IX. Многоступенчатые турбины

1. Необходимость многоступенчатой конструкции.

Располагаемый теплоперепад турбины, зависящий от начальных (Р₀, t₀) и конечных параметров (Р_к), для современных конструкций составляет 800 ÷ 1800 кДж / кг. Создать экономичную одноступенчатую турбину при таких теплоперепадах и достигнутом в настоящее время уровне прочности металлов невозможно. Так скорость пара на выходе из сопл в этом случае достигала бы . Для экономичной работы такой одноступенчатой турбины необходимая окружная скорость рабочих лопаток на среднем диаметре при оптимальном отношении скоростей u / c_ф = 0,5 должна составить u = (750 ÷ 1000) м/с.

Обеспечить прочность ротора и рабочих лопаток при таких окружных скоростях практически невозможно. Кроме того, число Маха в потоке пара в этом случае составит М = 3 ÷ 4, что повлечет за собой большие волновые потери энергии в потоке.

Условия прочности вращающегося ротора в области высоких температур ограничивают окружную скорость величиной u = 180 ÷ 200 м/с.

Если принять , то скорость потока должна быть равна С_ф = u / x_p = 200 / 0,5 = 400 м/с и таким образом максимальный теплоперепад, который возможно переработать в одной ступени с достаточной экономичностью, составит:

Это значение значительно меньше располагаемого теплоперепада всей турбины, что и предопределяет ее многоступенчатую конструкцию.

2. Преимущества многоступенчатой турбины.

1.) С применением значительного числа ступеней можно для каждой ступени выбрать такой небольшой теплоперепад, чтобы при умеренных окружных скоростях обеспечить оптимальные значения u / c_ф, при которых КПД отдельных ступеней достигает максимального значения.

2.) Уменьшение теплоперепада ступени и связанное с этим уменьшение диаметра ступени (при заданной частоте вращения)

приводят к увеличению высот лопаток , а это, соответственно, приводит к снижению концевых потерь в решетке, что существенно повышает КПД ступени. Кроме того, увеличение высоты сопловых и рабочих лопаток приводит к снижению протечек пара в зазоры по бандажу и по корню рабочих лопаток.

3.) В многоступенчатой турбине энергия выходной скорости предыдущей ступени используется в сопловых лопатках последующей ступени, повышая, таким образом, располагаемую энергию последующей ступени. Поэтому потери энергии с выходной скоростью в промежуточных ступенях равны нулю. Выходная скорость теряется полностью обычно в регулирующей и в последних ступенях турбины и ее отдельных цилиндров.

4.) В многоступенчатой турбине тепловая энергия потерь предыдущих ступеней частично используется для выработки полезной энергии в последующих ступенях за счет явления возврата теплоты в турбине.

5.) Конструкция многоступенчатой турбины позволяет осуществить отборы пара для регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара, что существенно повышает абсолютный КПД турбины.

Рис.1. Диаграмма отборов пара турбины К – 800 – 240 ЛМЗ.

3. Недостатки многоступенчатой турбины.

1.) С увеличением числа ступеней усложняется конструкция турбины, и возрастает стоимость ее изготовления. Для мощных энергетических турбин это окупается за счет повышения КПД турбоустановки.

2.) В многоступенчатой турбине возрастают потери от утечек пара через переднее концевое уплотнение, и возникают утечки в диафрагменных уплотнениях. Чем больше турбина имеет ступеней, тем выше давление пара перед передним концевым уплотнением. Кроме того, общий КПД турбины снижают потери энергии в перепускных паропроводах между корпусами турбины, а также гидравлические потери энергии в стопорных и регулирующих клапанах, устанавливаемых перед турбиной и перед ЧСД в турбинах с промперегревом пара.

4. Коэффициент возврата теплоты.

Одним из преимуществ многоступенчатой конструкции является использование части потерь энергии предыдущих ступеней в виде полезной работы в последующих ступенях.

Потери энергии переходят в теплоту и, таким образом, повышают энтальпию пара за ступенью. В области перегретого пара это приводит к повышению температуры пара за ступенью, а в области влажного пара к увеличению степени сухости пара х.

Проанализируем процесс расширения пара в h-s диаграмм

При внимательном рассмотрении h-s диаграммы можно убедиться в том, что с увеличением энтропии s вертикальные расстояния между изобарами увеличиваются. Применительно к расширению пара в проточной части турбины это означает, что реальный располагаемый теплоперепад некоторой ступени больше, чем располагаемый теплоперепад этой же ступени при протекании процесса расширения по изоэнтропе 0 – к . Таким образом, сумма

Рис.2.

располагаемых теплоперепадов всех ступеней за счет возникающих в них потерь оказывается больше, чем располагаемый теплоперепад турбины , и потери энергии как бы частично возвращаются (3÷5 % располагаемого теплоперепада). Это явление называют возвратом теплоты.

Вернемся к рис.2. использованный теплоперепад отдельной ступени Н_i можно представить в виде:

.

Тогда для всей турбины:

.

Если предположить, что КПД всех ступеней одинаковы , то:

,

где Q_в.т. – часть теплоты, вызванной потерями в ступенях, которая может быть использована в последующих ступенях.

Сравнивая два выражения для , получим выражение для определения КПД всей турбины :

,

где - коэффициент возврата теплоты, определяющий долю потерь, которая может быть использована в последующих ступенях турбины.

Для приближенной оценки коэффициента возврата теплоты можно воспользоваться формулой:

,

где k_в.т. = 4,8 ·10^-4 для ступеней, работающих в перегретом паре;

k_в.т. = 2,8 ·10^-4 для ступеней, работающих во влажном паре;

k_в.т. = (3,2 ÷ 4,3) ·10^-4 для групп ступеней, часть которых работает в области перегретого пара, а часть в области влажного пара.

5. Потери энергии в паровпуске и в выходном патрубке турбины.

Прежде, чем пар поступит к соплам регулирующей ступени, он проходит стопорный и регулирующий клапаны, в которых происходит потеря давления и, таким образом, потеря энергии.

Потеря энергии в паровпуске - .

Рис.3.

При правильно выполненном стопорном клапане и элементах паровпуска потеря давления на расчетном не превышает 3÷5 % от начального.

Пару, выходящему из последней ступени, необходимо преодолеть аэродинамическое сопротивление выходного патрубка. Осуществляется это за счет кинетической энергии С₂² /2 потока пара, выходящего из последней ступени. Однако, как правило, кинетической энергии С₂² /2 не хватает на преодоление аэродинамического сопротивления патрубка, и поэтому за последней ступенью устанавливается давление Р’_к > P_к. тогда конечной точкой процесса расширения пара в проточной части будет точка B, а на выходе из патрубка – точка D (см. рис.3).

Дата добавления: 2014-01-20