4. Ступени с колесами скорости

4.1. Назначение и устройство колес скорости

При проектировании, проточных частей турбин возникает важный вопрос о выборе предельного перепада энтальпий, срабатываемого в ступени. Он по-разному решается для различных групп ступеней. В рамках одномерной теории рассмотрим этот вопрос для осевых турбин­ных ступеней, пропускающих умеренные объемные расходы пара и поэто­му имеющих сравнительно короткие лопатки. В этом случае величина предельного изоэнтропического перепада энтальпий на ступень опре­деляется следующими соображениями.

При заданной частоте вращении n средний диаметр ступе­ни D_СР ограничивается влиянием двух факторов:

- прочностью диска и связанными с ней конструктивными требо­ваниями;

- уменьшением высот сопловых и рабочих лопаток (при прочих равных условиях) с ростом среднего диаметра.

С учетом этих соображения окружные скорости на среднем диа­метре обычно не превышают 150-220 м/с.

Для одновенечной осевой ступени, выходная скорость которой не используется, из-за существенного снижения кпд нельзя уменьшать величину ниже значения 0,35-0,40. Поэтому рациональное значение максимального изоэнтропического перепада на такую ступень в зависимости от условий ее использования лежит в пределах 70-180 кДж/кг. Однако на практике во многих слу­чаях желательно использовать большие перепады в одной ступени (регулирующие ступени, приводы вспомогательных механизмов судовых ПТУ и другие). Для этой цели применяются колеса скорости (точнее ра­бочее колесо со ступенями скорости).

Как уже отмечалось, низкая экономичность одновенечных осевых ступеней давления при малых отношениях вызвана боль­шими потерями с выходной скоростью. Из-за значительной закрутки потока, выходящего из ступени ( направлена в сторону, обратную окружной скорости ), кинетическую энергию (потерю с выходной скоростью) непосредственно использовать нельзя, если не применять ступени двойного вращения (биротативные ступени).

Использование этой кинетической энергии становится возможным, если за рабочим венцом поставить венец направляющих лопаток, не­подвижных и только поворачивающих поток, а далее, за ними второй венец рабочих лопаток, на котором повернутая струя произведет до­полнительную работу именно за счет энергии без дополнительного увеличения изоэнтропического перепада ступени .

Такая конструкция (рис.4.1) по существу представляет собой ступень давления (сопловой венец, первый рабочий венец) и следующую за ней ступень скорости (направляющий венец, второй рабочий венец).

Обычно второй рабочий венец крепится на тот же диск, что и первый. Подобный двухвенечный диск называют колесом скорости.

При наличии за вторым рабочим венцом достаточно большой ско­рости потока для уменьшения оставшейся потери энергии с выходной скоростью иногда ставят еще одну ступень скорости. В этом случае ступень с колесом скорости состоит из ступени давления и двух сту­пеней скорости. В дальнейшем колеса скорости с несколькими рабочими венцами мы будет отличать по числу венцов: двухвенечное колесо ско­рости, трехвенечное колесо скорости. Ступень с трехвенечным колесом скорости является ступенью давления с двумя ступенями скорости за ней. Как правило, на практике используют двухвенечные колеса. Ко­леса с тремя рабочими венцами встречаются редко, с четырьмя - факти­чески не применяются.

В рабочих и направляющих лопатках колеса со ступенями скорости степень реактивности, как правило, невелика.

Наряду с конструкцией, показанной на рис.4.1, где ступень скорости образована за счет установки дополнительного рабочего вен­ца, были выполнены конструкции с несколькими ступенями скорости при одном подвижном венце. В этих случаях имел место неоднократный по­следовательный пуск рабочей среды через рабочий венец.

Примером таких ступеней являются турбины системы «Кинаст», в которых пар, вышедший из рабочего колеса, снова поступал на него, направляясь посредством специального обводного канала (или кана­лов). Схема подобной ступени приведена на рис.4.2.