodi se isto tako smještaju u zaštićene prostore ili daleko od mjesta koja su dostupna radnom osoblju. Posebne mjere se poduzimaju vezano za sprječavanje propuštanja radioaktivne pare iz turbina. Prirubnički spojevi moraju biti apsolutno zabrtvljeni. Svi spojevi su najčešće zavareni i po ijeloj dužini ispitani na moguće propuste ili kvalitetu zavara i materijala. Brtve na turbini se napajaju parom koja nije radioaktivna i koja se priprema u posebnim generatorima pare. 9

23 9 Slika 5.7 Shema parne turbine snage 8 MW - visokotlačno kućište turbine, - srednjetlačno kućište, niskotlačno kućište turbine, 6 - glavni kondenzatori, 7 - električni generator, 8 - postrojenje za mineralizaiju vode, 9 - pumpe kondenzata, - zagrijači pare za brtve, - turbine za pogon napojnih pumpi, - kondenzatori pare iz pomoćnih turbina, 3 - ekspanzijska posuda, 4 - transfer pumpa, 5 - ulaz glavne pare, 6 - odvod pare na međupregrijanje, 7 - dovod pare s međupregrijanja, 8 - para prema kućištu niskotlačne turbine, 9 - u zagrijavanje zraka, - iz brtvi, - iz brtvi ventila, - na sušenje goriva, 3 - na zagrijavanje goriva, 4 - flash para, 5 - prema održavanju tlaka, 6 - iz zagrijača zraka, 7 - nakon sušenja goriva, 8 - u drenažni tank, 9 - u generator pare, 3 - kemijski obrađena voda, 3 - rashladna voda u kondenzator, B, B - generatori pare, H do H8 - zagrijači napojne vode, D - otplinjač, BP - buster pumpa, FP - napojna pumpa 5.7 Primjer termodinamičkog proračuna kondenzaijske parne turbine U ovom će poglavlju biti izrađen primjer proračuna kondenzaijske parne turbine K-8-4, sa sljedećim glavnim podaima: Nazivna električna snaga P el, kw 8. Brzina vrtnje, n, s - 5 Početni tlak pare p, MPa 3.5 Početna temperatura pare T, o C 56 Temperatura pare nakon pregrijanja T rh, o C 54 Tlak pare na ispuhu p, kpa 3.4 Temperatura napojne vode T fw, o C 7 Shema parnoturbinskog postrojenja prikazana je na slii 5.7. Turbina ima 8 mjesta oduzimanja pare za regenerativno zagrijavanje napojne vode i 4 niskotlačna zagrijača, otplinjač i tri visokotlačna zagrijača. Napojne pumpe daju tlak od 35 MPa, a pokreću ih pomoćne kondenzaijske turbine, čija je snaga ukupno 3 MW. Parna turbina je izvedena sa zajedničkim vratilom i s pet kućišta: po jedno visokotlačno i srednjetlačno te tri niskotlačna kućišta s dvostrukim tokovima pare. Visokotlačno kućište ima jedan tok pare, a srednjetlačno kućište je izvedeno s dva toka pare. Proračun turbine će biti izveden u tri stupnja.

24 9 U prvom stupnju biti će preliminarno definiran proes u h-s dijagramu. Tlak međupregrijanja pare na ulazu u srednjetlačni dio turbine, koji nam je potreban za rtanje h-s dijagrama se usvaja na 3.5 MPa po preporukama koje su dane u poglavlju. Uz pretpostavku pada tlaka u sustavu međupregrijanja kao p/p rh., tlak pare na izlazu iz visokotlačnog dijela turbine je 3.9 MPa. Reduirani toplinski pad turbine dobivamo po jednadžbi: H i ir [( h h ) + ( h )] fw rh h Da bi izračunali ir po ovoj jednadžbi, potrebno je najprije odrediti stupanj djelovanja turbinskog postrojenja: i HPC IPC+ ( H ri) + ( Hri) HPC ( H ) + ( h h ) LPC ri rh gdje je usvojeno približno da su stupnjevi djelovanja HPC ri.88 i IPC+LPC ri.86. Dobitak na stupnju djelovanja za beskonačni broj oduzimanja pare za regenerativno zagrijavanje računa se po jednadžbi (.38): Slika 5.8 h-s dijagram proesa u parnoj turbini snage 8 MW. projena, preliminarni proračun, detaljni proračun

25 ξ r T ( srh s) ( h h ) + ( h h ) t rh T( srh s fw) ( h h ) + ( h h ) t ( ) rh fw ( ).3 93 rh rh Nadalje nalazimo po slii.4 vrijednosti za omjer koefiijenata ξ r ξr. 8 čime dobivamo koefiijent za konačni broj oduzimanja pare za regeneraijsko zagrijavanje napojne vode, s omjerom: Tfw T T T Sada možemo dobiti apsolutni stupanj djelovanja za turbinsko postrojenje s međupregrijanjem: ir i ξ rh r Uvrštavanjem ove vrijednosti u jednadžbu (5.) dobivamo reduirani efektivni toplinski pad turbine: [( ) + ( ) ] 84 H.46 kj/kg i Protok pare na prvom stupnju turbine se izračunava po jednadžbi (5.) Pel 8 m & 634 H kg/s i m eg gdje su usvojeni m.996 prema slii 5.5 i eg.987 prema tablii 5.3. Na ovome stupnju zanemaruje se protok pare na pomoćne turbine za pogon napojnih pumpi (34 kg/s). Protok pare u kondenzator turbine izračunavamo po jednadžbi (5.3): P el 8 m & 4 ( ) h i meg ir ( 36 ) kg/s Ovdje je h 36 kj/kg entalpija pare na kraju ekspanzije u turbini za usvojene približne vrijednosti unutarnjih relativnih stupnjeva djelovanja za kućišta turbine. Nakon što smo u grubo dobili protoke pare, sada možemo konstruirati proes u h-s dijagramu i možemo odabrati unutarnje stupnjeve djelovanja za sekije toka pare u turbini. Da bi to počeli, najprije ojenjujemo tlak p' ispred prvoga stupnja turbine nakon što smo oijenili gubitke tlaka na glavnom ventilu i regulaijskim ventilima po jednadžbi (5.8): p p.5 p MPa Prema tome, p p p. 33 MPa. Točku koja odgovara stanju pare prije prvoga stupnja turbine nalazimo u presjeištu linije h onst i izobare p (slika 5.8). Odabiremo da je već definirana konstrukija statorskog dijela prvoga stupnja turbine. Kao upravljački stupanj koristi se stupanj s jednim redom lopatia na rotoru, koji ima srednji promjer od. m i koji može efikasno obraditi zadani toplinski pad kj/kg. Ovaj toplinski pad je odabran s iljem da se smanji temperatura s kojom dolazimo na prve rotorske lopatie na 5 o C. Stupanj djelovanja regulaijskog stupnja izračunati ćemo po jednadžbi (5.9):

26 94 gst ri.83 m& p k u / v.753 gdje je k u/ f(u/ f ) preuzet iz slike 5.4 za u/ f.387 koji je izračunat za odabrani toplinski pad i srednji promjer regulaijskog stupnja. Ovaj omjer brzina, koji je značajno niži od optimalnoga se odabire na silu obzirom da je teško iskovati diskove s promjerom većim od. m. Pošto je u visokotlačnom kućištu odabran glavni tok pare u petlji, najprije ćemo odrediti stupaj djelovanja za prvu sekiju nereguliranih stupnjeva u visokotlačnom kućištu po jednadžbi: gr H m& av vav I ri ev ( ξ ).95 + (.). 868 Tlak iza prve sekije se uzima 8. MPa. Pri ovom tlaku, raspoloživi toplinski pad za neregulirane stupnjeve se dijeli na dva približno jednaka dijela. Koefiijent gubitka izlaznom brzinom je odabran kao ξ ev.. Stupanj djelovanja u drugoj sekiji računa se na isti način: I ri (.). 877 Ovi stupnjevi djelovanja nam omogućuju da odredimo stanje pare iza visokotlačnoga kućišta.ranije je usvojeno da je taj tlak jednak 3.9 MPa, te da je tlak ispred srednjetlačnoga kućišta jednak 3.5 MPa. Tlak pare iza srednjetlačnoga kućišta je odabran na vrijednosti.7 MPa iz konstrukijskih razloga kako bi smjestili odgovarajući broj stupnjeva u niskotlačno kućište (pet stupnjeva u toku pare). Stupanj djelovanja srednjetlačne turbine izračunavamo po jednadžbi (5.4) s time da usvajamo da je protok pare kroz nju jednak 553 kg/s: IPC ri (.). 97 Pad tlaka u spojnom parovodu između srednjetlačnog kućišta i niskotlačnih kućišta se projenjuje po jednadžbi (5.9): p. p MPa p Prema tome, tlak pare ispred niskotlačnoga kućišta turbine jednak je.65 MPa. Za određivanje unutarnjeg relativnog stupnja djelovanja niskotlačne turbine po jednadžbi (5.5), bitno je oijeniti gubitak H ev izlaznom brzinom iza zadnjega stupnja. Za zadnji stupanj je pretpostavljeno da ima čelične lopatie sa srednjim promjerom d.55 m i l.95 m. Omjer lepeze je θ d /l.68, a površina obrisana zadnjim lopatiama je: Ω π d l π m Gubitak energije izlaznom brzinom izračunavamo po jednadžbi (5.6): H ev m& v iω. + θ kj/kg.68

27 95 gdje je i 6 broj paralelnih tokova glavne pare u niskotlačnom dijelu. Prema tome, unutarnji relativni stupanj djelovanja za niskotlačna kućišta, uz zanemarivanje vlage, možemo izračunati po jednadžbi: rh ri LPC H 4.87 H + H ev LPC U nastavku ćemo naći korekiju za sadržaj vlage po jednadžbi (5.7) k wf y + y +..8 a.96 Stupanj djelovanja s popravkom za vlažnost pare izračunavamo kao: ri wf H 455 ( k ) ξ.894 (.96) rh* ri wf LPC ev H 676 gdje je stupanj djelovanja za statičke parametre: rh* rh Hev ri ri + LPC H Dalje je H wf 455 kj/kg toplinski pad za stupnjeve niskotlačnog dijela turbine koji rade u području vlažne pare, a H LPC 676 kj/kg je raspoloživi toplinski pad u niskotlačnoj turbini. Toplinski pad u niskotlačnom dijelu turbine određen je uz pretpostavku da su gubii tlaka u ispušnom vodu turbine jednaki nuli, tj. da je p z p 3.4 kpa. Stupanj djelovanja za sekije turbine i kućišta koje smo našli do sada, zajedno s padovima tlaka na opremi za dovod pare u turbinu te na spojnim parovodima omogućuje nam da nartamo proes u h-s dijagramu (slika 5.8). Sada ćemo nastaviti s drugim stupnjem proračuna na način da ćemo izračunati toplinski proes turbinskog postrojenja. Ovdje nećemo ulazit u detalje toga proračuna. Rezultati proračuna toplinskog proesa dani su u tablii 5.5. Sada možemo naći reduirani toplinski pad kao rezultat proračuna toplinskog proesa (tablia 5.5) uz projenu proesa u h-s dijagramu: ( ) 7. H α kj/kg i H ik k k Sada nalazimo projektni protok kroz prvi stupanj turbine: Pel 8 m & 64 H kg/s i m eg Treći stupanj je detaljni proračun strujanja pare kroz turbinu: a) Regulaijski stupanj visokotlačnog dijela turbine Za preliminarnu ojenu stupnja djelovanja regulaijskog stupnja bili smo uzeli da je srednji promjer d. m i da je raspoloživi toplinski pad H kj/kg (slika 5.9).

28 Tablia 5.5 Rezultati proračuna toplinskog proesa turbinskog postrojenja 96 Indeks Sekije turbine Iz br. oduzimanje u kondenzator Iz br. oduzimanje u kondenzator br. Iz LPC ulaz u oduzimanje br. Iz br. 4 oduzimanje u izlaz IPC i oduzimanje br. 3 Iz br. 5 oduzimanje u oduzimanje br. 4 Iz br. 6 oduzimanje u oduzimanje br. 5 Iz međupregrijača u oduzimanje br. 6 Iz br. 8 oduzimanje u izlaz HPC i oduzimanje br. 7 Iz ulaza u turbinu u oduzimanje br. 8 Tlak pare prije i nakon sekije p, MPa Entalpija pare prije sekije h, kj/kg Efektivni toplinski pad sekije H i, kj/kg Udio oduzete pare α Relativni protok pare kroz sekiju, -Σα Redu. toplinski pad sekije, H(-Σα) kj/kg Uzima u obzir protok pare na pomoćne turbine HPC - visokotlačni dio turbine IPC - srednjetlačni dio turbine LPC - niskotlačni dio turbine Za te vrijednosti promjera i raspoloživi toplinski pad, nalazimo omjer brzina za regulaijski stupanj u/ f.387. Rezultat detaljnih proračuna regulaijskog stupnja prikazani su u tablii 5.6, a trokuti brzina prikazani su na slii 5.. Obzirom na veliki volumni protok pare, izlazni kut iz kaskade statorskih lopatia i stupanj parijalnosti odabiru se nešto viši: α 6 o i e.86. Stupanj djelovanja dobiven proračunom, ri.76 je značajno niži u usporedbi sa stupnjevima djelovanja za neregulirane stupnjeve koji slijede iza regulaijskog, zbog odstupanja omjera brzina od optimalnoga, zbog povećanih gubitaka na rubnim plohama zbog niskog omjera visine i širine lopatie l/b, te odgovarajućih koefiijenata brzine ϕ i ψ i gubitaka zbog parijalnoga privoda pare. b) Prva sekija visokotlačnoga dijela turbine Protok pare koji se vodi u prvu sekiju visokotlačnoga dijela turbine je manji od onoga koji dovodimo u regulaijski stupanj zbog propuštanja kroz brtvu između prve i druge sekije visokotlačnog dijela turbine (slika 5.9). Ovo popuštanje se može izračunati po jednadžbi (3.3): 6 p ε m& g µ g Ag kg/s v z. 7 g Ovdje je pretpostavljeno da imamo z g 7 brtvenih traka, promjer zazora je d g.56 m, širina zazora je δ g.8 mm, koefiijent protoka µ g.73 je preuzet iz slike 3.5, a čista površina zazora je: A g π d g δ g π m

29 97 Slika 5.9 Tok pare kroz turbinu snage 8 MW odabranu za proračun a - visokotlačni dio turbine, b - jedan tok u srednjetlačnom dijelu turbine, - jedan od tokova u niskotlačnom dijelu turbine Parametri pare ispred brtve su uzeti za stanje pare iza regulaijskog stupnja. Tlak iza brtve je uzet jednakim onome ispred druge sekije u visokotlačnom dijelu turbine, za koji je grubo pretpostavljeno da je jednak 7.9 MPa, tj. ε.5. Prema tome, protok pare na ulazu u prvu sekiju visokotlačnoga dijela turbine je: m& kg/s Sada određujemo broj stupnjeva u prvoj sekiji visokotlačnoga dijela turbine. Promjer prvoga nereguliranog stupnja je usvojen na d.9 m, nakon čega određujemo visinu lopatia statora po jednadžbi (5.3): l mv & x r f o π dµ n ρ sinα ef π sin4.8 m Speifični volumen v t v t. m 3 /kg je izračunat za toplinski pad: H d n ( u f) kj/kg pri čemu je pretpostavljeno da je kut izlazne brzine α ef 4 o, a stupanj reakije je ρ.. Uz pretpostavku da je prekrivanje l - l 4.8 mm, visina lopatie rotora je l 86 mm. Promjer na korijenu lopatie je d r m i to je konstantno za ijelu sekiju.