Типовая комбинация КС-1А

Вид лопаток	Профиль	Угол выхода, град	Отношения площадей лопаток к площади соплового венца
Сопловые	ТС-2А	14-16
1-го рабочего венца	ТР-1	17-19	1,48-1,54
Направляющие	ТР-3Ак	23-25	2,4-2,5
2-го рабочего венца	ТР-4А	29-32	3,4-3,6

Подчеркнем, что, применяя конкретную типовую комбинацию, нельзя необоснованно менять рекомендуемые соотношения.

Как отмечалось выше, использование ступеней скорости значительно увеличивает возможности срабатывания больших перепадов давлений и энтальпий, однако максимальные значения кпд при этом уменьшаются по сравнению с кпд ступеней давления. Поэтому в кон­денсационных турбинах, большой мощности колеса скорости не используются. Основная область применения колес скорости - разнообразные приводные турбины относительно небольшой мощности (в тех случаях, когда выбор конструкции определяется необходимостью сра­ботать большой изоэнтропический перепад, даже если экономичность при этом страдает).

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕОГО ПРОЦЕССА СТУПЕНЕЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ПРИ НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

В предыдущих главах были даны определения коэффициентов рас­хода , , степени реактивности и коэффициента полез­ного дейстдия , а также рассмотрены связи последних двух ве­личин с отношением . Эти связи находились исходя из допущения, что при изменении одновременно меняется и отношение проходных площадей лопаточных венцов ступени .

Величины , , , и коэффициент расхода [l] являются основными характеристиками турбинной ступени. Поэтому не­обходимо объяснить физические причины их изменения на нерасчетных режимах реальной ступени, у которой проходные площади венцов и их отношение неизменны. Значительный объем информации о работе таких ступеней содержится в монографии [5], однако на не­которых затронутых в ней вопросах при проработке курса следует остановиться дополнительно.

5.1. Нерасчетные режимы работы одиночных ступеней

Одиночные ступени используется в приводных турбинах, во вспомогательных механизмах, транспортных машинах, экспериментальных воз­душных турбинах и т.п. Их особенностью является возможность менять режим работы за счет раздельного изменения параметров рабочей среды перед ступенью, противодавления и частоты вращения ротора. В зависи­мости от назначения одиночные ступени могут являться как дозвуковыми, так и сверхзвуковыми. Для простоты и наглядности начнем с рассмотре­ния первых.

Ступени с малыми дозвуковыми скоростями

Ограничивая и конкретизируя задачу, будем считать, что ступень имеет умеренное отношение , характерное для ЦВД и первых ступеней ЦСД паровых турбин, и полную степень впуска ( 1).

Проточная часть настолько хорошо уплотнена, что протечки в ступени отсутствуют. Кроме того, полагаем, что на переменных режимах рабо­тает одна и та же ступень, используя конкретную рабочую среду, свойства которой при переходе с режима на режим меняются не сущест­венно. На всех режимах число достаточно велико.

При таких допущениях теория подобия позволяет считать, что на всех режимах:

- ступень тождественна сама себе и геометрическое подобие соблюдается безоговорочно;

- имеет место неизменность числа и показателя адиабаты: , , а также автомодельность по числу ;

- влияние влажности отсутствует;

- 0,3, влиянием сжимаемости рабочей среды можно пренебрегать (изменение плотности не влияет на работу ступени), .

При сделанных допущениях основные характеристики ступени зависят только от числа Струхаля, или, как принято в теории турбинной ступени, от отношения . Рассмотрим его влияние на , , в рамках одномерной постановки задачи.

По определению коэффициент расхода соплового венца . Теоретический расход через венец находится по формуле (1.16).

С учетом выражений (2.5) и (2.6) действительный расход через сопловой венец

. (5.1)

Аналогично, с учетом формулы (2.18), действительный расход через рабочий венец:

. (5.2)

Пренебрегая сжимаемостью, примем . Для уплотненной ступени на любом режиме работы .

В условиях работы одиночной ступени отношение может изменяться и за счет окружной скорости рабочих лопаток и за счет изоэнтропического перепада на ступень, т.е. теоретической ско­рости . В целях простоты и наглядности допустим: , , . Заметим, что при этом относительная скорость входа потока на рабочий венец и . Запишем условие с учетом равенств (5.1) и (5.2) для двух близких по величине режимов. Величины, относящиеся к первому из них, при отношении , дополнительных обозна­чений не имеют. На втором режиме при отношении они имеит надстрочный индекс в виде штриха. Тогда при сделанных допу­щениях

, (5.3)

. (5.4)

В связи со сделанными допущениями коэффициенты расхода венцов не меняются при изменении режима: , . Поделив, левые и правые части уравнений (5.3) и (5.4), получим:

. (5.5)

Проанализируем полученное уравнение, в котором неизвестными и переменными являются величины и . Уравнение (5.5) тождественно удовлетворяется при , и . С изменением , , меняется и , т.е. при , . Примем для конкретности, что отношение изменяется так, что . Если одновременно допус­тить, что , то в уравнении (5.5) левая часть окажется меньше единицы, правая - больше единицы, чего не может быть. Учи­тывая, что , соотношение величин должно быть таким:

при и наоборот, при , .

Таким образом, с изменением режима работы ступени с малыми дозвуковыми скоростями, независимо от характера изменения отноше­ния , термодинамическая степень реактивности возрастает с уменьшением , и наоборот.

На рис.5.1 сплошными линиями представлены входные треугольники скоростей трех ступеней, имеющих следующие степени реактивности при исходных значениях : 0,2, 0,5, 0,7.

Пунктирными линиями на этом рисунке показаны треугольники скоростей ступеней, соответствующие условию . Как отмечено выше, рост отношения незначителен и осущест­влен за счет увеличения окружной скорости ступени . В связи с малостью разности , а следовательно, и изменения на рис.5.1 не учтено, что .

Из рис.5.1 видно, что в зависимости от угла на исходном режиме кинетическая энергия при увеличении может уменьшаться, оставаться неизменной или увеличиваться. Соответственно, не однозначным будет и изменение , как и следует из анализа формулы (5.6), Учитывая, что переменность величин и - след­ствие непостоянства отношения , можно сделать вывод, что при использованных допущениях (см. начало подзаголовка) =().

Оценим влияние на коэффициент расхода ступени . Действительный расход пара через ступень

. (5.6)

Расход пара через диафрагму определяется по выражению (5.1). Теоретический расход пара через ступень рассчитывается по формуле:

. (5.7)

Расходы пара через ступень и диафрагму равны: . Подставляя в формулу (5.6) вместо и правые части формул (5.1) и (5,7) и пренебрегая сжимаемостью, получаем:

.

Влияние отношения на коэффициент расхода , про­является через величину . Полуэмпирические зависимости, позво­ляющие определить изменение и по изменению можно найти в работе [5].

Перейдем к вопросу о кпд реальной ступени при изменении отношения .

Если ступень рационально спроектирована, то на расчетном режиме отношение должно соответствовать максимальному значению кпд на графике =(, ) для которого степень реактивности равна расчетной (см. рис.3.11). При отклонении режима от расчетного, например, при увеличении отношения , возрастает, одновременно становится больше и угол . В результа­те он отличается от безударного угла входа на решетку, при котором рабочие лопатки обтекаются на расчетном режиме, что приводит к рос­ту профильных потерь рабочего венца и снижению кпд ступени. Сказан­ное иллюстрируется рис.5.2. Показанный на нем входной треугольник скоростей построен с учетом уменьшения скорости с ростом , поскольку:

. (5.10)

Запишем еще раз условие равенства расхода рабочей среды через сопловой и рабочий венцы на расчетном и нерасчетном . При этом, как и ранее, влиянием сжимаемости будем пре­небрегать:

,

.

Полагаем, что углы выхода потока из лопаточных венцов при из­менении режима работы меняются мало: , . Учитывая формулу (5.10) и условие = const, получаем:

.

В соответствии с рис.5.2 >, >, >, т.е. при увеличении отношения реальной ступени с задан­ными геометрическими размерами возрастает величина потерь с выход­ной скоростью, что также снижает кпд ступени по сравнвнив со сту­пенью, в которой , .

Результирующая зависимость = () реальной сту­пени представлена на рис. 5.3. Из него следует, и опыты это подтверждают, что при < или > значения реальной ступени всегда меньше, чем соответствую­щие значения ступени с по­стоянной степенью реактивности.

Ступени с боль­шими дозвуковы­ми и

сверхзву­ковыми скорос­тями

При работе ступеней с большими дозвуковыми скоростями име­ют место все отмеченные выше за­висимости характеристик от отно­шения . Однако, в этих случаях 0,5-0,7, в связи с влиянием сжимаемости на тече­ние изменение реактивности с рос­том происходит более ин­тенсивно, чем при малых дозвуко­вых скоростях. По этой же причине характеристики ступени оказываются зависящими не только от , но и от приведенной скорости , или при от отношения . Когда этот параметр принимает значение 0,8-0,9, на поверхностях межлопаточных каналов возможно возникновение местных сверхзвуковых скоростай. Последующий переход к докритическим течениям осуществляется в скачках уплотне­ния, в связи с чем на характеристики ступани, наряду с и , влияет и показатель адиабаты .

Ступени со сверхзвуковыми скоростями часто используются в при­водных турбинах вспомогательных механизмов, а в современных энерге­тических турбинах работают в качестве регулирующих ступеней ЦВД, и последних ступеней ЦНД. И в том, и в другом случае при неизменных свойствах рабочей среды определяющее влияние на характеристики турбинной ступени оказывает , или отношение давлений . В последних ступенях ЦНД, при работе в области влажного пара немало­важную роль играет и степень сухости. Во всех случаях проектирования ступеней с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями следует ориентироваться на их экспериментальные характеристики, или характеристики подобных, ступеней. Такие материалы приведены, например, в работе [5].

5.2. Нерасчетные режимы ступеней паровой турбины

Дата добавления: 2014-01-14