Указом Президиума Верховного совета СССР от 28 декабря 1977 г. НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова было награждено орденом  Октябрьской Революции.
Снижение эрозии рабочих лопаток последних ступеней ЦНД конденсационных и теплофикационных турбин на малорасходных режимах
Main / Направление деятельности > Научно-исследовательская и проектно-конструкторская деятельность > Паровые турбины > Совершенствование действующих паровых турбин > Снижение эрозии рабочих лопаток последних ступеней ЦНД конденсационных и теплофикационных турбин на малорасходных режимах
     Основная проблема работы ЦНД на малорасходных режимах - вентиляционный нагрев рабочих лопаток и выхлопных патрубков. Нагрев выхлопного патрубка ограничивают величиной порядка 100 °С из-за опасности его коробления и расцентровок проточной части. Кроме того, нагрев собственно рабочих лопаток последних ступеней угрожает их прочности, и в частности, сохранности пайки стеллитных пластинок, защищающих от эрозии. Исследования проточной части турбины ТМЗ мощностью 250 МВт показали [1], что причиной повышения температуры основного потока, проходящего через последнюю ступень (см. рисунок), является её работа при малых расходах в компрессорном режиме. При этом корневые сечения рабочих лопаток засасывают пар из выхлопного патрубка, создавая в нём обратные токи и вызывая отрыв основного потока от корня, на что затрачивается около 4 % энергии, потребляемой рабочим колесом. Примерно 76 % энергии отдаётся средними сечениями лопаток и расходуется на закрутку и отвод основного потока к периферии, что, после торможения, и вызывает его нагрев. Остальные 20 % отдаются периферийными сечениями лопаток и затрачиваются на создание разрежения в межвенцовом зазоре ступени и, тем самым, на создание обратных течений в радиальном зазоре над вершинами рабочих лопаток и в щели для межвенцового отвода влаги и, в конечном итоге, на образование и поддержание периферийного торового вихря. В подтверждение сказанного, измерения [2] показали, что на холостом ходе температура основного потока в последней ступени повышается на 90 °С, а в периферийном торовом вихре оказывается ещё на 70-100 °С выше. Последнее объясняется недостаточным тепломассообменом этого вихря с основным потоком.
 

Проблема вентиляционного нагрева в турбинах ТЭЦ при работе под нагрузкой легко решается некоторым увеличением пропуска пара через ЦНД. Это, однако, уменьшает теплофикационный отбор пара, что экономически нецелесообразно ввиду длительности отопительного сезона и низкого КПД ЦНД при малом расходе пара. Однако и на ТЭЦ и на КЭС при холостом ходе турбин, неизбежном при пусках (становящихся всё более частыми из-за разуплотнения диспетчерского графика) увеличение пропуска пара через ЦНД невозможно. Поэтому наиболее распространённым и эффективным способом снижения вентиляционного нагрева ЦНД на малорасходных режимах является впрыск влаги, производимый обычно через специальные форсунки перед цилиндром, либо в его выхлопном патрубке непосредственно за рабочими лопатками последней ступени. При холостом ходе турбины излишки пара из котла сбрасываются через БРОУ и другие паро-сбросные устройства (ПСБУ) в пароприёмные устройства (ППУ) конденсатора. По пути сбрасываемый пар также охлаждается впрысками влаги в паропроводы и концевыми впрысками в конденсаторе. Испарение впрыскиваемой влаги снижает температуру пара, поступающего к рабочим лопаткам последней ступени с основным потоком, либо из выхлопного патрубка с обратными токами.
 

Другой проблемой малорасходных режимов ЦНД является эрозия рабочих лопаток последних ступеней. Эрозия вызывается крупными каплями влаги, поражающими как входные, так и выходные кромки лопаток. Одним из источников эрозионно-опасной влаги могут быть упомянутые охладительные впрыски при недостаточно тонком распылении: крупные капли, плохо испаряясь, не дают должного охлаждения, и расход влаги приходится увеличивать. Однако даже самый тонкий распыл полностью не решает проблемы эрозии, т.к. существуют многие другие источники крупных капель, транспортируемых к последней ступени основным потоком или обратными токами пара. Исследованиями [3-7] выявлены следующие источники эрозионно-опасной влаги при малорасходных режимах ЦНД (помимо впрысков):

-конденсация рабочего пара на стенках и перегородках выхлопного патрубка,

-конденсация уплотняющего пара в камерах концевых уплотнений ЦНД,

-конденсация рабочего пара на элементах паровпуска ЦНД турбин ТЭЦ,

-повышенная влажность пара перед ЦНД в турбинах ТЭЦ в отопительном режиме по сравнению с конденсационным.

Забросу капель на рабочие лопатки с обратными токами при малорасходных режимах способствуют обводы выхлопного патрубка и продольные направляющие рёбра, предназначенные для разделения потока на две половины при полном расходе и осевом направлении выходной скорости. При малых расходах пара поток на выхлопе закручен вращением ротора, а упомянутые рёбра и обводы отбрасывают пар с влагой назад к рабочим лопаткам. Из-за малой скорости паровых потоков на малорасходных режимах практически отсутствует дробление и разгон капель, т.е. велики масса капель и скорость их соударения с вращающимися на полной скорости рабочими лопатками. Этим объясняется сравнительно быстрое развитие эрозионных повреждений как выходных кромок рабочих лопаток у корня, так и входных кромок у периферии, куда влага может транспортироваться и от корня самими рабочими лопатками [8] (см. рисунок).
 

Для защиты от перегрева и эрозии различными организациями предложен ряд мероприятий, прошедших эксплуатационную проверку.

Для снижения перегрева ЦНД теплофикационных турбин практикуются следующие мероприятия:

  • замена последней ступени ЦНД ступенью с укороченными лопатками;
  • удаление диафрагм и рабочих лопаток последних ступеней ЦНД;
  • замена проточной части ЦНД фальшвалом.

В качестве средства охлаждения пара наиболее эффективным остаётся впрыск влаги. При этом для снижения эрозионной опасности используются следующие методы:

  • установка специальных форсунок тонкого распыла [9] за рабочим колесом последней ступени. В турбинах ТЭЦ форсунки тонкого распыла могут устанавливаться и перед ступенями ЦНД после регулирующего органа;
  • установка специальных сепараторов за впрыскивающими устройствами. В турбинах ХТГЗ, например, ППУ, совмещающее охладительный впрыск и сепаратор, крепится к боковой стенке конденсатора снаружи;
  • применение специальных теплообменных аппаратов (ТА), в которых охлаждающая влага впрыскивается в закрученный центростремительный поток пара, не допускающий уноса крупных (эрозионно-опасных) капель до полного их раздробления и испарения [10].

Для предотвращения попадания на рабочие лопатки последней ступени влаги, конденсирующейся на элементах паровпуска и выхлопа ЦНД. применяются следующие мероприятия:

  • отвод и дренирование влаги с поверхностей ресивера и элементов паровпуска [11];
  • перфорация продольных разделительных рёбер выхлопного патрубка [4-6];
  • отвод и дренирование влаги с кольцевых направляющих поверхностей и рёбер выхлопного патрубка [4-6];
  • дренирование камер концевых уплотнений [4-6,8].

Для снижения вентиляционного нагрева и уменьшения расхода влаги на охладительные впрыски рационально увеличить тепломассообмен вихревых структур в последних ступенях ЦНД с основным потоком пара. Это соображение относится не только к периферийному торовому вихрю, но и к вихревому движению в зоне корневого отрыва с участием обратных токов (см. рисунок), поскольку недостаточный тепломассообмен с основным потоком способствует повышению температуры выхлопного патрубка. Более того, прикорневой вихрь подпитывается не только энергией от рабочего колеса, но в него буквально вдувается горячая кольцевая струя пара из камеры концевого уплотнения с температурой 160-200 °С.

ЦКТИ располагает эффективными методами снижения температуры пара без внешнего впрыска влаги, например, за счёт спонтанной конденсации при достижении так называемой линии Вильсона, когда влага выделяется в виде огромного количества мельчайших капелек, не представляющих эрозионной опасности [12].

ЦКТИ предлагает электростанциям, имеющим проблемы с вентиляционным перегревом и эрозией рабочих лопаток последних ступеней ЦНД, заключить договор на анализ конкретных условий эксплуатации, разработку технической документации и авторский надзор за внедрением наиболее подходящих эффективных мероприятий, осуществимых силами ремонтных служб в период капитального ремонта турбины.