Парові турбіни. Частина 1
РОБОЧИЙ ПРОЦЕС багатоступінчасті ПАРОВОЇ ТУРБІНИ
Крім невеликих, допоміжних, парові турбіни, в тому числі енергетичні, а також суднові виконуються багатоступінчатими.
У § 1.1 зазначалося, що принципова відмінність між багатоступінчатими активними і реактивними турбінами, яке було помітним у перший період розвитку турбобудування, згодом значно згладити, і багато сучасних парові турбіни часто виконуються з активними ступенями в області підвищеного тиску пара і з реактивними ступенями в частині низького тиску. Проте за конструктивними ознаками поділ між активними і реактивними турбінами збереглося до цих пір. Також збереглися і деякі особливості в методах проектування тих і інших турбін. Тому в подальшому ми залишимо умовний розподіл між активними і реактивними турбінами. Однак, говорячи про турбінах активних, будемо допускати в них і ступені, що працюють зі значним ступенем реактивності. Під реактивними маються на увазі турбіни, що мають в більшості ступенів реактивність рср% 0,5.
На рис. 5.1 показана конструктивна схема проточної частини багатоступінчастої активної турбіни. На загальному валу насаджений ряд дисків, на периферії яких розташовуються робочі лопатки. Диски розділені діафрагмами, в яких встановлені соплові лопатки. У соплових решітках відбувається розширення пара. Елемент турбіни, що складається з діафрагми і подальшого диска з робочими лопатками, що утворюють
робочу решітку, представляє ступінь активної турбіни. Діафрагми двох сусідніх ступенів утворюють камеру, в якій розташовується диск, що несе робочу решітку.
У багатьох турбінах застосовується сопловий паророзподіл. При цьому перший ступінь при зміні пропуску пара працює зі змінною парціалиюстью і в цьому відношенні відрізняється від подальших ступенів турбіни. Така ступінь називається регулюючої і виконується при щодо малих розрахункових Теплоперепад у вигляді одновенечной активної ступені, при значних Теплоперепад - у вигляді двухвенеч-ної ступені швидкості.
У багатоступінчастої турбіни повний наявний теп-лоперепад від початкового стану пара до тиску в вихідному патрубку розподіляється між послідовно розташованими ступенями турбіни. Таким чином, кожна із ступенів переробляє лише частину загального теплоперепада, що припадає на всю турбіну.
, за рахунок чого швидкість при витіканні з соплової решітки зростає до с
Основна частина кінетичної енергії з \ 1 парового потоку перетворюється при протіканні робочої решітки регулюючого щабля в енергію обертання ротора турбіни, так що при виході з робочих лопаток парової потік має незначну швидкість С2
Таким чином, розширення пара триває в наступних щаблях до тих пір, поки не буде досягнуто тиск рк в вихідному патрубку турбіни. У щаблях високого і середнього тиску активної турбіни зазвичай передбачається невисока ступінь реактивності. У щаблях низького тиску реактивність збільшується.
Лінія аЬ в діаграмі на рис. 5.1 показує зміну крутного моменту на валу турбіни. Крутний момент, що передаються дисками кожному наступному рівні підсумовуються, гак що величина моменту зростає і сумарний момент М відповідає сумарній потужності / V, яку при частоті обертання зі турбіна передає ротора сполученого з нею генератора електричного струму: N = = 10 "3 М (й кВт .
Невеликий негативний момент па передньому кінці вала визначається витратою потужності на привід масляного насоса, розташованого активною. Активна одновенечная регулююча щабель показано і на рис. 5.3. Так як регулююча щабель працює з парціальним підведенням пари, то, щоб забезпечити високу її ефективність, ступінь (§ 4.2) слід проектувати з невеликим ступенем реактивності.
За регулюючої ступенем розміщуються реактивні ступені, які завжди виконуються з повним підведенням пара. Якщо в активних турбінах малої потужності застосовувати парціальний підвід пари в перших нерегульованих щаблях, то для реактивних турбін така можливість виключається.
Робочі лопатки реактивних ступенів встановлюються безпосередньо на барабані, а соплові лопатки кріпляться в корпусі турбіни або в обіймах.
Розташування соплових лопаток в діафрагмах, а робітників на дисках в реактивної турбіни призвело б до великих осьовим зусиллям, чинним на ротор (див. § 5.5), збільшення осьових габаритів турбіни і її подорожчання.
На рис. 5.3 наведені графіки зміни тисків і швидкостей пара в реактивної турбіни. На рис. 5.4 побудований процес розширення пара в реактивної турбіни в Л, -діаграмме. Оскільки розширення пара відбувається як в соплових, так і в робочих решітках, зміна стану пара при його розширенні зображується безперервної плавною кривою.
згідно (3.33) реактивні ступені при тій же окружної швидкості і переробляють менший тепло-перепад, ніж активні, і число їх в багатоступінчастої турбіни більше.
Розбивка загального теплоперепада між окремими ступенями, яка здійснюється в багатоступеневих турбінах, створює ряд переваг, що дозволяють досягти високого ККД всієї багатоступінчастої турбіни.
Основні переваги многоступенчаюй турбіни полягають в наступному.
1. Із застосуванням значного числа ступенів можна для кожного ступеня вибрати невеликий теплоперепад, навіть при помірних окружних швидкостях робочих лопаток забезпечити значення н / ГФ, при яких ККД окремих ступенів досягають максимуму.
2. Зменшення теплопсрепада і пов'язане з л їм зменшення діаметра ступені (при заданій годину Готі обертання) призводить до збільшення висот соплових і робочих лопаток або до збільшення ступеня парціальноеті в тих щаблях, які працюють з малими об'ємними витратами пара, як, наприклад, ступені, розташовані в області значних тисків пара, де питомі обсяги пара невеликі. У зв'язку з цим навіть при потужностях турбіни 4000 6000 кВт і частоті обертання /? = 50 1 / с у всіх щаблях турбіни, за винятком регулюючої, зазвичай вдається забезпечити ступінь парціальнреті, рівну одиниці, і достатню висоту соплових і робочих лопаток.
У регулюючого щабля ступінь парціальний ™ не досягає одиниці, так як наявність стінок, що відокремлюють одну соплову групу від іншої, змушує зберігати проміжки між сопловими групами, що зменшують ступінь парціальпості. Навіть якщо пар в регулюючої ступені підводиться по всьому колу, ступінь парциальности в ній становить не більше 0,8-0,96.
Досягнення повної парциальности і достатньої висоти лопаток нерегульованих щаблів багатоступеневих турбін є істотним чинником підвищення ККД турбіни.
При вдалому контурі проточної частини кінетична енергія потоку пари, що залишає ступінь турбіни, може бути частково або навіть повністю використана в наступному рівні. Таким чином, збільшується наявний теплоперепад Н0> Н0 більшості ступенів. Вихідна швидкість повністю втрачається зазвичай лише в регулюючої і в останніх щаблях турбіни і її окремих циліндрів.
Втрати енергії в кожному ступені турбіни, як це видно з Л. у-діаграм на рис. 5.2 і 5.4, викликають підвищення температури пара перед наступними ступенями. Ця обставина призводить до того, що фактичний наявний теплоперепад для будь-якої проміжної ступені, наприклад теплоперепад # 03 для третього ступеня (рис. 5.2), взятий між изобарами р і р ", кілька перевищує теплоперепад Я од між тими ж изобарами, взятий по основний ізоентропа. Таким чином, втрати в попереднього ступеня викликають збільшення тсплоперепада в наступних щаблях і можуть бути в них частково використані.
В результаті сума наявних теплових перепадів в багатоступінчастої турбіни більше, ніж наявний теплоперепад, взятий для всієї турбіни по основній ізоентропа Іт0.
Можливість часткового використання в наступних щаблях втрат при перебігу в попередніх щаблях також є суттєвою перевагою багатоступінчастої турбіни.
Використаний теплоперепад всієї турбіни знайдеться як сума використаних перепадів окремих ступенів:
може бути винесено як загальний множник за знак
Тут Н про представляє собою наявний теплоперепад для всієї турбіни, взятий по основній ізоентропа; (? - частина втрат (в теплових одиницях) в ступенях турбіни, які можуть бути використані в наступних щаблях.
З іншого боку, використаний теплоперепад для всієї турбіни дорівнює
Порівнюючи два вирази для використаного теплопередачі-репада, знаходимо, що ККД всієї турбіни г ^, - випаде так:
Ставлення дт = () 1Нт0 називається коефіцієнтом повернення теплоти і визначає частку втрат, які можуть бути використані в наступних щаблях турбіни.
Таким чином, формула (5.3) показує, що відносний ККД всієї багатоступінчастої турбіни більше, ніж середній ККД її окремих ступенів.
Для наближеної оцінки коефіцієнта повернення теплоти можна користуватися такою зручною формулою:
в якій коефіцієнт кт для турбін, що працюють тільки в області перегрітої пари, слід приймати рівним 4,8 * 10
4; якщо вся лінія процесу лежить в області вологої пари, т = 2,8 10
4, а для турбін, у яких процес розширення переходить з області перегрітого в область вологої пари, т = (3,2 ^ 4,3) -104. У формулі (5.4) розмірність Нт0 кДж / кг.
На діаграмі на рис. 5.5 наведені криві зміни коефіцієнта повернення теплоти в залежності від числа ступенів турбіни при різних значеннях відносних внутрішніх ККД ступені. Ці криві підраховані для процесу, в якому р0 = 9,0 МПа, / о = 500 ° С, /? К = 4 кПа (т = 3,8 10
4). величина <ут для обычных проточных частей составляет 0,03 ч-0,08.
Формули (5.2) (5.4) були знайдені в припущенні, що теплоіерепади окремих ступенів рівні між собою. Якщо ці умови насправді не дотримуються, то похибка при оцінці коефіцієнта повернення теплоти може зрости, хоча все ж в більшості випадків точність визначення виявляється достатньою для практичних розрахунків.
5. У багатоступінчастої турбіни можуть бути виконані відбори пари для регенеративного підігріву живильної води, що дозволяє істотно підвищити економічноеть теплового циклу, т. Е. ККД гурбоустановкі.
Перераховані позитивні фактори дозволяють досягти в багатоступінчастої турбіни і у всій турбоустановці підвищеної економічності. Поряд з цим в багатоступінчастої турбіни виникають додаткові втрати, яких немає в одноступінчатих турбінах або які не мають в цих турбінах істотного значення. Так, наприклад, втрати від перетікання пара, якими можна нехтувати в одноступінчатих турбінах, в багатоступеневих турбінах позначаються іноді досить сильно.
Оскільки в камері регулюючого щабля тиск вище атмосферного, частина пара, що вийшов із соплових груп регулюючого щабля, випливає через ущільнення з камери ступені і не приймає участі в роботі наступних ступенів (див. § 5,3). Крім того, витоку пара відбуваються також через ущільнення проміжної діафрагми, так що не всі кількість пари, що йде до наступних щаблях турбіни, проходить через сопла діафрагми; виникають також витоку пара через радіальні зазори робочих лопаток. Наявність цих витоків може привести до значного зниження ККД ступені, особливо в тих щаблях, які працюють з невеликими об'ємними пропусками пара (див. § 4.3). При правильному виборі конструкції вдається знизити ці додаткові
втрати і забезпечити в багатоступінчастої турбіни високий ККД.
Однак слід мати на увазі, що багатоступінчасті турбіни є складними і дорогими машинами, застосування яких виправдовується досягненням необхідної економічності.
Якщо для турбін великої потужності виграш в підвищенні ККД при їх виконанні багатоступінчатими істотніше подорожчання конструкції, то для турбін малої потужності. застосовуваних для приводу різних агрегатів, питання про те, чи виконувати турбіну одно- або багатоступеневою, вирішується на основі техніко-економічних розрахунків. У транспортних установках вибір числа ступенів пов'язаний також з обмеженням маси і габаритів турбіни.