Преобразование энергии пара в ступени турбины

Степень реактивности. Выходящий из сопл (направляющего аппарата) пар со скоростью с₁ попадает в каналы, образованные рабочими лопатками турбины, и здесь благодаря кривизне лопаток происходит преобразование кинетической энергии в механическую работу вращения рабочего колеса.

При прохождении каналов рабочих лопаток пар в общем случае подвергается дополнительному расширению от давления р₁ в зазоре между соплами и рабочими лопатками до давления р₂ за рабочими лопатками. При этом дополнительном расширении часть энергии пара в ступени превращается в кинетическую энергию.

Таким образом, суммарный располагаемый перепад энтальпий в ступени делится на две части: первая часть h_ан используется в направляющем аппарате ступени, а вторая h_ар — в ее рабочем венце.

Отношение изоэнтропийного перепада энтальпий на рабочих лопатках к располагаемому перепаду энтальпий всей ступени называется степенью реактивности ступени (ρ), т. е.

ρ = h_ap / h_a (12.13)

Степень реактивности показывает, какая часть изоэнтропийного перепада энтальпий ступени приходится на рабочие лопатки.

Зная величину ρ и h_а, легко определить изоэнтропийные перепады энтальпий в соплах и на рабочих лопатках:

h_ан = (1 – ρ) h_a

h_ap = ρ h_a

Приведенные выражения для h_ан и h_ap получены из условия, что сумма перепадов энтальпий в соплах и на рабочих лопатках равна изоэнтропийному перепаду ступени.

В отдельных случаях расчеты упрощаются, если в понятие степени реактивности вместо изоэнтропийного входит располагаемый перепад энтальпий:

ρ* = h_ap / h_a*

Соответственно

h_ap = ρ* h_a*

h_ан = (1- ρ*) h_a*

Сопоставляя выражения для ρ и ρ*, находим связь:

ρ* = ρ h_a / h_a*

Рис. 1.3. Процесс расширения в турбинной ступени, работающей по активно-реактивному принципу в диаграмме i—s

Это не совсем точно, так как из-за расходимости изобар в диаграмме i – s отрезок 1_t – 2'_t на рис.1.3 немного меньше отрезка 1 - 2_t.

Разность между этими отрезками в пределах ступени невелика, поэтому в дальнейшем будем считать, что h'_ap = h_ap.

Если ρ = 0, то в каналах рабочих лопаток не происходит дополнительного расширения пара. Такой принцип преобразования энергии в ступени называется активным принципом действия турбины, а ступень — активной ступенью давления.

Когда ρ = 0,5, то располагаемый перепад энтальпий в ступени преобразуется в кинетическую энергию поровну и в направляющих каналах, и в каналах рабочих лопаток. Принцип преобразования энергии в такой ступени называется реактивным принципом действия турбины, а ступень — реактивной ступенью давления.

Если 0 < ρ < 0,5, то располагаемый перепад энтальпий в ступени преобразуется в кинетическую энергию в большей степени в соплах, а в меньшей — в рабочих лопатках. Такая ступень турбины называется активной ступенью с реактивностью.

В заключение отметим, что степень реактивности ступени меняется по высоте рабочих лопаток, увеличиваясь от корневого сечения к периферии. В дальнейшем, если не оговаривается, указывается степень реактивности на среднем диаметре ступени.

У современных паровых турбин все ступени работают с меньшей или большей степенью реактивности. Поэтому понятие активная и реактивная ступени является условным и характеризует только их конструктивное различие.