Впервые исследования турбины Т-180/210-130 с промежуточным перегревом пара в режимах работы с уменьшенным вентиляционным пропуском пара в ЧНД проводились на Вильнюсской ТЭЦ-3 (ВТЭЦ-3). Турбина была оснащена специальной экспериментальной оснасткой (рис. 5.4...5.6).
Рис. 5.4. Расположение термопар и замеров давлений в проточной части НД :
Схема кольцевой системы охлаждения и эскиз ее установки в ВП приведены на рис. 5.7 и 5.8. Исследования проводились при работе турбины по тепловому графику (с полностью закрытыми РД ЧНД) с двухступенчатым или одноступенчатым подогревом сетевой воды в диапазоне тепловых нагрузок QT = 140...270 МВт (при этом электрическая нагрузка составляла 75... 125 МВт). Характеристика каждой серии опытов дана в табл. 5.1. В этой же таблице показаны условные обозначения, используемые на всех приведенных ниже рисунках (если нет дополнительных пояснений).
На рис. 5.9...5.12 показаны максимальные (т.е. наибольшие из всех контролируемых в измерительных точках по окружности данного сечения) температуры пара в ступенях ЧНД, а также температуры пара в ВП (средние по всем точкам измерения в диффузоре).
Рис. 5.5. Схема экспериментальной оснастки турбины Т-180/210-130
Как видно, тепловое состояние ступеней и выходного патрубка ЧНД существенно зависит от давления в конденсаторе и параметров пара перед ЧНД. Наиболее высокий уровень температур пара имеет место, как правило, на выходе из периферийной части направляющего аппарата (НА) последней (27) ступени. Однако при повышении температуры перед ЧНД возможен сдвиг максимума температур в область предпоследней (26) ступени (рис. 5.9).
Рис. 5.6. Установка термогребенок за 27 ступенью турбины Т-180/210-130
Рис. 5.7. Установка коллекторов кольцевой системы охлаждения в ВП турбины Т-180/210-130
Таблица 5.1
Характеристика серий опытов первого этапа исследований турбины Т-180/210-130 ст.№ 1ВТЭЦ-3
Рис. 5.9. Максимальные температуры пара в ЧНД турбины Т-180/210-130 при рК= 4,5...5,8 кПа и включенной системе охлаждения
Кольцевая система охлаждения обеспечивает допустимое тепловое состояние ступеней ЧНД и выходного патрубка во всем исследованном диапазоне параметров пара в камере нижнего теплофикационного отбора и вакуума в конденсаторе. Температура пара в выходном патрубке (как по экспериментальной оснастке, так и по штатным измерениям) значительно меньше температуры пара, выходящего из последней ступени. Отключение КСО даже на режимах с относительно глубоким вакуумом в конденсаторе приводит к интенсивному разогреву ВП (рис. 5.13...5.14). При этом температура пара в отдельных точках патрубка возрастает более чем на 100 °C. Необходимо отметить, что опыты с отключенной КСО были сравнительно короткими (не более 20 минут) и стабильного теплового состояния ЧНД в этих опытах получить не удалось. КСО оказывает влияние на тепловое состояние не только ВП, но и последней ступени турбины. В указанных опытах с отключением КСО величина прироста температур пара в периферийной части на выходе из НА и в радиальном зазоре достигала 20 °C, а на выходе из рабочих лопаток (РЛ) - 80 °C (см. рис. 5.10...5.11).
Рис. 5.10. Максимальные температуры пара на выходе из периферийной части НА 27 ст. турбины Т-180/210-130 (обозначения см. в табл. 5.1)
Рис. 5.11. Максимальные температуры пара на периферии за РЛ 27 ст. турбины Т-180/210-130 (обозначения см. в табл. 5.1)
Высокая эффективность новой системы охлаждения при работе ЧНД с уменьшенным вентиляционным пропуском пара в ЧНД подтверждается сравнением результатов исследований турбины до и после модернизации РД. Как видно из рис. 5.11, при одинаковых рК и tH, но уменьшенном более чем на порядок расходе пара в ЧНД, уровень максимальных температур пара за РЛ 27 ступени снизился. Существенно меньшую величину имеет также температура пара в ВП.
Например, при испытаниях турбины с неуплотненной РД и старой штатной системой охлаждения, даже в опытах с относительно глубоким вакуумом в конденсаторе, температура пара в штатной точке измерения превышала 150 °C (этим значением ограничена шкала штатного прибора).
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что КСО обеспечивает достаточное охлаждение выходной части турбины Т-180/210-130 при работе с закрытыми уплотненными регулирующими диафрагмами ЧНД во всем диапазоне давлений в конденсаторе, допускаемых инструкцией по эксплуатации. При этом практически во всех точках измеренные температуры пара в ВП не превышали 120 °C (рис. 5.15).
Рис. 5.13. Влияние системы охлаждения на температуру пара в ВП (в штатных точках замера): 1 - отключение КСО; 2 - включение КСО
Более высокие температуры пара зафиксированы только в узкой локальной зоне ВП у нижнего вертикального ребра и могут не учитываться при определении допустимых режимов работы ЧНД. В некоторых частях ВП температура пара находилась на уровне температуры насыщения.
Режимы работы ЧНД с уменьшенным вентиляционным пропуском пара были исследованы также на турбинах Новосибирской ТЭЦ-5 (НТЭЦ-5) и Хабаровской ТЭЦ-3 (ХТЭЦ-3). Кроме того, на одной из турбин НТЭЦ-5 выполнены комплексные газодинамические и вибропрочностные исследования ступеней ЧНД.
Рис. 5.14. Влияние системы охлаждения и рециркуляции на температуры пара за РЛ 27 ст. и в ВП: 1 - КСО включена; 2, 3 - КСО отключена; 1, 2 - рециркуляция подается вниз; 3 - рециркуляция переведена вверх
Полученные экспериментальные данные по тепловому состоянию проточной части низкого давления и выходного патрубка всех испытанных турбин качественно и количественно согласуются между собой, что свидетельствует об их представительности и позволяет сделать обобщения. В качестве примера на рис. 5.12 представлены данные по средним температурам пара в диффузоре ВП, полученные в испытаниях на ВТЭЦ-3 и НТЭЦ-5.
На рис. 5.16 представлены распределения температур пара по высоте за рабочими лопатками первой ступени ЧНД на режимах с полностью закрытой уплотненной РД. Там же даны значения температур, измеренных у периферии за РД.
Рис. 5.16. Распределение температур по высоте и окружности за 26 ступенью ЧНД на режимах с полностью закрытой диафрагмой:
8, 11; 9, 12; 10, 13 - соответственно справа, слева и сверху по ходу пара
В соответствии с полученными результатами при глубоком вакууме в конденсаторе температура пара за первой ступенью существенно возрастает к периферии. С увеличением рК происходит выравнивание температуры пара за рабочими лопатками по высоте. Важно отметить, что на всех режимах с закрытой уплотненной РД максимальный температурный уровень в ступени может быть достаточно представительно оценен по данным измерений температуры пара на выходе из периферийной части ее направляющего аппарата.
Распределение температур пара за рабочими лопатками последней ступени, как показали измерения комбинированными зондами, неравномерно по радиусу. На рассматриваемых режимах с закрытыми РД и включенной КСО максимальный уровень температур (200...250 °C в зависимости от рК) имеет место у периферии ступени (рис. 5.17 и 5.18).
В нижней части в одном из сечений температуры практически соответствуют температуре насыщения (30...50 °C), а в другом сечении они находятся на уровне 80...100 °C. Неравномерность температур по радиусу обусловлена соответствующим распределением расходов пара (рис. 5.19). Основной расход пара проходит через верхнюю зону (I=0,6... 1,0) рабочих лопаток, остальная часть лопаток занята отрывными течениями, туда подсасывается охлажденный пар. Полученные экспериментальные данные (рис. 5.19) свидетельствуют о том, что картины течения в последней ступени теплофикационной турбины в режимах с закрытыми РД и в последней ступени конденсационных турбин на частичных нагрузках и холостом ходе [8,19] имеют идентичный характер (см. рис. 1.2). При этом с уменьшением Gv2 происходит монотонное увеличение зоны, занятой обратным потоком, и соответствующее уменьшение периферийной зоны, в которой пар выходит из рабочих лопаток и протяженность которой имеет конечное значение даже при предельно малых объемных расходах пара.
Неравномерность распределения температур пара по окружности за ступенью в двух измерительных сечениях связана с наличием в выходном патрубке направляющих ребер, определяющих различный подсос охлажденного пара. На это указывает также и то, что к сечению внутри диффузора патрубка (на расстоянии около 1,5 м от рабочего колеса) уровень и неравномерность распределения температур существенно уменьшаются: максимальные температуры на предельном режиме с рК=15 кПа в отдельных точках не превышают 130 °C (рис. 5.20). К выходному сечению патрубка температуры еще более выравниваются.
Проблема надежного охлаждения ЧНД в малопаровых режимах связана с обеспечением допустимого теплового состояния ступеней ЧНД и выходного патрубка. Отдельное рассмотрение указанных элементов обусловлено существенно различным предельным уровнем разрешенных температур (для патрубка 120 °C, для ступеней 270 °C). Исследования всех турбин в режимах с закрытыми уплотненными РД ЧНД показали, что определяющее влияние на тепловое состояние ВП оказывает система охлаждения. При включенной КСО средняя Температура пара в патрубке зависит в основном от давления в конденсаторе и почти не зависит от параметров пара перед ЧНД (рис. 5.12). Как уже отмечалось, отключение КСО приводит к интенсивному разогреву патрубке (рис. 5.12...5.14). При этом происходит и рост температуры пара по всей высоте за рабочими лопатками последней ступени (рис. 5.21).
Охлаждающая способность КСО характеризуется данными, приведенными на рис. 5.22. Снижение температуры пара в диффузоре патрубка по сравнению с максимальной в последней ступени 
достигает 160...200 °C. Необходимо отметить, что зависимость указанной величины Δί от Gv2 имеет максимум (рис. 5.22).
Рис. 5.21. Распределение температур по высоте за 27 (последней) ступенью ЧНД на режимах с закрытой диафрагмой при включенной и отключенной КСО (рК=5,5 кПа, рн=70 кПа, tн= 153 °C, турбина Т-180/210-130 Новосибирской ТЭЦ-5)
Это означает, что при уменьшении массового расхода пара через ступени (при рК=idem ) не происходит непрерывного возрастания температуры в последней ступени. Начиная с некоторого режима она снижается, т.е. на режиме с минимальным расходом пара в ЧНД температуры пара в проточной части должны быть ниже, чем на режимах с частичным открытием РД.
В отличие от выходного патрубка, тепловое состояние ступеней ЧНД (см. рис. 5.9...5.11) существенно зависит не только от рк, но и от параметров пара перед ЧНД. Данные по максимальному уровню температур пара на выходе из направляющего аппарата первой ступени ЧНД хорошо обобщаются зависимостями вида 
. При этом снижение
менее 0,08 (рост рК/GK сверх 4 кПа-с/кг ) приводит к увеличению Δt26 (рис. 5.23, 5.24). В исследованных режимах величина Л/26 достигала 80...90 °C. Возрастание температуры пара на выходе из РД по сравнению с температурой пара перед ЧНД свидетельствует об интенсивных вентиляционных процессах не только в последней, но и в первой ступени ЧНД.
Для последней ступени параметры
или pK/GK перестают быть обобщающими для величин
Это связано с тем, что значительное влияние на охлаждение последней ступени оказывает подсасываемый из патрубка пар, температура которого слабо зависит от начальных параметров перед ЧНД, а определяется работой КСО и давлением в конденсаторе.
Рис. 5.24. Максимальные температуры пара на выходе из периферийной части НА 26 ступени
В соответствии с результатами исследований в диапазоне
уровень максимальных температур пара в последней ступени оказывается несколько большим, чем в предпоследней (рис. 5.25). При
наибольшие температуры могут быть в первой ступени ЧНД. Важно также отметить, что при
максимальный уровень температуры пара в последней ступени имеет место на выходе из НА в периферийной области (рис. 5.25). Это косвенно свидетельствует о возникновении на указанных режимах периферийного вихря в межвенцевом зазоре ступени.
Если учесть, что по результатам проведенных исследований в режимах с закрытыми уплотненными РД максимальные температуры пара в первой и второй ступенях ЧНД отличаются не столь значительно (по крайней мере в режимах, когда могут потребоваться дополнительные ограничения по параметрам пара перед ЧНД), то для оценки допустимых режимов работы турбины Т-180/210-130 по тепловому графику может быть использована обобщенная зависимость
= 
приведенная на рис. 5.24.
Температура пара перед ЧНД при работе с закрытыми РД определяется расходом свежего пара G0 и давлением рн в камере нижнего теплофикационного отбора. При этом tн увеличивается с ростом рн и снижением G0. Таким образом, ограничение по температуре перед ЧНД равносильно ограничению допустимой величины рн при различных паровых нагрузках.
Рис. 5.25. Максимальные температуры пара в последней ступени ЧНД (обозначения см. на рис. 5.12)
Рис. 5.26. Ограничение величины допустимого давления в камере НТО по температурному состоянию ступеней ЧНД
Зависимость предельных значений рн от расхода свежего пара показана на рис. 5.26. Указанная зависимость получена на основании данных, приведенных на рис. 5.24, с использованием результатов тепловых расчетов завода-изготовителя турбины, экспериментальной расходной характеристики закрытых РД и; при условии, что температура в ступенях ЧНД не должна превышать 270 °C. При повышении давления пара в конденсаторе (рК=12 кПа) ограничение рн будет иметь место (рис. 5.26) только при G0< 115 кг/с
а при рК<5 кПа дополнительного ограничения давления в камере нижнего теплофикационного отбора не требуется.
Надежность работы ступеней ЧНД определяется не только величиной максимального уровня температур пара в проточной части, но и неравномерностью их распределения в отдельных сечениях. В исследованных режимах максимальная окружная неравномерность температур пара в 27 и 26 ступенях в точках измерений не превышала 20...35 °C. В процессе испытаний на всех турбинах осуществлялся постоянный контроль за вибрационным состоянием подшипников и тепловыми расширениями цилиндров, которые во всех исследованных режимах находились в пределах, допускаемых инструкцией по эксплуатации турбоустановки.
При организации малопаровых режимов работы ЧНД важной проблемой является предотвращение возможности эрозионного повреждения выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней. В этой связи необходимо отметить, что при работе КСО, несмотря на наличие в выходном патрубке небольших областей с температурами пара на уровне насыщения, визуальные наблюдения в процессе испытаний всех турбин не обнаружили капельной влаги в пространстве за рабочим колесом последней ступени. В то же время, данные термометрирования ВП на режимах с включением и отключением рециркуляции, подаваемой в верхнюю часть конденсатора (рис. 5.20), не исключают возможности подсоса избыточной влаги в корневую зону ступени из нижней части патрубка. Это подтверждается также результатами наблюдений через смотровые окна, расположенные в нижней части переходного патрубка, где достаточно четко прослеживается процесс выноса обратными токами капельной влаги из конденсатора при включенной рециркуляции.
Из сказанного следует необходимость упорядочения ввода в конденсатор различных пароводяных потоков (рециркуляция основного конденсата, добавочная химобессоленная вода, дренажи и отсосы из подогревателей и т.п.), которые могут являться источниками образования эрозионно опасной влаги. Возможные технические решения в этом направлении изложены в п.8.
Как уже указывалось, одним из основных факторов, определяющим надежность работы ЧНД, является вибрационное состояние рабочих лопаток последних ступеней. Результаты, полученные в процессе проведения исследований турбины Т-180/210-130 Новосибирской ТЭЦ-5, показали, что в условиях работы ЧНД с Gv2=0,01...0,4 и рК=4... 15 кПа максимальный уровень напряжений в отдельных рабочих лопатках последней ступени не превышал 80 кг/см2, а в первой ступени ЧНД 20 кг/см2. Таким образом, по результатам вибропрочностных исследований можно констатировать, что во всем реальном диапазоне режимов работы турбины Т-180/210-130 уровень динамических напряжений в рабочих лопатках ЧНД значительно ниже допустимого (200 кг/см2) и не вызывает опасения за их вибрационную надежность, в том числе на режимах с полностью закрытыми уплотненными регулирующими диафрагмами.
