ptk 6 2018home.zcu.cz/~kuceraj/ptk/ptk_prezentace/ptk_6_2018.pdf · 2018-11-19 · rozváděcího...

Parní turbíny a kondenzátory6. přednáška

Autor: Jiří KučeraDatum: 21.11.2018

1

Konstrukce parních turbín - I. část

• Rozváděcí ústrojí

• výpočet namáhání a průhybu rozváděcích kol

• Oběžné lopatky

• pevnostní výpočet oběžných lopatek

• Rotory

• Vyvažování

• Natáčedla

• Ucpávky

OBSAH

2

Rozváděcí ústrojí

3

4


Rozváděcí ústrojí :

a) Dýzový segment

b) Okružní kanál

c) Vstup do dvouproudového dílu

d) Rozváděcí kola

e) Bubnové rozváděcí lopatky

• V rozváděcích lopatkách (rozváděcím ústrojí) pára expanduje, dochází k přeměně tlakové energie na kinetickou. Díky tvaru lopatek dojde k nárůstu obvodové složky rychlosti.

• Z hlediska umístění rozváděcích lopatek v turbíně a z toho jak je konstrukčně řešeno jejich seskupení a upevnění můžeme rozlišovat následující typy „rozváděcího ústrojí“ :

5


a) Dýzový segment

Slouží pro přívod vstupní (admisní) páry

do průtočné části. Při skupinové regulaci

máme několik dýzových komor a

dýzových segmentů, k nimž je pára

přiváděna z postupně otevíraných ventilů.

Zdroj obrázku: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, příloha 49

Obrázek :

Příčný řez vstupní částí turbíny, na němž jsou viditelnéčtyři dýzové komory a čtyři dýzové segmenty.

Dýzový segment

6


a) Dýzový segment

Zdroj : tabulky PT20÷22

Dýzový segment připevněný (přišroubovaný).

Lopatky dýzového segmentu vloženy do tělesa dýzové komory.

7


b) Okružní kanál

Zdroj obrázku : http://dansis.dk/Filarkiv/pdf-filer/2003/3/VGB1999.pdf

• Používá se pro přívod páry do turbín se škrtící regulací nebo s reg. klouzavým tlakem.

• Ostřik je v tomto případě

většinou totální

rozváděcí lopatky (dýzy) jsou zalopatkovány po celém obvodu.

• Výhodné je, aby se průřez okružního kanálu zmenšoval, aby rychlost v kanálu byla stálá => rovnoměrný přívod ke všem dýzám.

8


c) Vstup do dvouproudového dílu

Zdroj : tabulka TEZ200

Příklad 1: Vstup páry do dílu je radiální

Rozváděcí lopatka je axiální

• Vstup do

dvouproudového

dílu je obdobou

okružního kanálu,

ale s tím, že pára

se rozprouďuje

na obě strany.

• Dvouproudový díl

se používá pro NT

díly, ale může být

použit i u velkých

ST a VT dílů.

Vyrovnané tlaky - není nutná hřídelová ucpávka

Příklad 2: Vstup páry do dílu je tangenciální

Rozváděcí lopatka je radiální

9


d) Rozváděcí kola

Zdroj obrázku : tabulka PT14

• Umístění rozváděcích lopatek do rozváděcích

kol je nejběžnějším způsobem konstrukce

rozváděcího ústrojí pro řadové stupně s

kolovým designem, jež jsou běžné pro turbíny s

nízkoreakčními stupni.

• Rozváděcí kola se skládají ze tří částí : náboje

(disku), lopatek a věnce

• Rozváděcí kola jsou dělená (stejně jako většina

ostatních statorových dílů) na dvě polovinyStarší typ NT rozváděcího kola s lopatkami zalévanými do litiny

„Věnec“

Rozváděcí lopatky

Drážka pro pero v dělící rovině

„Náboj“ (disk)

Drážky pro upevnění ucpávkových kroužků

10


Zdroj obrázku : J.Bečvář - Tepelné turbíny

Rozváděcí kola jsou následně zasazeny

do nějaké statorové části :

1) do vnějšího tělesa

11



Rozváděcí kola jsou následně zasazeny

do nějaké statorové části :

2) do vnitřního tělesa

3) do nosiče rozváděcích kol

12


d) Rozváděcí kola - konstrukční a technologické provedení

Zdroje obrázků : tabulky PT14,PT15,PT74

Prov.1. Prov.2.Prov.3.

Prov.4.

Prov.1.Rozváděcí lopatky vyrobené sintegrální bandáží na patě a našpičce. Následně svařenékoutovými svary s věncem anábojem.

Prov.2.Rozváděcí lopatky zalévané dověnce a náboje ze šedé litiny.

Prov.3.Lopatková mříž skládající se zrozváděcích lopatek zavařenýchdo tenkých bandáží je následněsvařena velkými koutovýmisvary s věncem a nábojem.

Prov.4.„Skládaná“ rozváděcí kola. Rozváděcí lopatky vyrobené sintegrální bandáží na patě a na špičce. Následněmechanicky spojené (nýtované) s věncem a nábojem.

• Z hlediska namáhání jsou rozváděcí kola poměrně složitým

případem.

• Model jejich namáhání vychází z modelu desky podepřené na

vnějším obvodě a namáhané rozdílem tlaků před a za

rozváděcím kolem Δp. Složitost a tím i značná neurčitost

namáhání je způsobena dvěma zvláštnostmi:

1) zeslabením desky rozváděcími lopatkami

2) deska je půlena horizontální rovinou. Tuhost kola se

mění v radiálním i obvodovém směru. Tím se odlišuje od

kruhové desky stejné tloušťky.

• Relativně spolehlivé hodnoty namáhání a průhybu poskytoval v

minulosti především experiment. Dnes se s výhodou využívá

modelování MKP (Ansys).

• Max. namáhání je v místě „A“, max. průhyb v místě „B“

13


d) Rozváděcí kola - namáhání a průhyb

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 36÷38 a přílohy 24÷27.

Δp

lRLf

Schéma pro úvahu o

namáhání rozváděcího

kola

14


d) Rozváděcí kola - namáhání

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 36÷38 a přílohy 20/5,24÷27, popř.. tabulky PT48, PT182

�� = �Δ�

ℎ

Výpočet dle zjednodušeného

analytického vztahu pro

namáhání je založen na

zobecnění experimentů

Timoshenka (nepůlená deska)

a Taylora (půlená deska)

Diagram pro stanovení koef. �Příklad tabulky dovolených namáhání jednotlivých materiálů podle teplot

Spočtené max. namáhání

rozváděcího kola se pak porovnává

s namáháním dovoleným.

Výpočet dle

zjednodušeného

analytického vztahu pro

průhyb je založen na

zobecnění experimentů

Timoshenka (nepůlená

deska) a Taylora

(půlená deska)

15


d) Rozváděcí kola - průhyb

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet,str. 36÷38 a přílohy 24÷27, popř.. tabulky PT48, PT121

�� = Δ��

�ℎ�Diagram pro stanovení E=> Modul pružnosti E [*105 MPa] záleží na materiálu a teplotě (!)

Diagram pro stanovení koef. μ��_�� =0,002 R

16


d) Rozváděcí kola - namáhání rozváděcích lopatek


Δp

lRLf

Kontroluje se namáhání od

ohybu profilu rozváděcí

lopatky v patním profilu 1 – 1.

�� =�

�

� = � ⋅ Δ� =�

4��

� � ⋅ Δ�

(pozn. F1 má axiální směr !)��

= �� ⋅ ! = �� ⋅ cos % ⋅ !

Síla od přetlaku Δp působící v opěrné ploše :

Síla na jednu lopatku (kde z je počet rozváděcích lopatek)

Ohybový moment v místě 1 – 1

• Není-li v prvním kroku výpočtu splněna výše uvedená pro podmínka namáhání, musí se výpočet opakovat s větší šířkou profilu rozváděcí lopatky.

• Tloušťka rozváděcích kol je určována především z přípustné velikosti maximálního průhybu; jejich namáhání potom vychází zpravidla OK.

• Naopak pro rozváděcí lopatky je jejich namáhání rozhodující pro jejich dimenzování.

17


d) Rozváděcí kola - namáhání rozváděcích lopatek


• Kontrola namáhání rozváděcích kol se

provádí pro provozní režim turbíny, při

němž jsou kola vystavena největším

přetlakům (což je nejčastěji při provozu s maximálním výkonem).

• Dovolené namáhání závisí na použitém

materiálu lopatek a na teplotě.

Δp

lRL f�& =��

'�()

* ��

Namáhání v ohybu v místě 1 – 1

Další poznámky :

18


e) Bubnové rozváděcí lopatky


• Bubnové rozváděcí lopatky nejsou spojeny do

rozváděcích kol, ale jsou zasazeny do nějaké

statorové části (zpravidla do vnitřního tělesa nebo

do nosiče).

• Z hlediska namáhání je možné je považovat za

samonosné vetknuté nosníky, na které se nepřenáší

síla od disků (jako u rozváděcích kol) a díky tomu

mohou být bubnové rozváděcí lopatky štíhlejší než

lopatky srovnatelného stupně v rozváděcím kole

Dimenzování by mělo vycházet z rovnic šikmého

ohybu silou od přetlaku a od reakce na změnu

rychlosti proudu. Prakticky se někdy dimenzování

(tj. šířka) bubnových rozváděcích lopatek odvozuje

od dimenzování oběžných lopatek.

• Použití bubnových lopatek je typické pro přetlakové

lopatkování.

19



Bubnové lopatky

mohou být zasazeny :

1) do vnějšího tělesa

20



Bubnové lopatky mohou být zasazeny :

2) do vnitřního tělesa

3) do nosiče lopatek

21


Příklady designu s bubnovými lopatkami

Zdroj obrázku : R.A. Chaplin : THERMAL POWER PLANTS - vol. III - Steam Turbine Components and Systems

Jednoproudový VT díl Dvouproudový ST díl

Oběžné lopatky

22

23

Oběžné lopatky

Zdroj : prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín

III.“ pro pracovníky Doosan Škoda Power

Oběžné lopatky jsou uloženy :

• v discích

• nebo přímo v rotoru (bubnový rotor)

Oběžné lopatky jsou spojeny s rotorem :

• pomocí různě tvarovaných nožek vložených do drážek.

• výjimečně se disk s oběžnými lopatkami zhotoví v jednom kuse

Typy oběžných lopatek :

• válcové - stejný profil po celé výšce lopatky

• zborcené (zkroucené) - zvláště u dlouhých lopatek s (l/D) > 0,1 má

obvodová rychlost výrazný vliv na proudění a ten je třeba při návrhu

uvažovat – změnou profilu a jeho natočením po výšce lopatky.

Válcová lopatka

upevněná „T-nožkou“

v bubnovém rotoru.

Zkroucená lopatka

upevněná vidličkovou

nožkouv disku.

V oběžných lopatkách pára působí silou na lopatky a její

kinetická energie je přeměněna na mechanickou energii

(rotaci hřídele).

• Pro VT lopatky se běžně používají T-nožky.

• Pro dlouhé lopatky NT dílů se používají vidličkové resp. stromečkové

nožky.

• U lopatek s T-nožkami je poslední lopatka tzv. závěrná – pojišťuje se

kolíkem.

• Vidličkové lopatky jsou kolíkované všechny.

• Drážky pro lopatky :

- obvodové (pro T-nožky, vidličkové, stromečkové nožky hl. inverz.)

24

Oběžné lopatky - typy nožek

T-nožka Inverzní stromečková

nožka

ZazubenáT-nožka

DvojitáT-nožka

Vidličkovánožka

Víceprstávidličková

nožka

Stromečkovánožka

Zdroj : prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín


- samostatné (drážka pro stromečkovou nožku, která je vyrobena v osovém směru (přímá stromečková) nebo ve směru blízkém osovému (oblouková stromečková - která se dělá pro prodloužení nosné plochy a snazší montáž).

25

Oběžné lopatky - typy nožek

Zdroj : US patent US 7261518 B2

Porovnání dvou konceptů provedení stromečkové nožky

v jedné obvodové drážce

v samostatných

drážkách v

osovém směru

osa rotoru

osa rotoru

26

Oběžné lopatky - bandáže na špičce

Nýtovaná bandáž

Integrální bandáž

Zdroj : tabulky PT2÷PT9 a TEZ210

Dvojitá ( nýtovaná + integrální )

bandáž.

Typické pro RS

Dlouhá lopatka bez bandáže

• Kratší lopatky - obráběné (frézování, broušení)

z tyčového materiálu včetně nožky a integrální

bandáže.

• Dlouhé lopatky - polotovar kovaný zápustkovým

kováním, pak obrábění (frézování, broušení)

• Jednoduché válcové lopatky přetlakových turbín - se

vyrábí z nařezaných tažených profilů (obrábí se jen

nožka), kvůli rozteči se v místě nožky přidává mezikus.

• Jiné technologické postupy častěji používané v

minulosti :

• dlouhé listy lopatek - hoblování

• nožky - protahování

27

Oběžné lopatky - technologie výroby


Lopatka z taženého profilu a mezikus

Lopatka obráběná z tyčového materiálu

28

Oběžné lopatky - namáhání

Oběžné lopatky jsou namáhané :

• přenášeným výkonem na ohyb

• odstředivou silou na tah

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 29÷36. a Příloha 18.

1) Namáhaní na ohyb

od přenášeného výkonu

Na 1 oběžnou lopatku působí :

Obvodová síla

od výkonu :

Axiální síla :

od změny hybnostiod přetlaku na

plochu jedné rozteče

počet oběž.lop. (*)

hmot.průt.páry

F

Fu

FaF´F´´

Síla F se složí ze složek Fu a Fa a

následně se rozloží do os směrů

momentů setrvačnosti profilu

Jmin a Jmax

(*) Pozor v případě stupně s parciální ostřikem je to počet oběž.lop. krát PARCIÁLNOST (!)

29

Oběžné lopatky - namáhání na ohyb od přenášeného výkonu


Obvodová síla od výkonu

Síla F se složí ze složek Fu a Fa a následně se rozloží do os směrů momentů setrvačnosti profilu Jmin a Jmax

Axiální sílaSložka síly ve směru osy momentu setrv. Jmax

[N]

F

Fu

FaF´

F´´δ

χ

Pozn. k úhlu χ :

pokud není v char. profilu úhel χ uveden, obecně se předpokládá, že osa Jmin je rovnoběžná s tětivou profilu

Rozhodující pro určení max. ohyb. namáhání je moment :

(Pozn.: Namáhání od síly F´´ se zanedbává, protože síla F´´ je relativně malá a navíc působí ve směru v němž je modul odporu průřezu v ohybu maximální … )

[Nm]

30


Rozhodující pro určení max. ohyb. namáhání je moment

(Namáhání od F´´ se zanedbává.)

Namáhání v ohybu je pak :

[Nm] [Pa]

modul odporu průřezu v ohybu [m3]

Spočtené namáhání v ohybu se pak porovná s namáháním dovoleným.

• To by pro stupně s parciálním ostřikem s ohledem na střídavé namáhání nemělo

být voleno vyšší než 18 MPa. (*)

• U stupňů s totálním ostřikem pak ne vyšší než 36 ÷ 40 MPa.

Oběžné lopatky - namáhání na ohyb od přenášeného výkonu

(*) Pro regulační stupně se skupinovou regulací (=>parciálním ostřikem), nezapomeňte, že kritický

provoz z hlediska namáhání na ohyb je provoz s minimem otevřených skupin bez škrcení. Právě při

něm je totiž entalpický spád na stupeň největší a přitom parciálnost (=> počet zatížených lopatek) je

nejmenší => zatížení ohybem je největší !

Odstředivá síla je vyvozena celkovou hmotností nacházející se nad tímto průřezem a odstředivýmzrychlením.

31



2) Namáhaní odstředivou silou na tah

Kritické místo

List

Bandáž

Kritickým místem je patní průřez 1 – 1 .

+, = - ⋅ �. ⋅ / ⋅�0

22 2 =

� ⋅ 3

30

3 = 1,1 ⋅ 3Jmenovité

otáčky [ot/min]

Zvýšené otáčky při zásahu pojistného regulátoru [ot/min]

Odstř. síla od listu [N] Měr.hmot. 7850 kg/m3 pro ocel

Patní průřez [m2]

Délka listu [m]

Střední průměr lop. [m]

Pozn: Ve 3. předn. byla plocha profilu značena v souladu s použitým učebním materiálem ing.Krajíce „S“ . V pasážích týkajících se pevnostních kontrol, které vychází ze skript prof.Škopka se plocha značí „A“.

Zohlednit je třeba i odstředivou sílu od bandáže :

32



2) Namáhaní odstředivou silou na tah

Kritické místo

List

Bandáž

měr.hmot. 7850 kg/m3 pro ocel

střední průměr bandáže [m]

+8 = - ⋅ π ⋅ �8 ⋅ B ⋅ b ⋅�8

22 ⋅

1

�&

šířka bandáže [m]

tloušťka bandáže [m]Odstř. síla od bandáže

příslušná k jedné

lopatce [N]

počet ob.lop.[-]

Celková odstředivá síla:

+ = +, + +8

Namáhání na tah

v řezu 1 – 1 (na patním průměru) : �= =+

�.

Patní průřez [m2]

33



Namáhaní odstředivou silou na tah – pevnostní kontrola

Vypočtené namáhání v tahu v řezu 1 – 1 (na patním průměru) : �= =

+

�.

Vychází-li pro dlouhé lopatky napětí od namáhání odstředivou silou na tah příliš vysoké musí se oběžné lopatky navrhnout jako zkroucené s odlehčeným profilem po délce (viz též 3.přednáška).

odlehčpt kA

O

⋅=σ kde :

Š

podlehč A

Ak =

Průřez patního profilu [m2]

Průřez špičkového profilu [m2]

Sjednocení namáhání od tahu a od ohybu :

Podle jedné z teorií je vhodnější neposuzovat namáhání v tahu samostatně, ale sjednotit ho s namáháním od ohybu podle vztahu :

se porovnává s dovoleným namáháním pro daný materiál a teplotu. ��

potom :

dovpodlehč

bltoc Ak

OO

W

M σσσσ ≤⋅

++⋅=+⋅=min

max22

Odlehčení oběžných lopatek :

34



Přepočet plochy a momentu odporu v ohybu :

Potřebujeme-li plochu nebo moment odporu v

ohybu přepočítat kvůli dimenzování z nominální

šířky profilu (nominál je typicky 25 mm viz např. tabulky

PT138÷PT146) na změněnou šířku můžeme

orientačně použít následující přepočty :

�.>?ěň= �.BC?DB

⋅E�

E�_FGHIF

'�()>?ěň= '�()BC?DB

⋅E�

E�_FGHIF

�

Plocha se přepočítá ve druhé mocnině poměru šířek

Moment odporu v ohybu se přepočítá ve třetí mocnině poměru šířek

Příklad popisu profilu

35


T-nožky jsou namáhané :

1) V tahu - v průřezu 1-1

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 29÷36.

;;a

b

J

2

J

2

Odstředivá síla

listu lopatky bandáže části závěsu do roviny 1-1

Vypočtené namáhání se porovnává s dovoleným namáháním pro daný materiál lopatky a teplotu.

36



2) Ve smyku - v průřezech 1-2


a

b

J

2

J

2

odstředivá síla hmotyzávěsu 1 - 1 - 2 - 2

Dovolené smykové namáhání (závisí na materiálu lopatky a na teplotě)

37



3) Na otlačení - v plochách 3-1 1-3


a

b

J

2

J

2

Ozc . . . . . odstř. síla celého závěsu.

Dovolené hodnoty pro otlačení jsou 150 ÷ 200 MPa

�� =+, + +8 + +KL

J ∙ N��

38


Vidličkové nožky jsou namáhané :

1) V tahu - v průřezu 1-1


Vypočtené namáhání se porovnává s dovoleným namáháním pro daný materiál lopatky a teplotu.

Kritické místo

Disk Nožka

odstředivá sílavšech hmot nad průřezem 1 – 1

počet rozvidlení

viz kóty

39



2) Ve smyku v kolíku - v průřezech 1-1


Kritické místo

Disk Nožkapočet rozvidlení

Vypočtené namáhání se porovnává s dovoleným namáháním ve smyku pro daný materiál kolíku a teplotu.


Pozn.: Výše uvedený postup vychází z „opatrného“ přístupu, kdy se předpokládá, že odstředivou sílu musí „unést“ i sám horní kolík. Podle jiných teorií se připouští rozložení smykové síly na oba kolíky. V čitateli je pak odstředivá síla celé lopatky, ale ve jmenovateli je smyková plocha dvojnásobná, tj. napětí vychází cca poloviční.

40




Kritické místo

Disk Nožkapočet rozvidlení

Vypočtené namáhání se porovnává s dovoleným namáháním v tlaku pro daný materiál kolíku i lopatky .


Pozn.: Výše uvedený postup vychází z „opatrného“ přístupu, kdy se předpokládá, že odstředivou sílu musí „unést“ i sám horní kolík. Podle jiných teorií se připouští rozložení smykové síly na oba kolíky. V čitateli je pak odstředivá síla celé lopatky, ale ve jmenovateli je styčná plocha dvojnásobná, tj. napětí vychází cca poloviční. Případně se kontrola provede i pro disk, s tím že b se nahradí „bd“ a namáhání se porovná s dovoleným namáháním pro materiál disku.

3) Na otlačení - v plochách 3-1 1-3

3 11 3��= =

+L

O ∙ P ∙ 3�

viz kóty

O� O� O�

41

Oběžné lopatky - dynamické chování

Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 90÷101

Kontrola dynamického chování oběžných lopatek

Oběžnou lopatku je možno uvažovat jako nosník, který má své vlastní frekvence kmitání. Shodují-li se

vlastní frekvence lopatek s frekvencí budících sil (*), nastává rezonance. Tlumící schopnost lopatkových

materiálů je velmi malá, proto je dynamické namáhání lopatek v rezonanci velmi vysoké. Je-li toto

namáhání vyšší než mez únavy materiálu lopatek, dochází k únavovým lomům a havárii lopatek.

Je proto nutno kontrolovat a případně měnit (ladit) vlastní frekvence lopatek. Ty jsou ovlivněny :

• délkou lopatky, profilem lopatky a jeho momenty setrvačnosti (lopatky kmitají kolmo k osám těchto momentů)

• rozložením hmoty podél délky lopatky (pro lopatky s proměnným profilem)

• tloušťkou (=> hmotou) bandáže … to se pak s výhodou využívá při „ladění“ lopatek

• způsobem vazby na špičce (volné lopatky, lopatky s různými druhy vazby, lopatky s nýtovanou bandáží nebo

svařené do svazků)

• tuhostí spojení lopatky s diskem oběžného kola

(*) Budící síly jsou tří druhů :

1) dýzové buzení - od úplavů za rozváděcími lopatkami (RL) - jsou úměrné otáčkám a počtu RL

2) buzení od nerovnoměrného rozložení tlaků po obvodě kola - jsou úměr. otáčkám (otáčkové harmonické)

3) buzení od parciálního ostřiku - zohledňuje se menším dovoleným namáháním v ohybu pro dotčené OL

42


Zdroj: J. Škopek : PARNÍ TURBINA Tepelný a pevnostní výpočet, str. 90÷101

Kontrola dynamického chování - ladění oběžných lopatek

• Kratší oběžné lopatky se ladí volbou tloušťky bandáže a stanovením povolených počtů rozváděcích lopatek

(pro omezení tzv. dýzového buzení)

• Delší nevázané oběžné lopatky se ladí především stanovením povolené délky.

• Pro nejdelší lopatky (lopatky posledních stupňů) se dynamickým kontrolám věnuje největší pozornost.

Lopatky mají zpravidla jen jednu povolenou délku pro níž jsou prostřednictvím rozložení hmoty (=> profilu)

po délce lopatky navrženy.

• Pro turbíny s proměnnými otáčkami (pohonné turbíny kompresorů, dmychadel apod.) je třeba navrhovat

robustní lopatky s nízkým namáháním od účinků páry. Pokud to není možné, není jiné řešení než aplikace

tlumících elementů (tlumící drát), která jde na vrub účinnosti

• U moderních typů nejdelších lopatek se též s výhodou používají vhodné tlumící elementy (špičkové

bandáže a „tie-boss“ zamykané za rotace)

Cílem je zamezit rezonanci mezi vlastními frekvencemi kmitání lopatky a budicími frekvencemi (závislými

především na otáčkách a počtu dýzových kanálů)

43


• Při vlastním návrhu lopatky (tj. rozložení profilu po délce lopatky) se začíná s výpočty

analytickými metodami, druhým krokem je analýza v MKP, ve třetím kroku se vlastní

frekvence vyrobeného prototypu lopatky měří „za klidu“. Nakonec se vyrobený

prototyp kompletního zalopatkovaného oběžného disku testuje za rotace, a to buď v

Campbellově stroji nebo ve vyvažovacím stroji. Lopatky se přitom budí olejem nebo

elektromagneticky a jejich chvění se snímá bezdrátově.

• Závislost vlastních frekvenci na otáčkách se vynáší do tzv. Campbellova diagramu.

• Příklad takového diagramu je na obrázku vpravo :

• Na ose x jsou vyneseny otáčky, na ose y frekvence.

• Úsečky směřující do počátku souřadných os jsou celočíselné násobky otáčkových

frekvencí.

• Ostatní tři úsečky znázorňují tři vlastní frekvence lopatky.

• Mírná změna (růst) vlastní frekvence s otáčkami je způsoben tzv. vyztužením lopatky

za rotace

• Kritickými body jsou průsečíky vlastních frekvencí s násobky otáčkových frekvencí. Při

nich může nastat rezonance a následný lom lopatky. Pro jmenovité otáčky a v jejich

okolí nesmí rezonance nastávat (červené body).

• Také další stabilní otáčkové hladiny (např. prohřívací otáčky) se volí tak, aby při nich

nedocházelo k rezonanci.

Ladění nejdelších oběžných lopatek -Campbellův diagram

Příklad Campbellova diagramu

pro turbínu na 3600 ot/min

Rotory

44

45

Rotory - typy rotorů, výroba

1) Rotory s nasazovanými koly - byly více používané dříve. Mají jednoduchou

konstrukci i výrobu, ale vyskytují se zde problémy s teplotní roztažností a

nebezpečí uvolnění kola při odstřeďování nebo dokonce při provozu.

„Hřídel“

Zdroj : prezentace P. Milčáka „Teorie parních

turbín III.“ pro pracovníky Doosan Škoda Power

Nasazený disk kola

46




2) Rotory se v současnosti

dělají převážně

celokované

(hlavně VT a ST rotory).

3) Kombinací obou

konstrukcí (VT stupně

kované, NT kola

nasazovaná) vznikají

rotory kombinované

(častější v minulosti)

Pro odstranění nehomogenit a snazší kontrolu kvality výkovku mohou být vrtané.

47

Vývrt


Argumenty pro vývrt Argumenty proti vývrtu

Vývrt umožňuje odstranění nehomogenint, které se koncertují v ose výkovku rotoru (problém spíše v minulosti)

Vývrt je nákladný a musí být provedený přesně v ose, jinak způsobuje dodatečný nevývažek.

Vývrt umožňuje snazší defektoskopickou kontrolu.

V současné době díky pokrokům v metalurgii i v defektoskopii není vývrt zpravidla nutný

Na povrchu vývrtu je prokazatelně nulové radiální namáhání materiálu.

Na povrchu vývrtu je velmi velké tangenciální namáhání

Slabší „tloušťka stěny“ rotoru umožňuje rychlejší prohřívání a tím i najíždění a výkonové změny

Vývrt musí být uzavřen zátkami z obou stran a přináší riziko kondenzace vody nebo vniknutí nečistot.

Vývrt „vylehčuje“ rotor aniž by nějak výrazně snižoval jeho tuhost.

48




4) Rotory svařované se používají hlavně

u NT dílů velkých průměrů, které by

byly jako výkovek obtížně vyrobitelné

(hmotnost, prokovatelnost).

5) Zvláštním typem jsou rotory bubnové.

Oběžné lopatky jsou zasazeny přímo

do rotoru. Používají se především

u přetlakových turbín.

Svařované VT díly se také používají

u jednotělesových turbín na vysoké vstupní teploty, kde

spojením dvou různých materiálů je možné optimalizovat jak

mechanické vlastnosti (např. žárupevnost vs. přechodová

teplota), tak i náklady (tj. úspora dražšího materiálu)

49

Skládané rotory Celokované rotory Svařované rotory

• méně náročné na vybavení

metalurgické základny (kovárny)

• minimální riziko zmetků (disky

jsou vyměnitelné)

• možnost podrobné

defektoskopické kontroly

výkovků

• menší pracnost u výrobce

turbíny (protože je méně

obráběných ploch)

• nejsou problémy s

nalisovanými koly a

spojkami

• menší namáhání disků

• možnost největších průměrů

rotorů (až kolem 2000 mm)

• možnost spojit různé

materiály (kombinovat

potřebné vlastnosti pro

„horký“ a „studený“ konec)

• menší proveditelný průměr

rotoru

• možnost vzniku koroze pod

napětím

• problémy s teplotní roztažností

a nebezpečí uvolnění kola při

odstřeďování nebo při provozu.

• náročné na vybavení metalurgické základny (v případě vlastní výroby) resp. toto náročnost se projeví v ceně výkovku.

• je obtížné zajistit rovnoměrné tepelné zpracování v celé hmotě výkovku

• potřeba speciálních

svařovacích pracovišť

• obtížná kontrola svarů a

defektů ve svarech

Rotory - typy rotorů, porovnání

50

Rotory

Kritické otáčky, volba provozních otáček

Při kritických otáčkách se vlastní frekvence ohybových kmitů rotoru dostává do rezonance s (budicí) otáčkovou

frekvencí. Vibrace rotoru významně narůstají (zprvu s časem a to, kde se nárůst zastaví, záleží na útlumu).

• Delší provoz při těchto otáčkách může vést k havárii.

• Proto pracovní otáčky stroje npr musí být od kritických nkr dostatečně vzdáleny.

Dle kritických otáček rozdělujeme rotory na:

� tuhé (npr < nkr) – bubnové rotory, rotory turbíny pro přímý pohon s nízkými otáčkami

� elastické (npr > nkr) – rotory generátorů, převážná většina rotorů rovnotlakých turbín. Kritické otáčky se volí

cca 30% pod provozními, tj. nkr ~ 2100 ot/min (pro jmen. 3000 ot/min)

V případě vícetělesových turbín nelze uvažovat rotory odděleně a je třeba ladit celou soustavu.

Orientační vztah pro určení průměru rotoru:

• L je ložisková vzdálenost [mm]

• DK je střední průměr všech oběžných kol (disků) [mm]

• nkr jsou zvolené požadované kritické otáčky [ot/min]

[ ]mmk

DnLd Kkr ⋅⋅=

Zdroj : prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín III.“ pro

pracovníky Doosan Škoda Power

• konstanta K závisí na tvaru, masivnosti a rozložení oběžných kol

a materiálu. Její hodnota se pohybuje K = (2 – 2,2)· 108 mm/min

51

Rotory

Příklad - měření kritických otáček na pokusné vzduchové turbíně

Zdroj : prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín III.“ pro pracovníky Doosan Škoda Power

Pozvolné zvyšování otáček z cca 400 ot/min na 3000 ot/min a zpět. Měření výchylek rotorového chvění

bezdotykovým vibrometrem POLYTEC PDV100. Kritické otáčky při 2400 ot/min.

Vyvažování

52

53

Vyvažování

• Vlivem tolerancí a výrobních nepřesností může dojít k

situaci, kdy hmota rotoru není rovnoměrně rozložena

kolem osy otáčení - vzniklý tzv. nevývažek způsobuje při

otáčkách rotoru dynamické silové účinky (chvění rotoru)

které přechází přes radiální ložiska a ložiskové stojany do

základů stroje.

• Přípustná velikost chvění (v mm/s) je stanovena normou.

• Cílem vyvažování je stanovit nevývažek a kompenzovat

jej založením závaží do tzv. vyvažovacích rovin. Závažím

mohou být např. závrtné šrouby nebo segmenty závaží

zakládané do rybinové drážky a rozpínané šrouby.

• Vyvažování se obecně dělí na dva typy :

• statické (pomaloběžné) vyvažování - použitelné jen

pro tuhé rotory

• dynamické vyvažování - vhodné pro elastické rotoryZařízení pro dynamické vyvažování.

Zdroj obrázku : http://www.sulzer.com/ms/-/media/Documents/Cross_Division/STR/2009/2009_4_18_West_e.pdf

54

Vyvažování

Zařízení pro pomaloběžné vyvažování BM-36000

Zdroj obrázku : http://www.diamech-2000.com/steam_turbine_balancing.html

• předpokládá, že rotor je tuhý a

nevývažek je tak otáčkově

nezávislý

• Umožňuje díky tomu vyvažovat

při relativně nízkých otáčkách

• => Jednodušší zařízení i postup

vyvažování

• Použitelné jen pro tuhé rotory, tj.

rotory s provozními otáčkami,

které jsou výrazně nižší než

otáčky prvního kritického tvaru.

Statické (pomaloběžné) vyvažování

55

Vyvažování

• Respektuje, že rotor je elastický a nevývažek

(resp. jeho dynamický účinek) je otáčkově závislý.

• Kvůli tomu se dynamický účinek měří a vyvažuje

na několika otáčkových hladinách, s největším

důrazem na provozní otáčky.

• => Komplikované zařízení (vyvažovací tunel)

• betonová bezpečnostní obálka

• silné poháněcí elektromotory

• nutnost evakuovat (vyvažovat ve vakuu kvůli

ventilačním ztrátám dlouhých lopatek)

• Potřeba několika vyvažovacích rovin (míst pro

založení závaží) po délce rotoru

• Potřeba řady pokusů (jízd) pro měření odezvy

založených zkušebních závaží. Teprve z nich se

určí optimální rozložení závaží.

Zdroj obrázku : http://www.sulzer.com/ms/-/media/Documents/Cross_Division/STR/2009/2009_4_18_West_e.pdf

Dynamické vyvažování

Tvar průhybu pro první a druhé kritické otáčky

Natáčedla

56

57

Natáčedla

• Po odstavení turbíny se rotor turbíny nesmí

zastavit, neboť je horký a při vychladnutí v

neměnné poloze by se nevratně ohnul.

• Natáčecí zařízení poháněné elektromotorem

zabírá zpravidla do ozubení v blízkosti spojky. V

případě turbíny s převodovkou bývá s výhodou

umístěno na rychloběžném hřídeli převodovky.

• Podobně během rozběhu, natáčedlo turbínu

roztáčí až do vzniku hydrodynamického tření v

ložiscích (80÷100 ot/min).

• Když se turbína působením páry roztočí nad tyto

otáčky, natáčedlo se automaticky vypojuje ze

záběru.

Obrázek : Natáčedlo KTI na ložiskovém stojanu NT dílu parní turbíny Zdroj obrázku : http://koenigengr.com/support/images/uploads/1288994778.pdf

Ucpávky

58

Ucpávky

59

Strana 137 + prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín III.“ pro pracovníky Doosan Škoda Power

Ucpávky parních turbín mají za úkol t ěsnit jednotlivá místa

průtočné části proti sob ě nebo vnit řek sk říně proti atmosfé ře:

� vnit řní ucpávky

• nadbandážové (zabraňují úniku páry nad oběžnou lopatkou)

• hřídelové (těsní stupně mezi sebou, jsou umístěny v disku

rozváděcího kola)

� vnější ucpávky

• přední - vysokotlaké (soustava ucpávek proti

úniku vstupní páry z tělesa turbíny)

• zadní - nízkotlaké (soustava ucpávek proti

úniku vstupní páry z tělesa turbíny resp.

přisávání vzduchu do posledního stupně)

Ucpávky

60

Teorie průtoku páry labyrintovou ucpávkou

Strana 104

rotor turbíny

těleso ucpávky

p0 p/ p//

p1

δu

S

∆

Schéma labyrintové ucpávky

• Labyrintovou ucpávku tvoří řada štěrbin s malými průtočnými průřezy a komůrek, ve kterých je průtočný průřez daleko větší.

• Při průtoku páry štěrbinou mezi stěnou komůrky a ucpávkovým břitem se zvýší její rychlost c.

• V komůrce se rychlost podstatně sníží a kinetická energie proudu c2/2 se změní v energii tepelnou. V následující mezeře se proces opakuje.

• Při průtoku páry labyrintovou ucpávkou dochází tedy k střídavému urychlování proudu a následnému maření kinetické energie.

• Čím je v labyrintové ucpávce větší počet ucpávkových břitů, tím je větší odpor ucpávky s tím je průtok páry ucpávkou menší.

• Stavy páry v komůrkách labyrintové ucpávky leží na přímce stálé entalpie

Ucpávky

61


Strana 104-105

H

h0A B

a

b

p0 p/ p//

h

s

p1h = konst

• Děj při průtoku páry labyrintovou ucpávkou modelujeme elementárními izoentropickými expanzemi v místě štěrbiny (nejužšího průřezu) a izobarického zbrzdění v místě komůrky (největšího průřezu)

• Pára při průtoku jednotlivými mezerami postupně zvětšuje svůj měrný objem (neboť se snižuje tlak páry). • Z rovnice kontinuity a z toho, že průtočný průřez jednotlivých mezer je stálý, vyplývá, že se postupně musí

zvyšovat rychlost, kterou pára pro průtok jednotlivými mezerami potřebuje. • V důsledku toho se také postupně zvětšují i dílčí tepelné spády H, odpovídající rychlostem na jednotlivých

břitech.• Body v h-s diagramu charakterizující stav páry po expanzi ve štěrbině při konstantním průtoku páry ucpávkou

vytvářejí Fannovu křivku.

Fannova křivka

Ucpávky

62


Strana 104-105 a Bečvář 142 - 147

1) Průtočný průřez ucpávky: QR = � ∙ PR∙ SR

je předpokládán konstantní. [δu je vůle v ucpávce, du je průměr ucpávky.]

Pro výpočet průtoku páry labyrintovou ucpávkou je v literatuře popsáno několik vztahů, dávajících podobné výsledky (více např. Škopek : Parní turbína Tepelný a pevnostní výpočet str. 60).

Z hlediska teorie vychází z následujících úvah :

4) Děje v jednotlivých štěrbinách se počítají buď jako průtok dýzou (zpravidla s předpokladem podkritického tlakového spádu), nebo jako průtok ostrohranným otvorem (s uplatněním empiricky zjištěného průtokového součinitele a se zavedením pojmu tzv. druhého kritického poměru tlaků T∗ = �VW∗/�& = 0,13).

5) Uvažuje se s postupným nárůstem rychlosti (tj. i entalpických a tím i tlakových spádů podle Fannovy křivky). Kritický tlakový spád nastane (pokud vůbec) jen v poslední štěrbině.

2) Průtok páry ucpávkou: YR = QR ∙ ZJ / v)je konstantní.

S těmito předpoklady jsou odvozeny vztahy podle Stodoly : zvp

ppSm u ⋅⋅

−⋅⋅=00

21

20µ ( )25,10

0

+⋅⋅⋅=

zv

pSm uµ

používá se pokud nenastane kritický tlakový spád na posledním břitu (typicky VT ucpávky - s velkým počtem břitů)

používá se pokud nastane kritický tlakový spád na posledním břitu (typicky NT ucpávky - s malým počtem břitů)

vysvětlení veličin a jednotek viz následující slide

3) Předpokládá se průtok přehřáté páry s κ = 1,3

Ucpávky

63

Zdroj: prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín III.“ pro pracovníky Doosan Škoda Power

Příklad postupu pro výpočet úniku ucpávkou - význam průtokového součinitele

zvp

ppSm

⋅⋅−⋅⋅=

00

21

20µ

p0, p1 [Pa] jsou tlaky před a za ucpávkou

v0 [m3/kg] je měrný objem páry před ucpávkou

S [m2] je průtočná plocha ucpávky

Ds [m] je střední průměr mezer δr

δr [mm] je radiální mezera

z [-] je počet břitů

µ [-] je průtokový součinitel ucpávky, který závisí na :

tvaru břitu a poměru SW/∆ (velikost radiální mezery ku tloušťce těsnícího břitu)

rsDS δπ ⋅⋅=

mmD

r 25,01000

+=δ

Výpočet uniklého množství

(podle teorie A.Stodoly) s doplněným

průtokovým součinitelem ucpávky:

tvary břitu

poměr SW/∆

p0

p1

Pozn.: Toto je Konzervativní odhad. V pokročilých ucpávkách se volí méně

Ucpávky

64

Průtoku páry ucpávkou s nepravým labyrintem

Strana 105

U nízkotlakých dílů, kde je veliký relativní posuv hřídele vůči statoru, se používají „nepravé“ labyrintové ucpávky.

V: ucpávky umožňují neomezený axiální

posuv rotoru vůči statoru

N: v komůrce nemusí docházet k plnému „zpomalení“ páry tj. k přeměně rychlostní energie na teplo => při stejné vůli a stejném počtu břitů je únik nepravým labyrintem větší než u pravého labyrintu

rotor turbíny

těleso ucpávky

p0 p/ p//

p1

δu

S

∆

Pro výpočet průtoku ucpávkou s nepravým labyrintem se užívají zpravidla vztahy odvozené pro průtok ucpávkou s pravým labyrintem, ale a aplikací různých empirické opravných postupů (tj. např. součinitele, kterými se násobí průtok páry, nebo součinitele, kterými se redukuje počet těsnících břitů). Opravné součinitele mohou být závislé na : δu, s, Δ .

Ucpávky

65


přední - vysokotlaké (soustava

ucpávek proti úniku vstupní

páry z tělesa turbíny)

zadní - nízkotlaké (soustava

ucpávek proti přisávání vzduchu

do posledního stupně)

Vnější ucpávky

Ucpávky

66

Konstrukce labyrintové ucpávky

Strana 141-142

Detail upevnění v dělící rovině pomocí příložek a šroubů

Ustavovací (distanční) příložky

Čárkovaně -pohled na přírubu v dělící rovině

Příčný řez -6 odsakovacích segmentů

podepřených plochými pružinami a tlačenými do pracovní polohy silou páry

Ucpávky

67

Konstrukce vnější labyrintové ucpávky

Strana 140

Vnější ucpávka vysokotlakého dílu turbíny 1000 MW ETE

Spojovací šrouby v dělící rovině ucpávkového tělesa

Otvory pro odvod páry z jednotlivých sekcí ucpávky

Prostor mezi ucpávkovým tělesem a tělesem turbíny, kde se ucpávková pára shromažďuje a odkud je odváděna potrubím dále

Jednotlivé segmenty s labyrintovými kroužky

Ucpávky

68

Konstrukce vnější labyrintové ucpávky

Strana 140

Detail vnější ucpávky (nepravá labyrintová s hladkým hřídelem) nízkotlakého dílu turbíny 1000 MW ETE

Spojovací šrouby v

dělící rovině

ucpávkového tělesa

„L-kroužky“ které upevňují ucpávkové těleso v turbínovém tělese

Prostor mezi ucpávkovým tělesem a tělesem turbíny, kde se ucpávková pára shromažďuje a odkud je odváděna potrubím dále

Konce segmentů nepravých labyrintových kroužků

Těsnění proti úniku

oleje

Ucpávky

69


Moderní trendy v konstrukci ucpávek

Cíl - minimalizovat uniklé množství - tj. minimalizovat vůli ucpávky, ale zároveň

nezvyšovat riziko provozní poruchy (kvůli rubbingu apod.)

1) nástřiky otěru-

poddajných hmot

tzv. „abradable seals“

Na povrch ucpávky se v označených

místech nanese nástřik z keramické

hmoty, která se poddá v případě

dotyku rotujícího břitu

3) Voštinová těsnění

tzv. „honeycomb seals“ - použití

pro nadbandážové těsnění -

Voština je tvořena z tenkého

plechu. Vůči páře se chová jako

pevné těleso, ale v případě dotyku

rotujícího břitu se poddá-prořízne.

2) kontaktní kartáčkové

ucpávky:

tzv. „brush seals“

Mají minimální únik, ale vznikají

problémy s opotřebením drátků

Ucpávky

70

Zdroj: prezentace P. Milčáka „Teorie parních turbín


Ukázka možného provedení schématu ucpávkové páry pro turbí nu do fosilního bloku s p řihříváním:

Ucpávky

71

Zjednodušené schéma systému ucpávkové páry turbíny velkéh o jaderného bloku :

Strana 138-139

VYSOKOTLAKÝDÍL

NÍZKOTLAKÝDÍL

ZAHLCENÍ ADMISNÍPÁROU

KOMÍNKOVÁ PÁRA - ODSÁVANÁ DO KONDENZÁTORU KOMÍNKOVÉ PÁRY

Z NAPÁJECÍ NÁDRŽE

DO NÍZKOTLAKÝCH OH ŘÍVÁKŮ TURBÍNOVÉHO KONDENZÁTU

PÁRA Z PAROGENERÁTOR Ů

PÁRA ZE SEPARÁTORU-P ŘIHŘÍVÁKU Tři ucpávkové okruhy :

1) Zahlcovaný

(Vysokotlaký)

ucpávkový okruh -zabraňuje, aby mokrá pára na VT výstupu erodovala ucpávky

2) (Nízkotlaký) okruh

ucpávkové páry - s tlakem lehce nad atmosférickým.

3) Okruh komínkové

páry - s tlakem lehce pod-atmosférickým.- parovzdušná směs je odsávána do kondenzátoru komínkové páry

Děkuji za pozornost

72