Выбор характеристик и расчет турбинной ступени
Характеристики турбинной ступени
При расчете турбинной ступени требуется выбрать ее размеры, форму профилей сопловых и рабочих решеток, высоты решеток, углы их установки, конструкцию бандажей рабочих лопаток и зазоры, так чтобы ступень удовлетворяла требованиям экономичности и обеспечивала надежную работу. .Одновременно с определением всех основных размеров ступени необходимо с большой точностью оценить ее КПД.
При проектировании новых турбин, как говорилось, рекомендуется в максимальной степени использовать приведенные в атласах и нормалях профили, что позволяет наиболее уверенно рассчитать ступени, а также разумно ограничить число турбинных профилей и тем самым улучшить организацию производства турбинных лопаток.
В отдельных случаях приходится прибегать к построению совершенно новых профилей.
Расчет ступеней по среднему диаметру выполняется или как первое приближение для любых ступеней, или как окончательный для ступеней с лопатками постоянного по высоте профиля и малой веериости (обычно с 10-И5).
При расчете турбинной ступени следует считать заданными величины:
, а также
направление потока при входе в ступень (угол а0);
частоту вращения п.
Ряд величин должен быть выбран на основании предварительных соображений; сюда, например, относятся такие величины, как:
степень реактивности р;
отношение скоростей и/сф.
Кроме того, если рассчитывается одна из промежуточных ступеней многоступенчатой турбины, то ее размеры (диаметр, входные и выходные высоты лопаток) должны рационально вписываться в проточную часть всей турбины.
В результате расчета должны быть зафиксированы выбираемые для ступени профили и их расположение (установочные углы).
На основании уравнений неразрывности, а также с учетом надежности должны быть назначены размеры проточной части и выбраны ширина и шаг профилей в сопловой и рабочей решетках. Должен быть также построен процесс в /г, л-диаграмме и должны быть подсчитаны мощность и КПД ступени.
Рассмотрим последовательность расчета ступени.
Выбор степени реактивности
В настоящее время паровые турбины выпускаются со ступенями двух типов —активного (так называемые диафрагмен-ные) и реактивного. Конструкции этих ступеней представлены на рис. 3.1. Поскольку разный тип ступени требует своеобразного конструктивного исполнения всей турбины и особой технологии изготовления, совмещение этих типов в продукции одного завода (фирмы) обычно не встречается. В то же время так называемая регулирующая ступень (см. § 1.2) выполняется активной независимо от типа турбины, а последние ступени активных конденсационных турбин обычно проектируются реактивными.
Таким образом, проектирование ступени начинается с выбора типа ступени. Активные ступени проектируются с р = 0,05-г 0,25, причем, как будет объяснено ниже, в § 3.4 и 3.5, чем меньше отношение с///, тем большей выбирается величина р. Если по каким-либо причинам ступень проектируется с расположением сопловых лопаток не по всей окружности (так называемый парциальный подвод, см. § 4.2), то степень реактивности такой ступени должна выбираться небольшой: р = 0,02-0,12.
перерабатывается в сопловой решетке, располагаемой в диафрагме (см. рис. 3.1, а). Профили сопловых и рабочих лопаток такой ступени существенно отличаются друг от друга. В рабочей решетке происходит незначительное ускорение потока при большом угле его поворота.
В ступени реактивного типа при р%0,5 характер обтекания сопловых и рабочих решеток практически одинаков, и сами профили по своей форме геометрически подобны. Часто эти профили имеют одинаковые размеры (хорду, кромку и т. д.).
Выбирая степень реактивности, следует учитывать, что с увеличением р улучшается обтекание рабочей решетки, где поток становится более конфузорным. В связи с этим относительный лопаточный КПД возрастает. При этом за счет увеличения перепада на рабочую решетку большая доля пара проходит помимо нее, через зазоры, снижая тем самым эффективность ступени (см. § 4.3). Особенностью ступени с повышенной степенью реактивности является увеличение усилия, действующего на лопатки и диск в осевом направлении. Во многих турбинах это приводит к дополнительному усложнению конструкции ступени и даже всей турбины и может отрицательно сказаться на экономичности.
Следует подчеркнуть, что с повышением степени реактивности уменьшается оптимальная величина располагаемого теплоперепада [см. формулу (3.33)] и тем самым возрастают число ступеней и стоимость турбины. Таким образом, в конечном счете выбор степени реактивности р является технико-экономической задачей.
Выбор отношения скоростей г//сф
обеспечивающее мак-
и потери с выходной
в ступени возникают дополнительные потери.
Чем больше дополнительные потери, тем ниже оптимальное отношение скоростей (см. гл. 4).
, позволяющее при той же окружной
скорости переработать больший теплоперепад в ступени, с одной стороны, снижает КПД, а с другой — уменьшает число ступеней или диаметр ступени и тем самым удешевляет изготовление турбины.
Для некоторых ступеней турбины важным фактором, определяющим выбор ы/сф, является работа в условиях переменного режима.
Источник
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