автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Исследование тепловых расширений многоцилиндровых паровых турбин



КИРИШСКАЯ ГРЭС АО "ЛЕНЭНЕРГО"

На правах рукописи

КУРМАКАЕВ Марс Киямович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РАСШИРЕНИЙ МНОГОЦИЛИНДРОВЫХ ПАРОВЫХ

ТУРБИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор | Сафонов Л.Г1.

Научный консультант доктор технических наук Хомснок Л.А.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а2, Ь2- расстояния между осями продольных и поперечных

шпонок 2-го стула С{ - коэффициент жесткости пружины

С2 - жесткость корпуса ЦСД и участка корпуса ЦНД до

фикспункта под действием осевой силы Сцвд> Сцсд - жесткость корпусов

Р2, Р2 - поперечные силы, действующие на вертикальные шпонки 2-го стула со стороны корпусов ЦВД и ЦСД

^2тр > Ргр2 ~ дополнительные осевые силы от трения в

продольных шпонках Р2тр ~ осевые силы трения на плоскости скольжения

стула по раме в, - вертикальная нагрузка

02 - сумма всех вертикальных нагрузок, действующих на второй стул ~ нагрузки от веса роторов ЦВД и ЦСД С2Т - нагрузка от веса 2-го стула

°2Л1» °2лп - усилия от левых и правых лап

ЦВД и ЦСД

Ь И И. - толщина и радиус стержня в среднем сечении К-! И К2 - коэффициенты трения при скольжении 1-го и 2-го стульев

Кш2, Ка2 - коэффициенты трения скольжения соответственно в продольных шпонках и на поверхности фундаментной рамы стула

М , М2 - моменты вокруг продольной и вертикальной осей

ГЦ И П2 - величины, обратные А1( и А12

]М~ЭЛ - нагрузка электрическая, МВт

Рцвд ~ осевые усилия, действующие на ЦВД от стула

Г>0 _

г1 - осевая сила, действующая на второй стул со

стороны ЦВД перед его скачком Р| - осевая сила, действующая на второй стул со

стороны ЦВД после его скачка Р|* - сила трения при движении

Р^, Р", Р2, Р2 - осевые усилия со стороны левых и

правых лап ЦВД и ЦСД Р24 ~ сила трения покоя и движения второго стула

т>0 ~

г2 - осевая сила, действующая на второй стул со

стороны ЦСД до и после его скачка Г] - коэффициент, учитывающий неравномерность передачи

осевого усилия по лапам ЦВД гл2> гл2 ~ коэффициенты, определяющие точку приложения

осевой силы на стул (г = 0 -г ±1) Г2, Г2 - коэффициенты, определяющие степень

симметричности осевых усилий, действующих на стул со стороны лап ЦВД и ЦСД Я2, Я2 - поперечные реакции от продольных шпонок

- вертикальная реакция от плоскости опирания стула на раму 1ПП - температура промперегрева

Ха.2л , Х02л - расстояния приложения силы от оси

симметрии

а - коэффициент линейного расширения металла ^прод> ^попер ~~ зазоры в продольных и поперечных

шпонках 2-го стула А1, - перемещение нагретого тела Д12 ~ путь, пройденный вторым стулом при скачке д^ЦВДиЦСД _ тепловое удлинение корпусов ЦВД и ЦСД у - коэффициент пропорциональности

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ОРР - относительное расширение ротора, мм

АР - абсолютное расширение, мм

КПД - коэффициент полезного действия, %

ЦВД - цилиндр высокого давления

ЦСД - цилиндр среднего давления

ЦНД - цилиндр низкого давления

ТЭС - тепловая электрическая станция

АЭС - атомная электрическая станция

ЛМЗ - Ленинградский Металлический завод

ЦКТИ - Центральный котлотурбинный институт

ВТИ - Всесоюзный Теплотехнический институт

ХТЗ - Харьковский турбинный завод

УТМЗ - Уральский турбомоторный завод

КВУ - турбостроительная фирма Крафт Верк Унион

(Германия)

МАН - турбосторительная фирма Машиностроительное

производство, Нюренберг (Германия) АББ - турбосторительная фирма Производство Браун -

Бовери (Германия) ЖЭТТ - турбостроительное объединение "Рато - Манн -

Шнейдер" (Франция) СК - стопорный клапан

РК - регулирующий клапан

НЧВ - низкочастотная вибрация

ОГЛАВЛЕ НИЕ

Стр.

Введение 8

Глава 1. Состояние тепловых расширений турбин К-

300-2 4 0 ЛМЗ Киришской ГРЭС 25

1.1. Краткое описание генерирующих мощностей Киришской ГРЭС. Режимы работы

энергоблоков 300 МВт 25

1.2. Анализ работы турбины К-300-2 4 0 блока

ст. № 3 27

1.3. Исследование турбины К-300-24 0 ЛМЗ блока

ст. № 4 31

1.4. Результаты исследований перемещений цилиндров турбин К-300-2 4 0 ЛМЗ Киришской ГРЭС 34

Глава 2. Расчетная оценка факторов, влияющих на

расширение турбоагрегата 38

2.1. Анализ факторов, влияющих на перемещение

стульев 4 0

О ТТтуг -п -п Т..Г Г\ • ГП Т А - т — 1 ПЛ ПГПЛ П1ТГЛП Л Т^^Л ттг_ ю .-г тттт А

¿1- • ^ . /цу 1 С1 х' п. ^ ^ х VI ^ ^ ± ^ гг п у 1 п. ч^ гх^ь' иэ о

поверхностей стульев 55

2.3. О влиянии поперечных шпонок под лапами

корпусов цилиндров на расширение турбины 63

1 ' ПЗ П Т] ТГ} 1 г Т I Г Хт 7 Л Т Л лгп ГГ1 т „т /Т\ т /ьггтог^от.т.-л Т- Г О

1 лаоа . IэJ 1У1 п. ПУ1У1 жсо 1 к^и 1 VI п.Цащсп 1 а гх а

расширение турбоагрегата 71

3.1. Исследование процессов кручения поперечного ригеля под средним стулом

гпт 7 I" . . ~т ~>-~ . / . —: —1 гп г < т №.' 1

х ^р^^а^'рс^ С1 х а о х • гг ! х.

3.2. Методика укрепления узла связи поперечного ригеля с колонной 7 8

3 . 3 . Результаты работы по повышению жесткости

г"К Л 7 Т I ГТ 1\ «Г Г\ Т -Т гп -1 У ГГ^СИЧ!1-^ I 1 х С-.

Р П

3.4. Измерение углового положения ригелей

фундамента блоков № 4 -г б 82

Глава 4 . Разработка и внедрение мероприятий,-обеспечивающих свободу тепловых

расширений элементов турбин 88

4.1. Новая подвеска клапанов ЦСД турбины К-300-24 0 ЛМЗ 88

4.1.1. Анализ работы систем опирания клапанов ЦСД и разработка новой подвески 8 9

4.1.2. Описание конструкции подвесок 93

4.1.3. Испытания подвесок 96

4.2. Модернизация системы опирания корпусов ЦВД и ЦСД турбоагрегата К-300-24 0 ЛМЗ' путем применения разрезных поперечных

шпонок 108

Выводы 115

Литература 12 0

Приложение 1 12 9

Приложение 2 143

ВВЕДЕНИЕ

С ростом мощностей современных турбоагрегатов возникла проблема обеспечения нормального процесса теплового расширения корпусов цилиндров. Это относится как к турбинам, уже длительное время находящимся в эксплуатации, так и к вновь проектируемым и смонтированным в последние годы. На отдельных этапах пусков из различных тепловых состояний (а также при остановах) наблюдается отклонение показаний штатных приборов относительных и абсолютных расширений роторов (ОРР и АРР) от расчетных значений, что свидетельствует о затрудненности перемещения корпусов подшипников по фундаментным рамам [1].

Основными требованиями, предъявляемыми к современным мощным турбоагрегатам, являются их высокая экономичность, надежность и маневренность.

Факторами, - ограничивающими достижение этих качеств на переменных режимах работы, являются нестационарные температурные и силовые воздействия рабочих сред на элементы турбоустановки, что вызывает изменение их теплового состояния, а также вибрацию, расцентровки, деформацию частей турбины, переменное силовое воздействие, как между элементами турбины, так и со стороны присоединенных трубопроводов [1 - 3].

В значительной мере экономичность, надежность и маневренность турбины определяется величинами относительных расширений роторов и корпусов турбины [4].

В настоящее время существует методика расчета температурных полей как роторов, так и корпусов цилиндров турбин, что позволяет получить достоверные сведения по изменению ОРР при различных режимах работы [5].

Как показывает опыт эксплуатации и отмечается в [б, 7], затрудненность перемещений объясняется повышенными силами

трения в узлах связи корпус цилиндра - корпус подшипника -фундаментная рама".

Возрастающие требования к маневренности паротурбинных агрегатов большой мощности ставят ряд проблем, относящихся к конструкции статорной и роторной частей турбоагрегата, к системе установки турбин на фундаменте и к узлам связи между цилиндрами и их опорами - корпусами подшипников и фундаментными рамами [1, 8, 9] .

К проблемам разработки оптимальных конструкций статорной и роторной частей относятся также вопросы ограничения температурных напряжений, обеспечения

симметричности температурных полей относительно осей цилиндров высокого, среднего и низкого давления с целью исключения недопустимых короблений и перекосов как наружных корпусов, так и внутренних элементов паровыпускных узлов, внутренних цилиндров, обойм, диафрагм.

От способа установки турбины на фундаменте и конструкции узлов связи между частями турбоагрегата и фундамента (рис. 1) во многом зависит безопасность быстрого пуска турбины после остановов различной продолжительности из горячего и неостывшего состояния, допустимый диапазон маневрирования нагрузкой, включая полные сбросы нагрузки с длительным удержанием холостого хода, приемлемость различных способов ускоренного останова и остывания турбины. Дело в том, что уменьшение свободы тепловых расширений статоров турбин может вызвать появление недопустимых нагрузок на них, на опорные стулья и, как следствие, приводит к расцентровке валопровода и недопустимой его вибрации.

Одним из основных факторов, ограничивающих маневренность блока, является скорость изменения температурв деталях турбин при изменении режима. При этом в массивных деталях турбин (ротор, цилиндр, коробки клапанов)

Схема установки турбины К-300-240 ЛМЗ на фундаменте

Рис. 1

возникают неравномерные температурные поля, деформации и напряжения. Быстрый и неравномерный прогрев приводит к короблению цилиндров, обойм, а также сказывается на характере и темпе тепловых расширений опорных элементов.

Учитывая возможность возникновения вышеуказанных явлений в пусковой период, с целью предотвращения задеваний между статором и ротором турбины, конструкторы вынуждены заранее задавать величины зазоров существенно большими, чем те, которые необходимы при работе на стационарных режимах. Последнее существенно сказывается на экономичности турбоагрегата вследствие повышенных непроизводительных протечек пара через зазоры в уплотнениях.

Неодинаковая скорость изменения температуры ротора и статора при пусковых режимах или других переходных режимах приводит к их различным осевым расширениям, которые должны учитываться при задании осевых зазоров по проточной части и уплотнениях турбины. В частности, увеличенные значения осевых зазоров сказываются как на КПД турбинной ступени [10, 11], так и на величине непроизводительных расходов пара через концевые уплотнения [12].

По данным [12] для ступеней активного типа без радиальных уплотнений при росте относительного осевого зазора в ступени 5/1„ на 1 % (относительно его оптимального значения) их КПД падает, примерно, на 0,5 %. На каждые 0,25 мм увеличения периферийного осевого зазора сверх целесообразного размера КПД ступени падает в пределах 0,5 -г 1 % [13].

В свете вышесказанного, при создании новых паровых турбин на высокие параметры пара потребуется проведение детального анализа теплового состояния основных элементов паровых турбин на всех эксплуатационных режимах.

Эти вопросы приобрели повышенное значение в связи с ростом мощности турбин, сопровождающимся увеличением числа

цилиндров, их массы и размеров, увеличением абсолютных и относительных удлинений роторов и корпусов, как в пределах каждого из цилиндров, так и от цилиндра к цилиндру в направлении переднего подшипника.

Возрастающая потребность в использовании паровых турбин для покрытия полупиковых и пиковых нагрузок, независимо от их мощности и параметров пара, еще больше усложняет эти проблемы, поскольку маневренные возможности турбоагрегата прежде всего определяются конструкцией турбины.

Способы установки и крепления цилиндров и корпусов подшипников на фундаменте, а также конструкция узлов связи между ними должны быть такими, чтобы при номинальном и переменных режимах работы турбины обеспечивалось свободное их расширение с минимально возможной ответной реакцией со стороны фундамента [1].

Одним из важных условий нормальной работы турбин является беспрепятственное протекание процессов

температурных расширений. Температурные удлинения роторов, в одну или обе стороны от упорного подшипника, обычно происходят без затруднений, так как проскальзывание в осевом направлении ротора, вращающегося в слое смазки в опорных подшипниках, сопровождается малым трением. Препятствием для расширения ротора могут оказаться только задевания в проточной части или в уплотнениях из-за затрудненности перемещений стульев или неправильной оценки необходимых величин осевых зазоров или из-за нарушения установленного режима изменения нагрузки (скорости пуска, времени прогрева, предельных значений давления в конденсаторе или отборах, расхода пара и т.д.) [14]. Неудовлетворительные тепловые расширения и задевания в проточной части могут также спровоцировать возникновение электроэрозионных повреждений подшипниковых узлов и узлов системы регулирования (регулятора скорости, главного

масляного насоса и его полумуфты) из-за уменьшения масляного клина в опорно - упорных подшипниках и из-за намагниченности деталей и узлов турбоагрегата при задеваниях [15 - 18].

Тепловое расширение цилиндров турбин большой мощности во всех существующих конструкциях сопровождается большим трением, вызванным перемещением (проскальзыванием) по фундаментным рамам без какой - либо организованной постоянной смазки корпусов подшипников, нагруженных большой массой цилиндров по опорным поверхностям на корпусах подшипников (ЦВД и ЦСД) или по фундаментным рамам (ЦНД) [5, 7, 19].

Величины перемещений подвижных в осевом направлении корпусов подшипников, на которые опираются лапы цилиндров высокого и среднего давления, или лап цилиндров по подшипникам (в случае неподвижно установленных подшипников) достигают в мощных многоцилиндровых турбинах на закритические параметры пара до 30 - 50 мм (при номинальном режиме) [ 2 ] .

Перемещение корпусов подшипников требует со стороны цилиндров, с которыми они связаны в осевом направлении, приложения больших усилий для преодоления сил трения по поверхностям скольжения. Эти усилия могут существенно возрасти в случае заеданий по поверхностям скольжения между подошвами корпусов подшипников и фундаментными рамами, на которых они установлены. Тот же эффект может быть вызван силами, препятствующими свободному перемещению корпусов подшипников или образующими момент, поворачивающий подшипники вокруг вертикальной оси (например, от действия присоединенных к цилиндру трубопроводов), что приведет к увеличению сил трения на контактных поверхностях элементов, направляющих перемещение подшипников или цилиндров.

Большие силы трения по поверхностям скольжения корпусов

подшипников ЦВД и ЦСД, как показывает опыт эксплуатации, могут вызвать опрокидывание подшипников (вокруг ребра жесткости подошвы, ориентированной перпендикулярно оси турбины), кручение поперечных фундаментных ригелей, на которых установлены подшипники, повышенное рассогласование тепловых расширений роторов и цилиндров, задевания в проточных частях или уплотнениях, расцентровку турбины [7, 8, 19, 22].

Нарушение процесса теплового перемещения корпусов подшипников проявляется в скачкообразном перемещении корпусов подшипников, невозвращении цилиндров в исходное положение после полного остывания, что приводит к увеличению вибрации, износу радиальных и осевых уплотнений и, следовательно, к ухудшению экономичности, поломке соединительных болтов муфт ротора, повреждениям подшипников и др. [22].

Разработка надежных методов и конструкций для улучшения и стабилизации тепловых расширений в пуско - остановочных режимах и режимах регулирования электрических нагрузок в энергосистеме является составной частью общей проблемы тепловых расширений мощных турбоагрегатов [23 - 28].

Внедрение в практику результатов научных исследований по проблемам тепловых расширений, новых конструкций шпоночных соединений и опорно - подвесных систем способны обеспечить существенный прогресс в этой области, что обуславливает актуальность проблемы исследований по созданию новых методов и конструкций для повышения надежности работы турбоагрегатов при переменных тепловых режимах [26, 29, 30] .

Несмотря на то, что в настоящее время электростанциями, турбостроительными заводами, научно - исследовательскими, проектными и пуско - наладочными организациями накоплен большой опыт обеспечения беспрепятственного расширения

многоцилиндровых паровых турбин [5, 7, 13, 19, 22, 23, 29 -33], считать эту проблему окончательно решенной, особенно в процессе длительной эксплуатации, а также в покрытиях турбоагрегатами полупиковых и пиковых режимов электрических нагрузок, нельзя. В ряде случаев эта проблема возникает и на начальном этапе опытно - промышленной эксплуатации, особенно головных образцов мощных паровых турбин ТЭС и АЭС.

В результате проведенных автором исследований на турбинах К-300-24О ЛМЗ Киришской ГРЭС [26, 27, 29, 34, 35], а также на турбинах большой мощности других станций [5, 7, 22, 36 - 4 0] выявлена определенная закономерность возникновения и развития причин, приводящих к неудовлетворительным тепловым расширениям. Эти причины можно сгруппировать по типам турбин, мощности, заводам -�