2. Выбор типа регулирующей ступени и её теплоперепада

В турбинах с сопловым парораспределением первая ступень, работающая с изменяющейся степенью парциальности при изменении расхода пара, называется регулирующей. Регулирующие ступени чаще всего одно- или двухвенечные. Каждый тип имеет свои достоинства и недостатки. Одновенечная ступень при расчетном режиме имеет более высокий КПД (η_oi=0,78-0,82), чем двухвенечная, но при частичных нагрузках её КПД падает более резко. КПД двухвенечной ступени ниже (η_oi=0,75-0,78), но устойчивее при частичных нагрузках. Двухвенечная ступень способна переработать значительно более высокий теплоперепад, чем одновенечная, что позволяет снизить число нерегулируемых ступеней турбины, упростить её конструкцию, а также снизить утечку пара через переднее концевое уплотнение. С другой стороны, высокий теплоперепад, назначаемый на двухвенечную ступень с пониженным КПД, приводит к некоторому снижению КПД всей турбины. Для одновенечных ступеней со средним диаметром 1,0-1,1 м оптимальное значение теплоперепада составляет 80-120 кДж/кг, а для двухвенечных -150-250 кДж/кг.

Тип регулирующей ступени, а следовательно и теплоперепад, выбираются в зависимости от типа и назначения проектируемой турбины. Турбина большой мощности, которую целесообразно использовать как базовую, должна иметь максимальный КПД на расчетном режиме. Для неё следует выбирать одновенечную регулирующую ступень, хотя это приведет к некоторому усложнению и удорожанию конструкции. Турбина малой мощности может проектироваться как полупиковая, или пиковая. Здесь большое значение имеет устойчивость её КПД при нерасчетных режимах и более низкая стоимость. Поэтому для такой турбины следует выбирать двухвенечную ступень [1]. Высокий теплоперепад двухвенечной ступени способствует также увеличению удельного объема пара в первых нерегулируемых ступенях, что обеспечивает увеличение высоты лопаток и степени парциальности. А это, в свою очередь, повышает КПД части высокого давления.

Для выбранного типа регулирующей ступени задаются отношением скоростей U/C_a. Его оптимальное значение для одновенечных ступеней с полным подводом пара обычно составляет (U/C_a)_opt = 0,4 -0,43, а для двухвенечных – (U/C_a)_opt = 0,26-0,33 (бóльшие значения – для мéньших теплоперепадов ). Парциальный подвод, а также малая высота лопаток несколько снижают (U/Ca)_opt. После выбора теплоперепада регулирующей ступени , оцениваются её размеры в следующем порядке:

фиктивная скорость, м/с:

Рисунок 1 – Процесс расширения многоступенчатой турбины

окружная скорость, м/с:

средний диаметр ступени, м:

где n – об/мин.

Минимальное значение = 0,8 м, максимальное – 1,1м; если диаметр выходит из этого интервала, следует перезадаться теплоперепадом ;

теплоперепад сопловой решетки, кДж/кг:

где ρ_т - суммарная степень реактивности; для одновенечных ступеней ρ_т = 0,03-0,07, для двухвенечных – ρ_т = 0,06-0,12;

абсолютная теоретическая скорость истечения из сопел, м/с:

проходная площадь сопловой решетки, м²:

где - удельный объем за сопловой решеткой, м³/кг, рис.1; μ₁ - коэффициент расхода сопловой решетки, первоначально принимается μ₁ = 0,97;

произведение степени парциальности и высоты сопловых лопаток, м:

где α_1эф - эффективный угол сопловой решетки, принимается α_1эф = 11-12⁰;

степень парциальности:

где a = 0,5 для одновенечной ступени и 0,33 – для двухвенечной;

высота сопловых лопаток, м:

Минимально допустимые значения высоты лопаток мм, степени парциальности e^min = 0,2. Если найденные значения l₁ и e_opt окажутся меньше допустимых, следует снизить теплоперепад и повторить расчет. Если же теплоперепад достиг минимального уровня 70-75 кДж/кг, то для обеспечения приемлемых размеров следует снизить отношение U/Ca по сравнению с (U/Ca)_opt. При этом КПД регулирующей ступени несколько уменьшится.