Турбина реакторной установки РБМК-1000. Общие сведения.

 

Введение

На тепловой схеме турбина представлена цилиндром низкого давления (ЦНД) и цилиндром высокого давления (ЦВД). Один реактор РБМК-1000 снабжает паром две турбины мощностью 500 МВт каждая. В состав турбоагрегата входит один цилиндр низкого давления и четыре цилиндра высокого давления. Турбина является пожалуй самым сложным агрегатом, после самого реактора в составе АЭС.

Принцип действия.
Принцип действия любой турбины схож с принципом действия ветряной мельницы. В ветряных мельницах воздушный поток вращает лопасти и совершает работу. В турбине пар вращает лопатки распложенные по кругу на роторе. Ротор турбины жестко связан с ротором генератора, который вырабатывает ток.
Рассмотрим работу ротора ветряной мельницы

Схема работы ветряной мельницы
Схема работы ветряной мельницы


Ротор представляет собой вращающийся вал с жестко закрепленными на нем лопатками. Ротор как правило, связан с каким либо механизмом, который совершает полезную работу при его (ротора) вращении. Рабочим телом в мельнице условно можно считать поток воздуха. Набегающий поток воздуха движется по направлению оси вращения ротора. Лопатки закреплены таким образом, что их плоскость повернута относительно на некоторый угол, этот угол в аэродинамике называют углом атаки.


Схема работы ветряной мельницы (разрез А-А рис.1)


Лопатка стоит на пути движения воздуха, когда поток сталкивается с лопаткой, он тормозится и изменяет направление движения, обтекая лопатку, как показано на (рисунке 2). При этом неизбежно около передней поверхности лопатки возникает область с повышенным давлением воздуха, а около задней поверхности возникает область с пониженным давлением. Величина разницы давлений dP зависит от многих параметров, например скорости движения воздуха, угла атаки, формы поверхности.
Из-за разности давлений на поверхностях на лопатку начинает действовать сила P, направленная по нормали к ее плоскости. Поскольку лопатка жестко закреплена на роторе и не может совершать осевые перемещения на нее действует сила реакции N, направленная по оси ротора в сторону противоположную движению потока. Суммарной силой при сложения этих двух сил является сила S направленная перпендикулярно оси ротора. Поскольку это сила приложена к лопатке, то возникает крутящий момент, который заставляет ротор вращаться. Связанный с ротором механизм выполняет полезную работу. В случае ветряной мельницы перепад давления на лопатке не большой и для увеличения силы Р увеличивают площадь, поскольку сила Р = dP x А,
где:
dP – средней перепад давления;
А - площадь лопатки.
Другим способом увеличить силу Р, а значит и полезную работу всей установки, это увеличить перепад давления dP.
В турбине, где средой вращающей лопатки с ротором, является пар при давлении около 60 атмосфер на входе и 0.04 атмосферы на выходе, перепад настолько большой, что для увеличения общей мощности используют не один ряд лопаток а несколько расположенных друг за другом, на одном роторе. Один круговой ряд лопаток называется ступень расширения (или ступень давления). Когда говорят о том, что турбина имеет пять ступеней давления это значит что, на роторе данной турбины находятся пять круговых рядов лопаток, через которые последовательно проходит рабочие тело. Лопатки которые закреплены на роторе и передают вращающий момент, называются рабочими лопатками они вращаются вместе с ротором.


Рабочие лопатки турбины
Рабочие лапатки турбины

Сечение рабочих лопаток, сопловых аппарата и лопаток диафрагмы ( разрез А-А рис. 3)
Сечение рабочих лопаток


Путем длительных исследований и сложных расчетов была определена оптимальная форма рабочей лопатки для максимального использования энергии расширяющегося пара или максимального КПД. На рисунке 4 представлено сечение лопатки, цилиндра высокого давления. Для дальнейшего повышения КПД, на пути пара перед лопаткой устанавливают сопловой аппарат, который изменяет направление движения и скорость потока так, чтобы работа расширяющегося пара была максимальной. Сопловой аппарат представляет собой круговой ряд неподвижных лопаток, проходя которые поток пара поворачивается. После обтекания рабочей лопатки направление движения потока изменяется. Поскольку для повышения КПД необходимо определенное направление движения на входе в ступень, между лопатками последовательных ступеней устанавливают диафрагмы, которые подобно сопловому аппарату на входе изменяют направления движения потока пара.(смотри рисунок 4)


На входе в турбину как было уже сказано, давление около 60 атмосфер ---- на выходе из турбины пар находится при давлении меньше атмосферного, и его свойства по ходу в турбине меняются очень сильно, поэтому и профиль рабочих лопаток стоящих в начале отличается от профиля рабочих лопаток стоящих в конце. Кроме того, расширение пара ведет к тому, что проходное сечения канала, должно увеличиваться для этого высота лопаток по ходу движения пара в турбине возрастает от ступени к ступени.
Скорость вращения ротора современной турбины очень велика (3000 об/мин для турбины к реактору РБМК-1000) поэтому особое внимание уделяется прочности крепления лопаток к ротору. После закрепления на роторе по верхнему краю лопаток устанавливается ленточный бандаж который соединяет все лопатки в жесткую конструкцию.
Для уменьшения габаритных размеров турбины АЭС выполняют двухпоточными, это означает что подвод рабочего тела осуществляется к центральной части откуда он распределяется на два потока, движущихся вдоль оси ротора в противоположных направлениях, от центра к торцам. Соответственно углы установок лопаток в потоках должны быть зеркально противоположными.
Прежде чем приступить к краткому техническому описанию турбины в реакторной установке РБМК-1000, необходимо остановится на особенностях присущих практически всем турбинам на атомных станциях.

Подвеска камеры деления РБМ-К7.сб.37А/Л.49, 50/. Подвеска предназначена для установки в толще бокового отражателя реактора ионизационной камеры деления типа КНТ-31-1. Подвеска КД (рис. 45) состоит из следующих основных элементов: - кронштейна (4); - кабеля в с6ope (1); - внешнего (3) и внутреннего (2) стаканов. На кронштейне крепится выносной каскад задатчика мощности КВЗМ1 (5). Кабель в сборе имеет штепсельную вилку (6) для подстыковки к разъему выносного каскада и узел (9) для подсоединения к камере деления. На кабель плотно насажены пробки (10) и (11). К пробке (10) приварен стакан (3), являющийся магнитным экраном КД, к пробке (11) припаян стакан (2) - электростатический экран КД. Зазоры между стаканами, стаканом (2) и корпусом КД обеспечивают бандажи (8) из стеклянной нити. Стаканы заполнены особо чистым азотом (марки ВТУ35ХП-662-63), чтобы предотвратить окисление внутренних поверхностей и снижение сопротивления изоляции в условиях воздействия радиации. Сопротивление изоляции без выносного каскада при температуре окружающей среды (воздуха) 20±5°C и влажности 80%: - между токоведущей жилой кабеля и корпусом КД - 109 Ом (Uпр= 1000 в); - между корпусом КД и стаканом (2), стаканами (2) и (3) - 106 Ом (Uпр = 500 в). Электрическая прочность изоляции между жилой кабеля и корпусом штепсельной вилки, в тех же условиях - 2000 В переменного тока (время проверки - 1 мин.). Подвеска КД в гильзе РБМ-К15.сб.40 устанавливается в канал СУЗ и крепится к головке канала РБМ-К5.сб.ЗЗ двумя винтами М16. Между опорной плитой кронштейна (4) и фланцем гильзы имеется амортизирующая резиновая прокладка (7), снижающая воздействие вибраций конструкций реактора на работу КД. Общая длина подвески - 12940 мм. Масса подвески - 20 кг. Длина гильзы КД - 15980 мм. Масса гильзы - 76,32 кг.

Опять-таки в связи с большим тепловыделением приходится оборудовать даже не два, а три контура (объем теплоносителя на каждом последующем, естественно, больше), причем во втором контуре используется опять-таки натрий. При работе такого реактора происходит очень интенсивное выделение нейтронов, которые поглощаются слоем урана-238, расположенного вокруг активной зоны. При этом этот уран превращается в плутоний-239, который, в свою очередь, может использоваться в реакторе как делящийся элемент. Плутоний используется также в военных целях.


Атомные станции с реакторами РБМК 1000