Ступень высокого давления турбины

Ступень высокого давления турбины

Главное меню

Судовые двигатели

В турбине со сту­пенями давления пар расширяется от начального давления р ₀ до конечного р ₂ в ряде последовательно расположенных ступеней.

На рис. 5 показана схема активной турбины с тремя ступенями давления. Рабочие диски 7 насажены на общий вал 8 и отделены один от другого неподвижными диафрагмами, в которых установ­лены сопла промежуточных ступеней. Сопла 1 первой ступени за­креплены в корпусе турбины. Свежий пар давлением р ₀ , скоро­стью с ₀ подводится к соплам первой ступени, в которых расши­ряется до давления р ₁ ; скорость пара увеличивается до значения c ₁ . С этой скоростью пар вступает на рабочие лопатки 2 первой ступени и, отдавая им свою кинетическую энергию, приводит их и диск турбины в движение. При этом скорость пара уменьшается до значения с ₂ ’, давление же пара па рабочих лопатках остается постоянным. Подобный процесс происходит в соплах 3, 5 и па ра­бочих лопатках 4, 6 последующих ступеней, где давление пара понижается. Этот процесс легко проследить по кривым изменения давления и скорости пара (см. рис. 5). Благодаря распределению теплоперепада между отдельными ступенями в таких турбинах можно достичь высокой экономичности при умеренных окружных скоростях. Ступени давления применяют как в активных, так и в реактивных турбинах, и они наиболее распространены в совре­менных главных судовых турбинах.

Из рассмотренных схем активных турбин можно сделать вы­вод, что ступени скорости — более эффективное средство пониже­ния наивыгоднейшей окружной скорости, чем ступени давления, так как они понижают ее пропорционально принятому числу сту­пеней скорости, тогда как ступени давления понижают окружную скорость прямо пропорционально корню квадратному из числа ступеней давления. Отсюда следует, что две ступени скорости эк­вивалентны четырем ступеням давления, а три ступени скорости эквивалентны девяти ступеням давления и т. д. Однако сущест­венным недостатком турбин со ступенями скорости является их относительно низкий к. п. д., по сравнению с турбиной со ступе­нями давления; эффективный к. п. д. турбины с двумя ступенями скорости составляет 0,55—0,65 против 0,7—0,8 в турбинах со сту­пенями давления.

Источник

Многоступенчатые паровые турбины

Рассмотренные выше паровые турбины , состоящие только из одной ступени (активной или реактивной), способны срабатывать с достаточно высоким КПД относительно небольшие теплоперепады: 30 ÷ 400 кДж/кг. В современных котлотурбинных установках, работающих на высоких начальных параметрах пара (p₀ = 4,5 ÷ 8,0 Мпа, t₀ = 350 ÷ 515 °C), в главных турбинах срабатываются значительно бóльшие значения теплоперепадов. При указанных параметрах пара и с учетом конечного давления в главном конденсаторе:p_ГК = 0,002 МПа, значения теплоперепадов, срабатываемых главными турбинами в КТЭУ, достигают величин 1000 ÷ 1700 кДж/кг. В принципе сработать такие теплоперепады в одноступенчатой турбине возможно, но скорость потока пара в проточной части при этом становится недопустимо большой (около 1500 м/с), значительно увеличивается частота вращения ротора турбины, возрастают потери с выходной скоростью, снижается КПД турбины и установки в целом. Определенные ограничения накладываются также условиями прочности рабочих лопаток, дисков и роторов турбин, работающих с высокими частотами вращения.

Избежать перечисленных неприятных явлений, снизить скорости вращения турбин и повысить их КПД можно, если использовать многоступенчатые паровые турбины.

Двухвенечная турбинная ступень

Идея применения двухвенечной турбинной ступени (рис. 45) состоит в том, что на одном диске активной турбины располагают два ряда рабочих лопаток. Между рядами рабочих лопаток устанавливается неподвижный ряд направляющих лопаток, в котором происходит поворот потока пара и направление его под оптимальным углом на следующий за ним ряд рабочих лопаток. Таким образом потенциальная энергия пара полностью преобразуется в кинетическую в сопловом аппарате, а затем, последовательно проходя два ряда рабочих лопаток, преобразуется в механическую работу.

В двухвенечной ступени пар с начальными параметрами p₀, t₀ и скоростью c₀ поступает в каналы соплового аппарата – С , где происходит его расширение. При расширении пара его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом абсолютная скорость потока пара на выходе из соплового аппарата увеличивается до значения c1-1 , а давление снижается до величины p1 . После выхода из соплового аппарата поток пара направляется на рабочие лопатки первого ряда – Р1. При обтекании паром рабочих лопаток и повороте его в межлопаточных каналах на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Расширения пара на рабочих лопатках не происходит, его давление остается постоянным, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины c_2-1 . В направляющих лопатках – Н , следующих за первым рядом рабочих лопаток, происходит поворот потока пара (без расширения) и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки второго ряда – Р2 . При этом из-за потерь энергии происходит некоторое снижение абсолютной скорости пара на выходе из неподвижного ряда лопаток до величины c_1-2 . В межлопаточных каналах рабочих лопаток второго ряда – Р2 расширения пара и изменения его давления не происходит, кинетическая энергия пара окончательно преобразуется в механическую работу, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины c_2-2 .

Так как процесс расширения пара в двухвенечной ступени происходит только в сопловом аппарате, то весь располагаемый теплоперепад h_a срабатывается в соплах: h_a = h_ac. На диаграмме i — s теоретический процесс расширения пара в соплах показан линией A₀ — A_ct . Из-за наличия потерь энергии действительный процесс расширения пара протекает по линии A₀ — A_c. Дальнейшее преобразование энергии пара на рабочих и направляющих лопатках происходит изобарно. Точки на диаграмме соответствуют:

• А_Сt – параметрам пара за соплами при теоретическом расширении пара;
• А_С – действительным параметрам пара на выходе из соплового аппарата;
• А_Р1 – действительным параметрам пара на выходе из первого ряда рабочих лопаток;
• А_Н – действительным параметрам пара на выходе из неподвижного ряда направляющих лопаток;
• А_Р2 – действительным параметрам пара на выходе из второго ряда рабочих лопаток;
• А_В – действительным параметрам пара на выходе из двухвенечной ступени.

Рассмотренные двухвенечные турбинные ступени называют ступенями скорости из-за того, что при течении потока пара в каналах лопаток не происходит изменения его давления, а изменяется только скорость потока. Ступени скорости способны срабатывать значительные теплоперепады с относительно высоким КПД. По этой причине двухвенечные турбинные ступени часто применяют в турбоприводах вспомогательных механизмов, в качестве турбин заднего хода и первой регулировочной ступени главных турбин.

В более редких случаях нашли применение трехвенечные ступени скорости, состоящие из соплового аппарата, трех рядов рабочих лопаток, расположенных на одном диске, и двух неподвижных рядов направляющих лопаток, расположенных между рабочими. Принцип действия их аналогичен рассмотренной выше двухвенечной ступени скорости: пар полностью расширяется в сопловом аппарате и затем последовательно проходит через ряды рабочих и направляющих лопаток. Трехвенечные ступени скорости способны срабатывать еще бóльшие значения теплоперепадов и (при определенных условиях) с еще бóльшим значением КПД, чем двухвенечные.

Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота устройства и небольшие размеры. Существенным недостатком – относительно низкий КПД.

Впервые идея использования многоступенчатой паровой турбины была предложена английским инженером Парсонсом в 1884 году. Парсонс предложил всю располагаемую энергию пара разделить на несколько частей и срабатывать каждую часть в отдельных турбинных ступенях, расположенных последовательно одна за другой на одном общем валу.

Многоступенчатые турбины конструктивно могут исполняться активными (рис. 46.а), реактивными (рис. 46.б) и сочетающими в себе как активные, так и реактивные ступени – турбины смешанного типа (рис. 47).

С точки зрения надежности и экономичности бесцельно искать преимущества и недостатки одного типа турбин перед другим. Активная ступень, при прочих равных условиях, способна сработать вдвое больший теплоперепад, чем реактивная. Поэтому при одинаковых начальных и конечных параметрах пара активная многоступенчатая турбина будет иметь вдвое меньшее число ступеней, чем реактивная, что значительно сокращает длину ротора и массогабаритные показатели турбины. Но при этом длина активной ступени несколько больше, чем реактивной. Роторы активных турбин в силу своей конструкции имеют меньшую массу, поэтому маневренные качества активных турбин выше, чем реактивных. Но барабанные роторы реактивных турбин более просты и технологичны в изготовлении, хотя имеют худшие массогабаритные показатели, допускают более медленный прогрев при пуске и менее надежны при резкой смене режимов работы. В активных турбинах подвод пара производится через сопловый аппарат, разделенный на несколько групп. Как правило, каждая группа сопл имеет индивидуальный подвод пара, что облегчает регулирование мощности и числа оборотов турбины. Чисто реактивные турбины выполняются только с полным подводом пара по всей окружности, что существенно затрудняет процесс регулирования мощности. По этой причине в реактивных многоступенчатых турбинах в качестве первой ступени часто применяют одно- или двухвенечную активную регулировочную ступень с сопловым подводом пара. Применение двухвенечной регулировочной ступени позволяет сработать значительный теплоперепад уже в первой ступени турбины, и тем самым уменьшить общее число ступеней турбины и снизить параметры пара перед последующими ступенями.

В реактивных турбинах значения давления пара перед рабочими лопатками и за ними неодинаковы, вследствие чего возникает значительная осевая сила, воздействующая на ротор реактивной турбины и направленная со стороны впуска пара в сторону выхлопного патрубка. Для уменьшения осевых усилий, воздействующих на ротор реактивной турбины и ее упорный подшипник, применяются разгрузочные устройства – думмисы.

Конструктивные особенности и характер изменения давлений и скоростей пара в многоступенчатых турбинах показаны на рис. 46.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

Источник

Многоступенчатые турбины со ступенями скорости и ступенями давления.

Значительно увеличить единичную мощность паровой турбины, сохранив умеренную частоту вращения, позволяет применение многоступенчатой турбины. Она представляет собой ряд одноступенчатых турбин, расположенных последовательно друг за другом и работающих на общий вал. Все ступени располагаются в одном или нескольких корпусах и отделены друг от друга перегородками-диафрагмами. Расширение пара осуществляется последовательно в каждой ступени, давление пара снижается после каждой ступени, а скорости пара остаются примерно одинаковыми, что достигается выбором соответствующего размера сопла.(направляющего аппарата)

Поскольку объем пара по мере его расширения увеличивается площади сечения и высота направляющих и рабочих лопаток возрастает от первой ступени к последней. Поэтому многоступенчатые турбины имеют слегка коническую форму. Например, высота лопаток первой ступени может быть 10÷15 мм, а последней 500 мм и более.

По мере совершения работы вместе с давлением уменьшается и температура пара. Перегретый пар превращается в сухой насыщенный, а затем и во влажный. С последней ступени отработавший пар поступает в конденсатор.

Достоинствами многоступенчатых турбин являются: возможность достижения значительной мощности одного агрегата, малые габариты по сравнению с ДВС той же мощности; невысокая шумность; незначительный расход смазочных материалов.

Активная и реактивная ступени называются ступенями давления.

Активная турбина с тремя ступенями давления:

а – схема: 1 – сопла первой ступени; 2,4,6 – рабочие лопатки;

3 – сопла второй ступени; 5 – сопла третей ступени; 7 – диск;

6 – графики изменения давления и скорости пара

Реактивная турбина со ступенями давления

К преимуществам турбин со ступенями давления можно отнести: высокую экономичность, значительное снижение частоты вращения, обеспечение практически любой заданной мощности. Это позволяет применить их в качестве главных и вспомогательных турбоагрегатов.

Если скорость потока за рабочими лопатками активной ступени велика, то для использования кинетической энергии рабочего тела устанавливают еще один или два венца рабочих лопаток и между ними располагают дополнительные направляющие аппараты, которые служат для разворота паровой струи направления ее на очередной ряд рабочих лопаток, расширения пара на направляющих лопатках практически не происходит.

Подобные ступени носят название ступеней скорости.

Как видно из графика, имеется только один сопловой аппарат, где пар расширяется до определенного давления и приобретает очень большую скорость. Вследствие преобразования кинетической энергии в механическую работу скорость пара на рабочих лопатках первой ступени понижается, от С₁ до С₂, на лопатках второй ступени от С₁ ΄ до С₂ ΄ .

Активная турбина с двумя ступенями скорости:

2- первый ряд рабочих лопаток

3- неподвижные направляющие лопатки

4- второй ряд рабочих лопаток

6- графики изменения давления и скорости пара

в- часть двухвенечного колеса

Турбины со ступенями скорости просты по конструкции, имеют меньшую массу, габариты, стоимость, удобны в обслуживании. Существенным недостатком является низкая экономичность, поэтому их применяют в агрегатах, работающих непродолжительное время: турбинах и ступенях заднего хода, привода насосов, в качестве первой регулировочной ступени в многоступенчатых турбинах.

Поскольку на рабочих лопатках реактивной турбины создается перепад давлений, то на ее ротор воздействует значительная осевая сила, называемая аксиальной. Для ее уменьшения со стороны: пара на роторе устанавливают разгрузочное устройство — думмис. Кроме того, для компенсации осевых усилий, возникающих от действия аксиальных сил, реактивные турбины могут быть выполнены двухпроточными.

Схемы двухпроточных реактивных турбин :

а- с расходящимся потоком пара б- со сходящимся потоком

Источник