II. Принцип действия паровой турбины

Простейшая одноступенчатая активная турбина (рис.1) состоит из диска с рабочими лопатками, насаженного на вал, образуя таким образом ротор, и из соплового аппарата – сопл, которые служат для превращения потенциальной энергии пара в кинетическую энергию вытекающей струи пара. Пар из котла поступает в камеру регулирующего клапана. Он меняет расход пара через турбину, а следовательно, и ее мощность. В соплах пар разгоняется, его потенциальная энергия h₀ = f (Р₀,t₀) преобразуется в кинетическую энергию разогнанной струи пара (с₁²/2).Пар из сопла направляется на рабочие лопатки, приводя во вращение ротор (кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу на вращающемся роторе). Для предотвращения утечек пара из турбины предусмотрены концевые уплотнения. Вал турбины соединен с валом генератора посредством муфты.

Рис.1: 1 – корпус; 2 – сопло; 3 – рабочие лопатки; 4 – диск; 5 – вал;

6 – концевые уплотнения; 7 – муфта; 8 – регулирующий клапан.

1. Принцип действия активной турбинной ступени.

Ступень турбины (турбинная ступень) – совокупность неподвижного ряда сопловых (направляющих) лопаток, в каналах которых ускоряется поток пара, и подвижного ряда рабочих лопаток, в каналах которых энергия движущегося пара преобразуется в механическую работу на вращающемся роторе по преодолению сил сопротивления приводимой машины (электрогенератор) и сил трения (т.е. внутренних сил сопротивления).

На рис. 2 изображен схематический чертеж турбинной ступени осевого типа, продольный разрез вдоль оси ротора.

Рис. 2:

u – окружная скорость; c₁ – абсолютная скорость выхода потока пара из сопл; α₁ – угол выхода потока из сопла; w₁ – относительная скорость выхода или скорость натекания на рабочие лопатки; β₁ – угол направления скорости w₁; c₂ - абсолютная скорость выхода из рабочих лопаток; w₁ – относительная скорость выхода из рабочих лопаток.

Активное усилие получается под действием поворота потока.

В активной ступени Р₂ = Р₁, т.е. расширения пара в каналах рабочих лопаток не происходит. w₂ < w₁, т.к. прохождение пара в рабочих лопатках сопровождается потерями. Энтальпия i(h) пара при прохождении им рабочих лопаток возрастает из-за потерь в них i₂ > i₁.

Направление потока под углом α₁задается соответствующей. формой и углом установки α_у сопловых лопаток.

Рабочие лопатки вращаются с окружной скоростью u, которая зависит от диаметра d и от частоты вращения ротора n:

За счет поворота потока и расширения рабочего тела на рабочих лопатках создается усилие и, следовательно, крутящий момент на роторе. За счет поворота потока пара в каналах рабочих лопаток создается активная часть усилия (для чисто активных ступеней), а за счет ускорения потока в тех же каналах – реактивная часть усилия, действующего на рабочие лопатки.

2. Принцип действия реактивной ступени.

Расширение пара происходит не только в соплах, но и в каналах рабочих лопаток с одинаковой степенью расширения. В реактивной турбине применяется барабанная конструкция ротора – нет диафрагм и дисков.

Рис.3: 1 – ротор; 2 – корпус; 3 – разгрузочный поршень; 4 – выхлопной

патрубок; 5 – сопло; 6 – рабочая лопатка.

Треугольники скоростей 1 и 2 одинаковые, углы β₁ и α₂ близки к 90º.

Благодаря расширению пара в рабочих лопатках создается ускорение потока в их каналах в относительном движении, а следовательно, появляется реактивная сила, которая создает окружное усилие на рабочих лопатках. В этом случае на них возникает как активная сила (за счет поворота потока), так и реактивная. Рабочие лопатки испытывают на себе большую разность давлений (Р₁ – Р₂), что приводит к возникновению осевых усилий, стремящихся сместить ротор в осевом направлении.

В реактивных ступенях предусматривают специальные устройства, которые воспринимают на себя часть осевого усилия. Частично осевые усилия воспринимаются упорным подшипником.

Абсолютная скорость потока на рабочих лопатках уменьшается с С₁ до С₂, а относительные скорости увеличиваются с w₁ до w₂.

Уменьшение С связано с тем, что часть кинетической энергии превращается в механическую энергию вращения рабочих лопаток. Работа 1 кг пара на рабочих лопатках будет пропорциональна разности α_u ≡ С₁² – С₂².

Увеличение w обусловлено градиентом давлений (Р₁ – Р₂) – ускорение парового потока в относительном движении, создает на рабочих лопатках реактивное усилие R_P.

Таким образом, в реактивной ступени используются как активный принцип действия, так и реактивный.

По своей эффективности реактивные турбины подобны активным.

Если степень расширения пара в рабочих лопатках и соплах одинакова, то и их Δ скоростей равны между собой.

Если эти равенства соблюдаются, то профили сопловых и рабочих лопаток берутся одинаковыми.

Реактивная турбина при одинаковых начальных и конечных параметрах имеет в 1,5 раза большее число ступеней, чем активная.

3. Степень реактивности ступени.

Рассмотрим изоэнтропный процесс расширения пара в ступенях с различной степенью реактивности:

Рис.4 1.) ρ = 0 2.) ρ > 0 3.) ρ = 0,5

В общем случае располагаемый теплоперепад ступени Н₀ распределяется между сопловой и рабочей решетками:

Отношение располагаемого теплоперепада рабочей решетки к теплоперепаду ступени, подсчитанному от параметров торможения, называется степенью реактивности ступени:

При ρ = 0 – ступень чисто активная, расширение пара только в соплах, каналы рабочей решетки имеют постоянное проходное сечение.

Ступени с ρ = 0 – 0,25 называются активными.

Ступени с ρ ≥ 0,5 называются реактивными.

Разделение ступеней на активные и реактивные условно и справедливо только для ступеней с малой веерностью b/d, т.е. для ступеней с короткими по сравнению с диаметром решетки лопатками.

В случае длинных лопаток (лопатки последних ступеней) параметры пара изменяются по высоте, и может получиться, что в корневом сечении ρ ≈ 0, а в периферийном ρ ≥ 0,5. В этом случае говорят не о степени реактивности ступени, а о степени реактивности участка ступени.

4. Ступень скорости (двухвенечная ступень).

В рассмотренной выше активной ступени при оптимальном отношении скоростей перерабатываются сравнительно небольшие тепловые перепады Н₀ = 30 ÷ 100 кДж / кг. Ограничение перерабатываемого теплоперепада обусловлено допустимыми окружными скоростями рабочих лопаток, условиями прочности диска, технологией изготовления ротора турбины.

Чтобы уменьшить потери с выходной скоростью С₂ за рабочими лопатками устанавливают направляющие лопатки, с помощью которых поток поворачивается и направляется под необходимым углом во второй ряд рабочих лопаток.

Ступень, в которой расширение пара происходит в основном в сопловой решетке, а использование кинетической энергии пара в двух рядах (венцах) рабочих лопаток, называется двухвенечной.

Рис.5:

1 – сопловой аппарат;

2 – первый ряд рабочих лопаток;

3 – направляющие лопатки;

4 – второй ряд рабочих лопаток;

5 – диск;

С₁ – абсолютная скорость выхода из сопл;

С₂ – абсолютная скорость выхода из рабочих лопаток первого ряда;

С₂ → С₁’ – потеря энергии на направляющих лопатках;

C₂’ - абсолютная скорость выхода пара из ступени;

Из рис.5 видно, что пар покидает второй ряд рабочих лопаток со скоростью С₂ ’ << C₂. Таким образом, потери с выходной скоростью в двухвенечной ступени при малом отношении скоростей u /с_ф невелики. Следовательно, в двухвенечной ступени перерабатывается большой теплоперепад при умеренных окружных скоростях и при малых потерях с выходной скоростью, т.е. с относительно высоким КПД. В двухвенечной ступени срабатывается теплоперепад примерно в 4 раза больший, чем в одновенечной.

В двухвенечной ступени имеются дополнительные потери в направляющем аппарате (ΔН_н) и втором ряду рабочих лопаток (ΔН_р’).

Рис.6

Дата добавления: 2014-01-20