4. Многоступенчатые турбины

4.1 Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине

Теплоперепад одной ступени, соответствующий максимальному КПД, как-то отмечалось, зависит от оптимального отношения скоростей (u/c_ф)_опт. Оптимальное отношение скоростей одновенечных ступеней c различной степенью реактивности ρ и разными углами α_1э изменяется в пределах от 0,45 до 0,75.Окружная скорость ограничена условиями прочности диска или барабана u_max= 140-210 м/с.

Зная отношения u/c_ф и окружную скорость u, легко обнаружить, что наибольший теплоперепад, срабатываемый в одной ступени равен примерно 20—100 кДж/кг. При этом в реактивной ступени срабатываются меньшие теплоперепады.

Рис 4.1 Многоступенчатая активная турбина (а) и изменение давлений, крутящих моментов и скоростей по ее ступеням (б)

1-рабочие колеса, 2-диафрагмы; I-IV-ступени турбины

В современных паровых турбинах для привода электри­ческого генератора располагаемый теплоперепад H_о^т = 800-1800 кДж/кг может быть сработан с приемлемой эконо­мичностью только в ряде последовательно расположенных сту­пеней, т. е. в многоступенчатой тур­бине.

Многоступенчатая активная тур­бина показана на рис.4.1,а. Иногда такие турбины называют камерны­ми, так как между диафрагмами 2 образуются камеры, в которых вра­щаются диски рабочих колес 1. На рис.4.1, б показано изменение давле­ний р и скоростей с по ступеням тур­бины. В результате суммирования моментов, создаваемых паровым потоком в каждой ступени, крутя­щий момент М на валу турбины от ступени к ступени увеличивается.

Процесс расширения пара в мно­гоступенчатой турбине (рис.4.2) со­стоит из последовательных процес­сов в ступенях I—IV, причем конеч­ное состояние предыдущей ступени является начальным для последу­ющей. По мере понижения давления и расширения пара растут его удельные объемы. Для пропуска возрастающих объемов па­ра от ступени к ступени увеличиваются диаметры и проходные сечения сопловых и рабочих решеток.

М

Рис 4.2 h,s-диаграмма процесса расширения пара в многоступенчатой турбине

ногоступенчатые турбины имеют ряд преимуществ перед одноступенчатыми. Так, для каждой ступени можно выбрать теп­лоперепад, при котором для умеренной окружной скорости обес­печивается оптимальное отношение скоростей, и, следовательно, высокий КПД турбины. Уменьшениетеплоперепада и диаметра ступени при заданной частоте вращения приводит к увеличению высоты лопаток, что снижает концевые потери в решетках. Ки­нетическая энергия с выходной скоростью предыдущей ступени может быть частично или полностью использована в последую­щей, что увеличивает располагаемый теплоперепад большинства ступеней. В результате того, что потери энергии в предыдущей ступени повышают температуру пара на входе в последующую, ступень, располагаемый теплоперепад последующей ступени по­вышается:Н_о^II>(Н_о^II)', ..., H₀^(z)> (H_о^(z))' (см.рис.4.2), при этом отношение суммы теплоперепадов H_о к сумме теплоперепадов Н_о' называют коэффициентом возврата теплоты q_в.т. Многосту­пенчатая турбина может иметь отборы пара на регенеративный подогрев питательной воды, а также промежуточный перегрев: пара (и сепарацию — в турбинах АЭС), что существенно повы­шает абсолютный КПД паротурбинной установки.

Рис 4.3 Многоступенчатая реактивная турбина:

1-сопловые лопатки, 2-рабочие лопатки

Основными недостатками многоступенчатых турбин являются сложность конструкции и рост стоимости изготовления с увели­чением числа ступеней и появление дополнительных потерь, ко­торых нет (или они незначительны) в одноступенчатых (напри­мер, потери от утечек через переднее концевое уплотнение и от диафрагменных утечек).