Парові турбіни. Частина 1
У конденсаційних 1р (ншцх з високими початковими параметрами пари останні ступені працюють в області нижче липни насичення, т. Е. Робочим середовищем в них є волога пара. У турбінах насиченого і слабоперегретого пара, що застосовуються на АЕС, число ступенів, які працюють вологою парою, істотно більше. Є турбіни (насиченого пара і без проміжного перегріву), в яких у всіх щаблях пар вологий.
Дослідження, що проводилися як в експериментальних турбінах, так і на електростанціях, показали, що при роботі вологою парою економічність ступенів знижується. Це пояснюється наступними причинами:
збільшенням втрат енергії в гратах, розглянутим в §2.8;
втратами енергії на розгін вологи в зазорі в зв'язку з меншою швидкістю вологи, особливо крупнодісперсной, і тертям між парою і рідкою фазою;
волога потрапляє на
, вдаряючи об спинку профілю
і тим самим надаючи гальмівну дію на лопатку, т. е. зменшуючи корисну роботу ступені. Ця гіпотеза підтверджується як спеціальними дослідами, так і побічно, слідами ерозійного руйнування на цій частині лопатки (див. § 5.2);
додатковими втратами під обертається робочої решітці, пов'язаними з сепарацією водяної плівки, відкиданням
вологи, збільшенням кінцевих втрат в периферійній зоні і т. д.
У щаблях, де організована спеціальна сепарація вологи, неминучий винесення з частин разом з вологою і частини пара. Якщо цей винесення проводиться з соплової решітки або за нею, т. Е. До робочого колеса, то в даному ступені зменшується корисна робота і, отже, знижується ККД.
с, вл різницю ККД ступені, що працює перегрітою і вологою парою, т. е.
Частка окремих складових втрат в загальному зниженні ККД при роботі вологою парою різна і залежить від багатьох фізичних і геометричних факторів. Однак в більшості випадків в ступенях багатоступеневих турбін вирішальними є втрати на гальмування і на розгін крупнодісперсной вологи.
р а розширення закінчується нижче
лінії насичення, то вплив вологи на інтегральні характеристики ступенів і її ККД визначається нерівновагим характером процесу. Тоді відповідно до формул (2.80) - (2.82)
Якщо процес розширення починається в області злегка вологої пари (уо> 0,01), то в формулах (4.41) і (4.42)
(Рис. 4.22, а); якщо перед щаблем пар
Якщо пар на вході в щабель вологий 00> 0,01 ^ 0.02), то в соплової решітці па стінках профілю утворюється водяна плівка. Ця плівка, стікаючи з вихідних кромок соплових лопаток, розривається, несеться парою у напрямку до робочим лопаток, причому в закрученому потоці частина вологи прагне до периферії. Рідку фазу, що надходить на робоче колесо, можна умовно розділити па кілька фракцій:
а) волога, в основному мелкодісперсная, разом з парою проходить через робочу грати майже без дотику з лопатками і спрямовується далі в наступний щабель або патрубок;
частково відкидається назад в осьової зазор до сопловим лопаток в напрямку до периферії, звідки знову потрапляє па робочі лопатки, і т. д. Ця волога. при ударі об поверхню лопаток відкидається в потік у вигляді дрібних крапель і утворює плівку, частково сепарованого завдяки відцентровій силі, частково зриває з вихідних кромок робочих лопаток.
профілів, меридіональних обводів решітки, зазорів, наявності бандажів, дротяних зв'язків і т. д.
правило, сильно спотворює картину розподілу вологи за щаблем, представлену. наприклад, на рис. 4.23,
Зазвичай найбільша ступінь вологості виявляється, наприклад, за останньою сходинкою ЦНД в зоні 0,5 0,8 по висоті (див. Нижче, рис. 5.7). У проточної частини турбіни і в окремих її щаблях є місця підвищеної вологості і суттєво підвищеною її дисперсності (В і Г на рис. 4.23). Це місця, де волога знаходиться у вигляді струменів, плівок, що зриваються з поверхонь обтікання; це сліди за дротяними зв'язками, в зоні периферійного меридионального обвода, особливо якщо його форма аеродинамічний несприятлива.
Поняття круп під і сні ріпою вологи також не є абсолютним і залежить від ряду факторів, зокрема від тиску пари. Зазвичай вважають, що в ступенях низького тиску парових турбін великими є краплі з 5н-10мкм, а при тиску / >> 0,5 МПа з <:/> 10 ^ -20 мкм. Справа в тому, що в залежності від тиску змінюється ставлення щільності пара і води, межкапельпие відстані і інші фізичні характеристики вологої пари.
Як вказувалося (див. § 2.8), умовно можна прийняти, що в прискорюються потоках великої є волога, що рухається з коефіцієнтом ковзання V <0,8.
При великому коефіцієнті ковзання V різниця в швидкостях пара і вологи і, отже, в кутах входу на робочі лопатки Рх і $ ^ виявиться не настільки велика і краплі вологи, потрапляючи на поверхню робочих лопаток, не тільки не будуть гальмувати, а навпаки, можуть збільшувати корисну
роботу, що здійснюються в ступені, хоча ККД ступені буде все ж нижче, ніж при роботі перегрітою парою. Звичайно, в дійсності на лопатки будуть потрапляти краплі не тільки різного розміру, але і з різним коефіцієнтом ковзання V. Тому детальний розрахунок втрат від гальмування вимагає поділу вологи на кілька груп.
Уявімо потужність гальмування в ступені на підставі рівняння Ейлера (див. §3.1):
-Окружні складові швидкостей крупнодісперсной вологи на виході з сопловой решітки і ступені; Сю * л-елементарний витрата вологи на вході в робочу решітку і відповідно на виході з неї.
зросте і розрахунок дасть завищені значення
підраховуються по відомому закону розподілу вологості і складають х = 0,6 -
1, де менше значення відноситься до останніх щаблях турбіни, а більше до коротким лопаток.
, на теоретичну потужність ступені
,
отримаємо наближене вираження для коефіцієнта втрат в ступені за рахунок гальмування:
Відносні втрати від розгону в осьовому зазорі залежать головним чином від коефіцієнта ковзання ч = з / с і ступеня вологості двох
Якщо вважати, що втрати від розгону великих крапель в осьовому зазорі, між гратами і від гальмування є основними в зниженні ККД ступені при роботі її вологою парою, то
т. е. коли згідно (4.47) втрати
можна використовувати напівемпіричну формулу МЕІ
і приблизно може бути прийнятий рівним
У свою чергу значення ХКР залежить від багатьох геометричних і режимних характеристик проточної частини. Для багатоступеневих турбін ^ кр можна оцінити за формулою [48]
= 3); р0 - тиск пара перед щаблем, МПа.
. З іншого боку, па економічності по-різному відбивається первинна (що утворилася в попередніх щаблях) і вторинна вологість, що утворилася за рахунок розширення пара в даному ступені. Краплі вторинної вологи мають розмір, на кілька порядків менший, ніж краплі первинної вологи. Відставання крапель вологи від швидкостей парового потоку тим менше, чим менше розмір крапель. Все це говорить про те, що втрати, викликані первинної вологою, більше, ніж втрати, викликані вологою, тільки що утворилася.
Для попередніх розрахунків проточної частини, що працює вологим паром, широко поширена оціночна формула втрат від вологості
Уо і У г-вологість пара перед і за даної групою ступенів або ступенем. Коефіцієнт а в залежності від конкретних характеристик ступенів приймається а = 0,4 год-0,9.
Так само як і інші додаткові втрати - від тертя диска, від парціального підведення, від витоків, втрати від вологості знижують оптимальне співвідношення швидкостей, при якій повний відносний внутрішній ККД ступені досягає максимального значення.
Для зменшення втрат від вологості, істотно знижують економічність щаблі й турбіни в цілому, приймаються спеціальні заходи, які можна розділити на три групи:
1) зменшення видимої, так званої диаграммной вологості. Для того в турбінах електростанцій, що працюють на органічному паливі, найбільш ефективно підвищення початкової температури і застосування проміжного перегріву пара. Як було показано в § 1.3, при цьому одночасно підвищується ККД циклу. Обмеження в підвищенні початкової температури пара і температури проміжного перегріву пов'язано з необхідністю застосовувати для котельної установки, трубопроводів до турбіни і для турбіни дорогі матеріали, часто зниженою надійності, з ускладненням установки, з деяким зниженням її маневреності через більшого часу, необхідного для пуску енергоблоку , і т.п.
У турбінах, розрахованих для роботи з водоохолоджуваними реакторами АЕС і з нового типу реакторами на швидких нейтронах (див. § 1.6 і 10.3), застосовується зовнішня сепарація вологи, проміжний перегрів пари, а також зрідка перехід від насиченого до слабоперегретому пару на вході в турбіну. Останнє залежить від конструкції реактора і парогенератор-ної установки. Застосування сепаратора і безпосередньо за ним промпароперегревагеля ускладнює і здорожує турбінну установку через великі розмірів цих апаратів і виконання їх з качест кої стали.
Незважаючи на всі ці труднощі сучасні парові турбіни великої потужності, що працюють на електростанціях з органічним паливом, а також турбіни, що встановлюються на АЕС з високотемпературними газоохолоджувальні реакторами і реакторами на швидких нейтронах, завжди виконуються з проміжним перегрівом пари. Турбіни АЕС з водоохолоджуваними реакторами мають зовнішню сепарацію; як правило, передбачається також проміжний перегрів пари;
зменшення фактичної вологості, в першу чергу круііодісперсной, за рахунок влагоудаленія з проточної частини турбіни, в тому числі з турбінних решіток. При цьому треба враховувати, що видалення вологи практично неминуче супроводжується отсосом якоїсь частини пара, яка тим самим не робить корисної роботи в наступній решітці або в наступних щаблях. У зв'язку з цим бажано удаляемую вологу направляти в систему регенеративного підігріву живильної води, поєднуючи влагоудаленія з відборами пара. У цьому випадку енергія видаляється з вологою пара корисно використовується. В окремих випадках застосовується нагрів соплових лопаток і тим самим випаровування вологи, що утворилася на їх поверхні;
зменшення шкідливого впливу вологи, якого можна досягти правильним проектуванням ступені і вибором оптимального відношення швидкостей, раціональним вибором решіток, перекришу, зазорів, урахуванням особливостей перебігу вологої пари при розрахунку ступені.
Як вказувалося, всілякі зривні і вихрові потоки з решітках і в ступені в цілому, що ведуть до зниження ККД ступені, що працює перегрітою парою, стимулюють збільшення втрат від вологості. Тому для зменшення цих додаткових втрат необхідно, або принаймні бажано: оптимізувати решітки стосовно заданих умов обтікання; при транс- і надзвукових швидкостях, як правило, супроводжуються відривом прикордонного шару, підвищеною пульсацією потоку, застосовувати спеціального типу решітки; скорочувати кінцеві втрати в гратах; прагнути до плавного обрису меридіональних обводів; уникати дротяних зв'язків і т. п.
Одним з методів зниження втрат від вологості є збільшення осьового зазору між сопловими і робочими лопатками, що веде до вирівнювання потоку при вході на робоче колесо і тим самим зменшенню втрат в ньому, включаючи втрати на гальмування. Правда, за рахунок вирівнювання потоку і додаткового розгону, що проходить на великій відстані, зменшується кінетична енергія потоку на вході в робочу решітку. Тому як для однофазного потоку. так і для вологої пари з кожної щаблі існують оптимальне співвідношення розмірів і оптимальний осьової зазор. Досліди показали, що залежність ККД ступені від осьового зазору в багатьох випадках дуже полога.
На жаль, поки що не накопичено достатній експериментальний матеріал і не вирішено ряд теоретичних завдань руху вологої пари в турбінної ступені, щоб кількісно оптимізувати турбінну щабель, що працює вологою парою. Поки доводиться обходитися урахуванням якісного впливу ряду режимних та геометричних факторів на економічність влажнопаровой ступені.
Двухфазность робочого середовища позначається не тільки на ККД ступені і коефіцієнтах витрати її решіток, а й на ступеня реактивності. Ступінь, розрахована для роботи перегрітою парою, при вологій парі має підвищений ступінь реактивності. Це питання розглядається в.