Тема №13. Многоступенчатые турбины

Основные предпосылки создания многоступенчатых турбин

В целях повышения экономичности газотурбинных установок стремятся повысить параметры газа перед турбиной, понизить давление на выходе (за счет установки диффузора), что приводит к увеличению располагаемого теплоперепада на турбину.

Мощность турбины зависит от расхода рабочего тела, располагаемого теплоперепада и внутреннего КПД турбины:

.

В современных газовых турбинах располагаемый теплоперепад составляет 500…700 кДж/кг. Если осуществить расширение газа в одной ступени, то фиктивная скорость составит

м/с.

Для активной ступени скорость газа на выходе из сопел при этом составит 900 – 1100 м/с, а для реактивной – 700 – 900 м/с.

Для создания экономичной ступени требуется обеспечить на среднем диаметре ступени оптимальное отношение скоростей . Из теории ступени и из треугольников скоростей следует, что оптимальное значение х_ф для любой ступени составляет

.

Для активной ступени при =12⁰;  = 0,97; х_ф,опт= 0,47; а для реактивной ступени х_ф,опт= 0,67.

Приняв для активной ступени х_ф,опт= 0,5 получим u = 450 – 550 м/с, а для реактивной – х_ф,опт= 0,7 – u = 500 – 650 м/с.

Обеспечить прочность ротора и лопаток при таких окружных скоростях довольно сложно, а в лопаточном аппарате при указанных скоростях потока будут очень большие потери вследствие высоких чисел Маха.

Использование многоступенчатых турбин позволяет распределить располагаемый теплоперепад между ними и уменьшить и окружные скорости и скорости потока до приемлемых значений.

Преимущества многоступенчатых турбин

1. За счет уменьшения теплоперепада, приходящегося на одну ступень, удается оптимизировать теплоперепады, т. е. получить оптимальное отношение скоростей (u/c_ф), умеренные значения М и следовательно, высокий КПД каждой ступени.

2. С ростом числа ступеней растет высота сопловых и рабочих лопаток. Действительно, с уменьшением окружной скорости можно уменьшить диаметр ступеней ( ). Из формулы следует, что с уменьшением диаметра растет высота лопаток. Этот рост еще существенней, поскольку с уменьшением теплоперепадов на ступени уменьшается скорость истечения из сопел и это тоже приводит к росту площади . Увеличение высоты лопаток благотворно сказывается на внутреннем КПД ступеней: уменьшаются концевые потери и утечки в зазорах.

3. В многоступенчатой турбине энергия выходной скорости предыдущей ступени может быть использована в последующей ступени. Эта энергия повышает располагаемую энергию последующей ступени.

4. В многоступенчатой турбине тепловая энергия потерь предыдущих ступеней частично используется в последующих ступенях за счет явления возврата теплоты (см. ниже).

5. В газотурбинных установках многоступенчатая конструкция позволяет разбить турбину на каскады, что удобно с точки зрения регулирования приводной мощностью, а также с точки зрения противопомпажной защиты.

6. В паровых турбинах многоступенчатая конструкция позволяет осуществить отборы пара на регенерацию, промперегрев, в регулируемые отборы.

Недостатки многоступенчатых турбин:

1. Усложнение и удорожание конструкции.

2. Увеличение утечек пара в концевых и диафрагменных уплотнениях.

3. Дополнительные потери в перепускных трубах и патрубках. В паровых турбинах дополнительные потери в клапанах, входных и выходных патрубках (при многоцилиндровой конструкции).

Коэффициент возврата теплоты

Потери энергии в каждой ступени, как это следует из h-s – диаграммы, вызывают повышение температуры рабочего тела перед последующими ступенями. Это приводит к увеличению теплоперепадов на последующих ступенях.

Тогда , где - действительные располагаемые теплоперепады на ступенях, - располагаемый теплоперепад на турбину по основной изоэнтропе, - возвращенная теплота.

Тогда КПД турбины:

.

Допуская, что КПД всех ступеней одинаков и равен , и обозначая коэффициент возврата теплоты q, получим:

,

т.е. КПД турбины выше КПД отдельных ступеней.

Коэффициент возврата теплоты для неохлаждаемых турбин лежит в пределах 0,02 – 0,10 в зависимости от H₀, числа ступеней и их КПД.

Рис. 13.1. Зависимость значения коэффициента возврата теплоты от количества ступеней и их относительного лопаточного КПД

В турбинах с охлаждаемыми лопатками коэффициент возврата теплоты принимают равным нуля, а иногда и меньше нуля.