Дайте определение турбинной ступени

Турбинная ступень

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

радиально-осевые, диагональные и др. Однако в крупных энергетических паровых турбинах за редким исключением используются ступени осевые или с небольшим отклонением от строго осевого направления. Поэтому в дальнейшем, за исключением § 3.7, рассматриваются только осевые ступени.

В ступени турбины работа расширения пара преобразуется в кинетическую энергию потока, а последняя — в механическую энергию. Рассмотрим это преобразование применительно к одной из ступеней осевой турбины (рис. 3.1).

Поток пара, вышедший со скоростью с, из сопловЬй решетки, проходит зазор 5а, отделяющий неподвижные сопловые лопатки от рабочих, и вступает в каналы рабочей решетки (рис. 3.2).

При обтекании рабочей решетки пар в общем случае дополнительно расширяется от давления р 1 в зазоре между

сопловой и рабочей решеткой до давления р2 за рабочими лопатками. Одновременно поток пара в рабочей решетке меняет направление. При этом происходит передача кинетической энергии потока рабочим лопаткам ступени.

располагаемых теплоперепадов сопловой и рабочей решеток, или, что почти то же самое1, располагаемый теплоперепад ступени может быть взят по изоэнтропе между давлениями р0 и р2. В действительном процессе из-за потерь расширение в рабочей решетке происходит при возрастающей энтропии, так что состояние пара при выходе из рабочей решетки может быть представлено точкой 2 в /г, ^-диаграмме на рис. 3.3.

Отношение теплового перепада Н0р к теплоперепаду ступени от параметров торможения

называется степенью реактивности. Если степень реактивности ступени равна нулю и в каналах рабочих лопаток

не происходит дополнительного расширения пара, то такая ступень называется чисто активной. Когда степень реактивности невелика (до 0,2— 0,25), то ступень принято также называть активной, причем иногда указывают, что это активная ступень с небольшой степенью реактивности. Если степень реактивности значительна (0,4—0,6), то ступень называется реактивной.

В некоторых случаях давление р] может оказаться несколько меньшим, чем р2- При этом в каналах рабочей решетки происходит повышение давления, теплоперепад Н0р и степень реактивности р оказываются отрицательными. Отрицательная степень реактивности означает диффузорное

течение в рабочей решетке, что приводит к увеличению потерь энергии ^р. Поэтому следует ее избегать. Чаще всего отрицательная реактивность возникает в корневых сечениях рабочей решетки, а также при некоторых режимах, отличающихся от расчетного.

(где Ь—диаметр ступени).

проходя путь,

равный дуге гсобт. В большинстве случаев угол собт невелик, так что с достаточной степенью приближения можно им пренебречь.

Направление относительной скорости и>2 пара при выходе из лопаточного канала определяется углом выхода из рабочей решетки р2.

Относительная скорость и>2 может быть меньше или больше скорости н^. Под влиянием расширения пара в рабочей решетке происходит ускорение парового потока в его относительном движении. С другой стороны, потери при обтекании рабочей решетки вызываТот уменьшение скорости н2. В чисто активной ступени при р = 0 скорость и?2 всегда меньше и,, поскольку пар не приобретает ускорения, а потери имеют место.

Абсолютная скорость выхода пара из каналов рабочих лопаток определяется как сумма векторов относительной скорости уу2 и окружной скорости и2 и обозначается с2* Графически с2 находится из выходного треугольника скоростей, показанного на рис. 3.2.

Поворот и ускорение струи пара в криволинейных каналах рабочей решетки происходят под влиянием следующих усилий, действующих на паровую струю: во-первых, струя пара испытывает реактивное усилие стенок канала, образованного рабочими лопатками; во-вторых, пар, заполняющий канал, испытывает разность давлений р1—р2 при входе в канал и выходе из него. Если обозначить через Кг равнодействующую тех усилий, с которыми лопатки действуют на паровую струю, то струя пара развивает на лопатках усилие Л, равное, но прямо противоположное усилию Я (рис. 3.2).

При расчетах турбины обычно определяют проекции этого усилия на направление окружной скорости Ки и на перпендикулярное к ней осевое направление Ка.

Для того чтобы найти окружное усилие 7?ц, развиваемое потоком пара на лопатках ступени в направлении их движения, определим сначала равное, но противоположно направленное усилие Ки, с которым лопатки действую! на струю протекающего пара.

Это усилие может быть найдено на основании уравнения количества движения, записанного для оси и при массовом расходе пара, равном С, кг/с:

В выражениях (3.2) и (3.3) ! определим из треугольника скоростей (рис. 3.4).

Общее уравнение сохранения энергии (2.9), которое было использовано при выводе формулы (2.12), может быть применено также и к потоку пара в рабочей решетке. Однако в этом случае входящая в выражение (2.9) работа /,=#„, развиваемая потоком пара, не должна приниматься равной нулю, так как при протекании пара в рабочей решетке часть энергии пара преобразуется в механическую работу.

Применяя обозначения рис. 3.2 и 3.4 и предполагая, что в рабочей решетке пар расширяется от давления р^ до давления р2, напишем уравнение сохранения энергии при отсутствии теплообмена:

Отметим, что выражение (3.11) и другие, записанные на его основе, относятся к рассматриваемому частному случаю их=и2 = и. Если и^фиг, то вместо (3.11) следует написать

Из равенства (3.11) находим относительную скорость выхода пара:

Формулу (3.12) можно получить и другим путем, если ввести условные параметры торможения в относительном движении (см. /?1оти и Л1отн на рис. 3.3):

Если бы течение пара в рабочей решетке происходило без потерь, то расширение пара шло бы по изоэнтропе. Обозначая в этом случае относительную скорость выхода пара через и>2|, напишем для этого теоретического случая

В действительности из-за потерь в рабочей решетке относительная скорость выхода пара и>2 меньше, чем и>2г а к2 выше, чем к21. Вычитая из уравнения (3.14), записанного для изоэнтропийного течения, уравнение (3.11), находим разность

ранее выражение для работы, развиваемой потоком пара в рабочей решетке [см. формулы (3.7) и (3.8)], было выведено на основании закона количества движения, позволившего определить усилие, создаваемое паром на рабочих лопатках,

С другой стороны, работу парового потока можно подсчитать, вычитая из располагаемой энергии ступени потери, возникающие при протекании пара в отдельных элементах ступени. Располагаемой энергией ступени для С= 1 кг/с является ее располагаемый теплоперепад от параметров торможения (рис. 3.3)

а потерями — потери при обтекании сопловой Д#с и рабочей А Яр решеток, а также потери с выходной скоростью

Так как пар покидает ступень со скоростью с2 (рис. 3.2 и 3.4), которая в данной ступени не используется. Тогда

Следует подчеркнуть, что учитывались только те потери энергии в ступени, которые непосредственно связаны с течением пара в ее проточной части. Найденная ранее согласно (3.9) мощность ступени Nи, кВт, равная также

(где С—в кг/с, аЯ„ — в кДж/кг), называется мощностью на лопатках турбинной ступени (окружной мощностью). Кинетическая энергия, потерянная при обтекании паром сопловой и рабочей решеток, а также с выходной скоростью, древращается в теплоту и может быть учтена при построении процесса в Л, ^-диаграмме. На рис. 3.5, а детально изображен весь тепловой процесс в турбинной ступени в Л, ^—диаграмме.

Источник

Ступень турбины

Словарь ГОСТированной лексики . Составитель niccolo . 2010 .

Смотреть что такое «Ступень турбины» в других словарях:

Ступень турбины — 88. Ступень турбины D. Turbinenstufe E. Turbine stage E. Etage de turbine Совокупность соплового аппарата и расположенного за ним рабочего колеса Источник: ГОСТ 23851 79: Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Ступень турбины двухвенечная (трехвенечная) — Двухвенечная (трехвенечная) ступень турбины Ндп. Ступень скорости, Ступень Кертиса Ступень турбины, в которой пар в первом неподвижном ряду каналов расширяется до заданных параметров и образующаяся кинетическая энергия используется в двух (трех)… … Словарь ГОСТированной лексики

Ступень турбины радиальная — Радиальная ступень турбины Ступень турбины, в которой поток пара, совершая работу, движется в радиальном направлении по поверхностям, перпендикулярным оси вращения ротора турбины Смотреть все термины ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ.… … Словарь ГОСТированной лексики

Ступень турбины осевая — Осевая ступень турбины Ступень турбины, в которой поток пара, совершая работу, движется по поверхностям, близким к цилиндрическим Смотреть все термины ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Источник: ГОСТ 23269 78.… … Словарь ГОСТированной лексики

Ступень турбины радиально-осевая — Радиально осевая ступень турбины Ступень турбины, в которой поток пара, совершая работу, изменяет направление движения от радиального к осевому Смотреть все термины ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Источник: ГОСТ … Словарь ГОСТированной лексики

Ступень турбины регулирующая — Регулирующая ступень турбины Ступень турбины с изменяемым проходным сечением соплового аппарата Смотреть все термины ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Источник: ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ПАРОВЫЕ. ТЕРМИНЫ … Словарь ГОСТированной лексики

Осевая ступень турбины — 92. Осевая ступень турбины Осевая ступень D. Achsialstufe der Turbine E. Axial turbine stage F. Etage axial de turbine Ступень турбины ГТД, в которой газ движется по поверхностям, близким к цилиндрическим Источник: ГОСТ 23851 79: Двигатели… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

двухвенечная (трехвенечная) ступень турбины — Ндп. ступень скорости ступень кертиса Ступень турбины, в которой пар в первом неподвижном ряду каналов расширяется до заданных параметров и образующаяся кинетическая энергия используется в двух (трех) рядах вращающихся каналов, между которыми… … Справочник технического переводчика

Двухвенечная (трехвенечная) ступень турбины — 6. Двухвенечная (трехвенечная) ступень турбины Ндп. Ступень скорости Ступень Кертиса Ступень турбины, в которой пар в первом неподвижном ряду каналов расширяется до заданных параметров и образующаяся кинетическая энергия используется в двух… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

радиальная ступень турбины — Ступень турбины, в которой поток пара, совершая работу, движется в радиальном направлении по поверхностям, перпендикулярным оси вращения ротора турбины. [ГОСТ 23269 78 ] Тематики газовые и паровые турбины и двигатели Обобщающие термины термины и… … Справочник технического переводчика

Источник

Тема №2: Понятие ступени осевой турбины

При создании своих турбин Лаваль и Парсонс шли разными путями.

Отличительной особенностью турбин Лаваля было то, что расширение пара происходило только в соплах. Преобразование кинетической энергии струй пара на выходе из сопел в механическую энергию вращения ротора осуществлялось без дальнейшего расширения пара, а только за счет изменения направления потока в каналах рабочих лопаток (лопаток, закрепленных на колесе). Турбины, работающие по такому принципу получили название активных или импульсных.

Паровая турбина, предложенная Парсонсом существенно отличалась от турбины Лаваля.

Расширение пара в ней происходило не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состояла из неподвижных закрепленных в корпусе сопловых и рабочих лопаток, расположенных на роторе и вращающихся вместе с ним.

В каждой ступени срабатывался таким образом перепад давления, составляющий лишь часть полного перепада на турбину.

Именно это позволило работать с меньшими скоростями потока и частотами вращения ротора.

Кроме того, расширение пара в турбине Парсонса происходило не только в сопловой, но и в рабочей решетках. Поэтому рабочее колесо передавало усилие на ротор не только вследствие изменения направления потока пара, но и благодаря ускорению пара в каналах рабочего колеса, т.е. вследствие возникновения реактивного усилия.

Турбины такого типа (расширение пара в равной степени происходит в сопловом аппарате и рабочем колесе) получили название реактивных.

В настоящее время разница между активными и реактивными турбинами стерлась – и те и другие делаются многоступенчатыми. Однако конструктивные отличия сохраняются (об этом мы поговорим позже).

Как уже должно стать понятным, процесс расширения пара в турбине происходит в ряде последовательно расположенных друг за другом ступеней. Таким образом, ступень является важнейшим и основным элементом турбомашины.

Задачей инженера, проектирующего турбину, является такая организация потока в каждой отдельной ступени, при которой потери будут наименьшими, и тем самым обеспечить высокий КПД турбины в целом.

Это невозможно сделать без глубоких знаний процессов, происходящих в ступени турбомашины.

Изучением этих процессов мы и займемся в первой части нашего курса.

Преобразование энергии в турбинной ступени

Разберемся для начала с принципом работы турбинной ступени и процессами преобразования энергии, которые в ней протекают.

Турбинная ступень образуется из неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решеток, расположенных друг за другом по ходу движения рабочего тела.

В каждой решетке лопатки одинаковы, установлены под одним углом и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Далее мы будем рассматривать ступени только осевых турбомашин, которые получили наибольшее распространение при относительно больших мощностях агрегатов.

На рис. 2.1 снизу представлена схема осевой турбинной ступени.

У турбинной ступени принято различать следующие сечения ступени: 0–0 –перед СА; 1–1 – за СА; 1’–1’ – перед рабочим колесом, 2–2 – за рабочим колесом или за ступенью. Параметры потока (давления, температуры, скорости и др.) в этих сечениях отличаются индексами, соответствующими номеру сечения.

Каждый венец лопаток в ступени выполняет свои функции.

В сопловом аппарате (СА) потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию потока . Другими словами в сопловом аппарате увеличивается скорость потока за счет снижения давления и температуры рабочего тела.

В рабочем колесе ступени за счет обмена импульсами движения между потоком рабочего тела и лопаточным аппаратом рабочего колеса накопленная кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора . Кроме того, в РК продолжается преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока. Естественно, что оба эти процесс происходят одновременно.

Как видим, принцип преобразования энергии в турбинной ступени довольно прост. Вместе с тем, при более детальном рассмотрении процессов, протекающих в ступени, возникают некоторые нюансы, связанные с тем, что один венец лопаток неподвижен (СА), а другой вращается вместе с ротором (РК).

Кинематика турбинной ступени

Если мысленно рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью А–А (рис. 2.1) и развернуть на плоскость, то сечения лопаток представляются в виде рядов профилей, образующих решетки профилей соплового аппарата и рабочего колеса (рис. 2.2).

Подвод рабочего тела к сопловому аппарату, как правило, выполняется осевым, т.е. поточный угол a₀, под которым направлена скорость С₀, равен 90°. Скорость С ₀ – это скорость рабочего тела на входе в сопловой аппарат ступени.

Изогнутые межлопаточные каналы СА формируют сужающийся (конфузорный) канал ( > ) и тем самым обеспечивают увеличение скорости от до . Само сужение канала возможно только при условии, что a₁0. Поэтому этом поток в СА не только ускоряется, но и разворачивается. Таким образом на выходе из соплового аппарата скорость потока будет равна и направлена под углом a₁.

Скорость выхода пара из сопловой решетки наглядно изображается вектором С ₁. Однако на профили движущейся рабочей решетки пар будет поступать не под углом a₁ а под другим углом, так как решетка вращается с окружной скоростью U. В результате пар натекает на рабочие лопатки под углом b₁ с относительной скоростью W₁, равной разности векторов скоростей С ₁ и U.

Здесь используется правило теоретической механики, согласно которому абсолютная скорость ( ) равна сумме относительной ( ) и переносной скоростей ( ):

.

Построенные таким образом векторы образуют треугольник, часто называемый входным треугольником скоростей.

Для безударного обтекания потоком лопаток и во избежание срывов потока передние кромки РЛ необходимо ориентировать по направлению скорости .

Пар, поступив в каналы рабочей решетки, взаимодействует с ее профилями, создавая окружную силу, вращающую диск.

Каналы рабочего колеса также выполняются сужающимися – это позволяет реализовать дальнейшее преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока. Сужения канала можно добиться только при условии, что > , что возможно если задние кромки необходимо направить таким образом, чтобы .

Таким образом, в каналах РК поток рабочего тела разворачивается и ускоряется от скорости на входе до скорости на выходе из РК.

Покидает пар рабочую решетку с относительной скоростью W ₂, под углом выхода b₂.

Рис. 2.2. Плоские решетки профилей лопаточных венцов ступени: схема течения продуктов сгорания в ступени турбины и основные геометрические характеристики профилей лопаток:

, , , − площадь проходного сечения на входе и выходе межлопаточного канала в СА и РК соответственно

Абсолютная скорость выхода пара С₂ представляет собой сумму векторов W ₂ и U. Она будет составлять угол a₂ с плоскостью вращения. Полученный треугольник векторов скоростей называют выходным треугольником скоростей.

Здесь также используется правило теоретической механики, согласно которому абсолютная скорость ( ) равна сумме относительной ( ) и переносной скоростей ( ):

Полученные таким образом треугольники скоростей обычно совмещают и кратко называют треугольниками скоростей (рис. 2.3). Они позволяют лучше понять, каким образом в ступени внутренняя энергия пара превращается в работу.

Рис. 2.3. План (треугольники) скоростей осевой турбинной ступени

Таким образом, поток рабочего тела в турбинной ступени характеризуется рядом кинематических характеристик:

– абсолютная скорость потока на входе в ступень (СА);

a₀ – угол, с которым поток входит в ступень (СА) в абсолютном движении;

– абсолютная скорость потока на выходе из СА;

a₁ – угол выхода потока из СА в абсолютном движении;

– относительная скорость потока на входе в РК;

b₁ – угол входа потока в РК в относительном движении;

– относительная скорость потока на выходе из РК;

b₂ – угол выхода потока из РК в относительном движении;

– абсолютная скорость потока на выходе из ступени;

a₂ – угол выхода потока из ступени в абсолютном движении;

— окружная скорость рабочего колеса. Здесь — диаметр, котором определяется скорость, — частота вращения ротора.

Следует подчеркнуть, что абсолютные кинематические параметры потока определяются относительно неподвижного соплового аппарата.

Если те же самые скорости измерить относительно вращающегося рабочего колеса, то мы будем иметь относительные кинематические параметры.

Для треугольников турбинной ступени существуют соотношения, которые не могут быть нарушены, т.к. в противном случае ступень перестает выполнять свои функции:

и

.

Помимо приведенных выше кинематических параметров в теории турбомашин очень широкое распространение нашли проекции скоростей.

Всего выделяют два вида проекции: окружные (на ось u) и осевые (на ось a), см. рис. 2.3.

Окружные проекции используются при вычислениях мощностных показателей ступени (см. ниже). Приведем основные уравнения для их вычисления:

;

;

;

.

При этом окружные проекции обладают следующими свойствами:

;

.

Осевые проекции характеризуют расход рабочего тела через сечения ступени. Приведем основные уравнения для их вычисления:

;

.

В общем случае .

Треугольники скоростей занимают особое место в теории ступени турбомашин – по их характеру можно получить практически полную информацию о характеристиках ступени. А именно:

— вычислить работу, совершаемую ступенью, и ее мощность;

— вычислить КПД ступени;

— определить к какому типу относиться ступень: активному или реактивному;

— определить степень оптимальности той работы, которая приходится на данную ступень (недогружена или перегружена ступень);

— можно оценить форму профилей сопловой и рабочей лопатки.

Источник