5.2 Работа ступени при нерасчетном режиме

Изменение расхода пара через турбину приводит к изменению давлений и теплоперепадов по ее ступеням. Характер и значения изменений этих параметров определяют по соотношениям, при­веденным в предыдущем параграфе. Все изменения режима ра­боты ступени можно свести к изменениям следующих режимных параметров: отношения скоростей , отношения давлений ступени ε_ст; чисел Маха для сопловой М_1t=c_1t/a₁ и рабочей М_2t.=w_2t/a₂ решеток; фиктивного числа Рейнольдса (для сопловой решетки , а для рабочей). Кроме того, могут изменяться степень влажности, пара, условия его входа в ступень и выхода из нее. В общем случае эти параметры изменяются одновременно, но нагляднее рассмотреть влияние каждого из них на степень ре­активности и КПД ступени.

Изменение степени реактивности. При изменении расхода пара изменяется располагаемый теплоперепад ступени, а следо­вательно, отношение скоростей при постоянной частоте вращения турбины.

Из определения степени реактивности ступени сле­дует

(5.6)

или

Рассчитав скорости с_1t, w₁ и w_2t при переменных режимах ра­боты ступени, можно по формуле (5.6) определить степень ее реактивности (рис.5.2).

В приближенных расчетах переменных режимов, если скоро­сти пара в ступенях турбины меньше критических, обычно ис­пользуют следующую формулу:

Δρ/( 1 - ρ_о) = (0,5 - ρ_о) [u/c_ф - (u/c_ф)₀]/( u/c_ф)₀, (5.7)

где ρ и ρ_о - степени реактивности, а u/c_ф и (u/c_ф)₀ — отношения скоростей соответственно при измененном и расчетном режимах.

Если скорость в рабочей решетке сверхкритическая, увеличе­ние теплоперепада ступени означает постоянство теплоперепадав сопловой решетке и рост теплоперепада H_0р в рабо­чей. Таким образом, несмотря на уменьшение отноше­ния u/c_ф (при n=const), степень реактивности ступени возра­стает (рис 5.3).

Рис 5.2 Зависимость степени реактивности ступени от отношения скоростей

Рис 5.3 Зависимость степени реактивности ступени от ее располагаемого теплоперепада

Изменение КПД ступени. Зависимость КПД η_ол, η_оi от отношения скоростей u/c_ф подробно рассматривалась в разделах 3.3 и 3.5. Параболическая зависимость этих КПД от отношения скоростей бы­ла получена в предположении, что потери в решетках изменяют­ся мало. При изменении нагрузки (расхода) турбины будет изменяться степень реактивности ее ступеней. Как было установ­лено, КПД ступени изменяется не только за счет потерь с выход­ной скоростью, но и других потерь:

в рабочей решетке, так как изменяются угол β₁ входа в ра­бочую решетку и числа М₂ и Re₂;

в сопловой решетке, так как изменяется ее теплоперепад, а следовательно, степень реактивности и числа M₁ и Re₁ от тре­ния диска, утечек и влажности.

С

(5.8)

истематическая обработка экспериментальных данных дает параболическую зависимость относительного внутреннего КПД ступениот отношения скоростей(u/c_ф)/( u/c_ф)^опт=x_1ф, которая выражается следующей фор­мулой (рис.5.4):

.

Последняя ступень конденсационной паровой турбины, как указывалось, находится в особых условиях, на ней сильнее всего сказывается изменение расхода пара. Кроме того, давление р₂ за этой ступенью, определяемое давлением в конденсаторе p_k зависит не только от расхода пара, но и от таких факторов, как температура и расход охлаждающей воды, загрязнения трубок конденсатора и др. Важными факторами являются также непо­стоянство параметров потока по высоте ступени.

Рассмотрим процесс расширения пара в среднем сечении по­следней ступени. Предположим, что при изменении давления от­работавшего пара его расход не изменяется. Выясним, какие качественные изменения будут происходить в ступени при пониже­нии давления на выходе из нее при постоянной частоте враще­ния.

Рис 5.4 Зависимость относительного внутреннего кпд ступени от отношения скоростей

Рис 5.5 Треугольники скоростей в последней ступени ЦНД турбины при переменных режимах

Если в решетках последней ступени скорости пара докритические, изменение давления за ступенью будет отражаться как на давлении р₁ в зазоре между сопловой и рабочей решетками, так и на давлении р₀ перед ступенью. Начиная с давления, при котором в одной из решеток последней ступени скорость (с₁ или w₂) станет критической, дальнейшее снижение давления за ступенью р₂ не будет сказываться на скоростях потока в сече­ниях, расположенных до места, где возникла критическая ско­рость.

Треугольники скоростей последней ступени ЦНД при D=const и n = const и различных уменьшающихся давлениях р₂ показаны на рис.5.5, а, где расчетный режим отмечен индексом 0, а крити­ческий - _*^. При уменьшении давления р₂ ниже критического, т. е. р₂<р₂* (при этом w₂>w₂*), входной треугольник скоростей остается неизменным, а скорость w₂ увеличивается вследствие расширения пара и отклонения потока в косом срезе рабочей решетки, т. е. β₂>β_2э. По мере уменьшения давления р₂ может быть получено предельное расширение пара в косом срезе ра­бочей решетки, после чего дальнейшее расширение будет про­исходить за рабочей решеткой (за пределами ступени).

При неизменном расходе пара окружное усилие R_u, переда­ваемое на лопатки, возрастает лишь до тех пор, пока увеличи­вается сумма проекций скоростей на окружное направление c₁cosα₁ + c₂cos a₂. После того как будет исчерпана возможность расширения пара в косом срезе рабочей решетки, дальнейшее уменьшение давления р₂ приведет лишь к увеличению осевой со­ставляющей усилия R_a, в то время как окружная составляющая усилия R_u, а следовательно, и мощность ступени останутся не­изменными.

Таким образом, при заданном расходе пара противодавления и уменьшении давления р₂ мощность ступени увеличивается не беспредельно, а только до определенного уровня.

Показанные на рис.5.5, треугольники скоростей последней ступени, построенные для постоянного расхода пара D₂ и его пе­ременного давления р₂, могут в общем случае отражать измене­ние объемного расхода пара Dv₂.

Так как параметры пара по высоте последней ступени пере­менны, рассмотренное изменение режима работы ступени явля­ется приближенным. При докритическом обтекании рабочей ре­шетки расходы пара перераспределяются по ее высоте. При ма­лых скоростях пара с₂, соответствующих режиму с небольшим по сравнению с расчетным относительным объемным расходом Dv₂/(Dv₂)_o, поток оттесняется к периферии ступени. При этом поток отрывается от стенок канала в корневой зоне лопаток, где течение приобретает возвратно-вихревой характер. При этом КПД ступени падает, так как от полезной мощности, создаваемой па­ром в периферийной зоне, отбирается вентиляционная мощность вихревой корневой области. При дальнейшем уменьшении объ­емного расхода пара Dv₂, соответственно малом теплоперепаде и очень большом отношении скоростей u/c_ф ступень переходит в режим холостого хода, а затем — в режим потребления мощно­сти. Поскольку эти режимы связаны с вихреобразованием, ча­стоты которого случайны, возможна вибрация лопаток и даже их поломка. Поэтому длительность таких режимов ограничена.