Потери энергии в решетках

В соответствии с современной классификацией потери энергии в турбинных (а также компрессорных) решетках разделяются:

- на профильные;

- концевые;

- потери, обусловленные взаимодействием решеток и нестационарностью потока.

Профильные потери. Они объединяют группу потерь, зависящих от конфигурации профиля:

- потери от трения в пограничном слое;

- потери от срыва пограничного слоя;

- кромочные потери;

- волновые потери.

Профильные потери в решетке учитываются коэффициентом профильных потерь ζ_пр, который равен отношению потерянной кинетической энергии к располагаемой. Коэффициент профильных потерь равен сумме коэффициентов потерь отдельных составляющих

ζ_пр = ζ_тр + ζ_срыв + ζ_кр + ζ_волн

Потери от трения в пограничном слое возникают из-за вязкости рабочей среды и шероховатости поверхности лопаток.

При обтекании лопатки вязкой средой у ее поверхности образуется пограничный слой, скорость в котором изменяется от нуля у поверхности до скорости ядра потока на внешней границе пограничного слоя.

Рис. 4.14. Схема пограничного слоя на профиле:

а) — эпюра скоростей в пограничном слое; б) — образование диффузорного участка

Движение частичек среды с различной скоростью и является причиной возникновения потерь от трения в пограничном слое.

В ядре потока, где скорости частичек мало меняются, потери от трения, как и другие гидравлические потери, отсутствуют.

По мере эксплуатации турбин шероховатость лопаток увеличивается, поскольку происходят процессы эрозии и коррозии, отложения солей, продуктов сгорания и т. д.

Увеличение шероховатости приводит к росту потерь от трения и уменьшению расхода рабочей среды в решетках, что отрицательно сказывается как на К. П. Д., так и на мощности турбины.

По опытным данным пятикратное увеличение относительной шероховатости лопаток уменьшает К. П. Д. ступени на 4 — 5%. Учитывая изложенное, в период эксплуатации необходимо принимать все меры по поддержанию чистоты поверхности лопаток, не допуская их загрязнения.

Потери от срыва пограничного слоя возникают при большой неравномерности распределения давления по контуру профиля.

При таком распределении давления в отдельных зонах профиля появляются интенсивные диффузорные участки со значительным утолщением пограничного слоя вследствие подтормаживания потока обратными течениями у поверхности лопатки.

Наиболее благоприятные условия для срыва пограничного слоя возникают при обтекании потоком спинки лопатки на участке наибольшей кривизны профиля, а также у выходной кромки.

Срыв пограничного слоя в несколько раз увеличивает профильные потери, резко снижая К. П. Д. турбинной ступени. В компрессорной ступени срыв пограничного слоя и завихрение потока в канале могут привести к полному нарушению работы компрессора (помпаж).

Кромочные потери возникают в результате срыва пограничных слоев с вогнутой и выпуклой поверхностей лопатки за выходной кромкой и образования за кромкой завихренной области — вихревого следа (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Вихревой след за выходной кромкой лопатки

Давление и скорость в вихревом слое меньше, чем в ядре потока, поэтому величины р₁, с₁ и а₁ являются переменными по шагу решетки (рис. 4.17).

Кромочные потери учитываются коэффициентом ζ_кр кромочных потерь. Его значение зависит главным образом от относительной толщины выходной кромки s/a (рис. 4.18).

Рис. 4.18. К определению кромочных потерь

Приближенно коэффициент кромочных потерь определяется по формуле:

ζ_кр = k (s /a)

Где: k = 0,1 ÷ 0,22 — опытный коэффициент.

Для снижения кромочных потерь толщина s выходной кромки в современных профилях уменьшается до 0,3 ÷ 1,0мм.

Меньшие значения относятся к лопаткам, работающим в области перегретого пара, большие — к лопаткам газовых турбин (для повышения их износостойкости).

Волновые потери возникают в потоке, движущемся со звуковой или сверхзвуковой скоростью, т. е. при М ≥ 1,0.

Причиной этих потерь является особенность сверхзвукового потока, которая проявляется в том, что переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую (например, при обтекании сверхзвуковым потоком какого-либо тела, рис. 4.19) происходит скачкообразно с образованием тонкого слоя сжатого газа, называемого скачком уплотнения.

Рис. 4.19. Волновые потери в потоке

В зависимости от формы тела и скорости потока скачок уплотнения может быть прямым (плоским), если фронт его волны располагается перпендикулярно скорости потока, или косым, если фронт волны составляет с направлением потока острый угол.

На образование скачка уплотнения затрачивается кинетическая энергия, которая в скачке переходит в потенциальную, в результате давление и температура в слое сжатого газа повышаются.

Процесс сжатия в скачке уплотнения протекает с потерями, поэтому его образование сопровождается ростом энтропии.

Скорость и кинетическая энергия потока за скачком уплотнения меньше, чем до него. Особенно сильно уменьшается скорость в плоском скачке уплотнения, при прохождении через который скорость потока становится меньше скорости звука.

При прохождении сверхзвуковым потоком косого скачка уплотнения скорость за ним может оставаться больше скорости звука. Отсюда следует, что волновые потери наибольшие, если в потоке возникают плоские скачки уплотнения.

Чтобы избежать последних, входную кромку обтекаемого сверхзвуковым потоком тела надо выполнять заостренной в отличие от каплеобразной формы входной кромки, характерной при дозвуковом потоке.

Концевые потери. Они возникают на торцевых поверхностях сопловых и рабочих каналов, т. е. у корня и вершины лопаток.

Концевые потери состоят из:

- а) потерь от трения в пограничном слое на торцевых стенках каналов;

- б) потерь от парного вихря.

Рассматриваемые потери учитываются коэффициентом ζ_к концевых потерь.

Потеря от трения в пограничном слое на торцевых стенках каналов имеет одинаковую природу с потерями от трения в пограничном слое на поверхности лопатки.

Сущность потери от парного вихря заключается в следующем.

Давление на вогнутой и выпуклой поверхностях профиля неодинаковое (рис. 4.14). Вследствие торможения потока давление на вогнутой поверхности всегда больше, чем на выпуклой, где поток интенсивно ускоряется.

В связи с этим в пограничном слое на торцевой стенке происходит перетекание рабочей среды от вогнутой поверхности лопатки, имеющей более высокое давление, к спинке лопатки с более низким давлением (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Схема образования парного вихря (а) и вторичные течения в канале (б)

Взаимодействуя с основным потоком, утолщенные пограничные слои срываются со спинки вблизи выходной кромки и образуют два вихря, вращающихся в противоположных направлениях. Это явление и называется парным вихрем.

Между сопловой и рабочей решетками турбинной ступени имеется осевой зазор, необходимый для предотвращения касания рабочих лопаток о неподвижные сопловые лопатки.

Он измеряется расстоянием от выходных кромок сопловых до входных кромок рабочих лопаток.

Осевой зазор δ_а можно представить в виде суммы закрытых осевых зазоров δ^з_а1 и δ^з_а2 и открытого осевого зазора δ^о_а (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Конструктивная схема осевой турбинной ступени

В пределах закрытого осевого зазора, ограниченного стенками канала, наблюдается потеря энергии от трения потока в пограничном слое на торцевых поверхностях.

В открытом осевом зазоре, где поток соприкасается с рабочей средой, имеющей скорость, не равную скорости основного потока, кроме внутреннего трения между частичками среды, возникает потеря от утечки среды через осевой зазор у корня и вершины лопатки (рис. 4.24, а) или от подсоса рабочей среды из зазора в рабочий канал (рис. 4.24, б).

Возможны случаи, когда в осевом зазоре одновременно наблюдаются и подсос и утечка рабочей среды (рис. 4.24, в).

Рис. 4.24. Перетекание рабочей среды через осевой зазор:

а) — степень реактивности у корня и у вершины лопатки ρ > 0;

б) — степень реактивности у корня и у вершины ρ < 0;

в) — степень реактивности у корня ρ < 0, а у вершины ρ > 0

Утечки и подсос увеличивают потери в турбинной ступени, причем особенно неблагоприятным является подсос рабочей среды из осевого зазора в рабочий канал.

Для уменьшения утечек или подсоса открытый осевой зазор должен приниматься как можно меньшим. Он ограничивается исключительно условиями надежности работы турбины, так как при касании подвижных и неподвижных лопаток может произойти одна из самых серьезных аварий.

Допустимый размер открытого осевого зазора δ^о_а зависит от геометрических размеров ступени, ее расположения по отношению к упорному подшипнику, конструкции турбины, а также от температуры рабочей среды.

В паровых турбинах при расположении упорного подшипника со стороны впуска пара зазор δ^о_а чаще всего находится в следующих пределах:

в ТВД = 0,6 ÷ 1,5мм;

в ТНД = 1,0 ÷ 3,0мм.

Значение суммарного осевого зазора δ_а в ступенях паровых турбин активного типа составляет:

в ТВД = 4 ÷ 6мм;

в ТНД = 4 ÷ 8мм.

Большие значения относятся к последним ступеням с лопатками высотой более 500мм.

ВНУТРЕННИЕ ПОТЕРИ В СТУПЕНИ

К внутренним относятся все потери, имеющие место внутри ступени.

Кроме ранее рассмотренных профильных и концевых потерь и потерь с выходной скоростью, учитываемых окружным к. п. д., к внутренним потерям относятся:

- потери от трения и вентиляции;

- от парциального (частичного) впуска;

- от утечки рабочей среды;

- от влажности пара и др.

Внутренние потери в отличие от внешних (например, трение в подшипниках) изменяют состояние рабочей среды и могут быть представлены в диаграмме i — s.

Потери от трения. Они возникают из-за того, что диск ротора турбины вращается в камере, заполненной рабочей средой (рис. 4.54, а). При вращении диск увлекает среду и придает ей вращательное движение. С другой стороны, рабочая среда, находящаяся в камере, подтормаживается неподвижной стенкой диафрагмы.

В результате совместного воздействия вращающегося диска и неподвижной диафрагмы скорость среды в зазоре между диском и диафрагмой изменяется, как показано на рис. 4.54, б.

Рис. 4.54. К расчету потери трения:

a) — продольный разрез ступени; б) — изменение скорости потока в зазоре между диском и диафрагмой;

1 — диафрагма; 2 — диск

Частицы среды, непосредственно примыкающие к стенке диафрагмы, имеют скорость, равную нулю.

В пограничном слое у диафрагмы скорость увеличивается и становится равной некоторой скорости с_т, с которой вращается основная масса среды, заключенная между диском и диафрагмой.

В пограничном слое у поверхности диска скорость частичек вновь увеличивается от с_т до окружной скорости и у поверхности диска в рассматриваемом сечении. Средняя скорость с_т зависит от степени шероховатости стенок диска и диафрагмы.

Потери от вентиляции. Они имеют место в ступенях с парциальным (частичным) впуском рабочей среды.

При парциальном впуске (ε < 1,0) часть рабочих лопаток, на которые не поступает поток, выходящий из сопловых каналов, вращается в относительно неподвижной среде. Поэтому между лопатками и рабочей средой возникает трение, на преодоление которого затрачивается полезная работа. Кроме того, вращающиеся лопатки перемещают среду, находящуюся в камере, подобно тому, как это бывает при работе вентилятора.

Потери от выколачивания. При парциальном впуске, кроме потерь от вентиляции, возникают потери на краях сопловой дуги, которые условно именуются потерями от выколачивания.

Физическая сущность этих потерь заключается в следующем.

При движении рабочих лопаток в неактивной зоне облопачивания межлопаточные каналы рабочей решетки заполняются застойной рабочей средой.

В момент подхода таких каналов к сопловой дуге кинетическая энергия потока, выходящего из сопл, частично расходуется на выталкивание («выколачивание») неподвижной среды, заполняющей каналы рабочей решетки.

Одновременно с этим в начале сопловой дуги наблюдается подсос среды из осевого зазора в рабочий канал, как показано на рис. 4.55.

Рис. 4.55. Схема потерь от парциальности впуска

На другом конце сопловой дуги при выходе рабочего канала из активной зоны возникает потеря из-за нарушения нормального течения потока в частично заполненном рабочем канале. Кроме того, здесь же имеет место потеря от утечки рабочей среды в осевой зазор.

Потери от утечек в лабиринтовых уплотнениях. Лабиринтовые уплотнения применяют в диафрагмах и в концевых уплотнениях ротора. Схема лабиринтового уплотнения приведена на рис. 4.57, а.

Уплотнение состоит из ряда щелей (зазоров), образованных заостренными кромками уплотнительных гребней и расширительных камер между уплотнительными гребнями.

Проходя щель, рабочая среда расширяется и ее давление падает, а скорость увеличивается (рис. 4.57, б).

По выходе из щели поток ударяется в бурт на роторе или в уплотнительный гребень. Вследствие завихрения в расширительной камере скорость потока уменьшается почти до первоначальной. Кинетическая энергия при этом превращается в тепловую.

Таким образом, принцип действия лабиринтового уплотнения основан на расширении рабочей среды в щелях уплотнения с последующим торможением ее в расширительных камерах, вследствие чего давление в камерах уплотнения постепенно уменьшается, а скорость потока по выходе из отдельных щелей увеличивается незначительно.

Количество протекающей через лабиринтовое уплотнение среды определяется скоростью ее выхода из последней щели.

Рис. 4.57. Схема лабиринтового уплотнения:

а) — движение рабочей среды; б) — изменение давления и скорости рабочей среды в уплотнении; 1 — корпус; 2 — вал турбины

С увеличением числа щелей скорость выхода из последней щели уменьшается. Поэтому, увеличивая число щелей, расход через лабиринтовое уплотнение можно уменьшить до заданного значения.

Потери от влажности пара. В отличие от газа и перегретого пара влажный пар является двухфазной средой, состоящей из сухого насыщенного пара и находящихся в нем во взвешенном состоянии капель влаги различных размеров.

При движении в криволинейном сопловом канале крупные капли влаги под действием центробежной силы отбрасываются к вогнутой поверхности лопатки и образуют на ней водяную пленку. Увлекаемая паром водяная пленка перемещается к выходной кромке сопловой лопатки.

Скорость перемещения пленки невелика: 0,5 — 1,7 м/с. Мелкие капли влаги остаются в потоке, образуя у вогнутой поверхности лопатки слой пара с повышенным содержанием влаги.

Если принять, что абсолютная скорость сухого пара за соплами с₁ а угол β₁ входа относительной скорости w₁ сухого пара равен входному углу β_1л лопатки, то капли влаги, имеющие скорость с_1к, меньшую, чем скорость сухого пара, будут поступать в рабочий канал с относительной скоростью w_1к под углом β_1к, значительно большим входного угла лопатки (рис. 4.60).

Рис. 4.60. Работа ступени на влажном паре

Поступая в рабочий канал под углом β_1к > β_1л и имея окружную составляющую скорости w_1ик, капли влаги ударяют во входную кромку рабочей лопатки со стороны ее выпуклой поверхности и оказывают на лопатку тормозящее действие.

Из треугольника скоростей следует, что тормозящее действие капель влаги будет тем больше, чем меньше их скорость и больше окружная скорость лопаток.

Кроме снижения К. П. Д. влажнопаровых ступеней, наблюдается износ деталей паровой турбины под действием влаги, текущей в ее проточной части. Износ деталей под действием движущейся с паром капельной и пленочной влаги называется эрозионным, а процесс износа — эрозионным изнашиванием.

Часто оба термина объединяют словом эрозия.

Для защиты деталей турбин от эрозии применяют различные способы, которые можно разделить на активные, связанные, с удалением или снижением влаги в проточной части, пассивные, связанные с повышением эрозионной стойкости поверхностей деталей, и смешанные активно-пассивные.

Для частичного удаления влаги из проточной части в турбинах предусматриваются влагоулавливающие устройства.

Последние могут размещаться за рабочими лопатками (межступенчатая сепарация) или между сопловыми и рабочими лопатками (внутриступенчатая сепарация).

В турбинах, работающих на сухом или слабоперегретом паре с повышенным или высоким начальным давлением, кроме отмеченных влагоулавливающих устройств, используется межкорпусная сепарация.

Межкорпусная сепарация применяется в ядерных энергетических установках с реактором водо-водяного типа.

Она является наиболее эффективной. Степень сухости пара по выходе из выносного сепаратора составляет 0,99 — 0,995.

Существующие методы повышения эрозионной стойкости лопаток сводятся к повышению твердости их поверхностного слоя, приданием входной кромке специальной формы.

Рис. 4.61. Эрозионностойкая рабочая лопатка:

1 — продольные канавки; 2 — наклонная продольная площадка; 3 — перо

Наиболее распространенными методами упрочнения являются хромирование лопаток, электроискровое упрочнение, напайка на лопатки стеллитовых пластин.

В построенных судовых турбинах степень влажности пара в выходном сечении рабочих лопаток последней ступени обычно не превышает 12 — 13%, что необходимо во избежание значительной эрозии лопаток.

Кроме уже рассмотренных потерь (на окружности, трения и вентиляции, утечки рабочей среды, влажности пара и др.), в турбинной ступени имеются внутренние потери:

- обусловленные возмущениями в потоке из-за наличия связной проволоки;

- отборов пара;

- подсосов в корневые сечения лопаток;

- утечками рабочей среды через стыки наборных сопл и диафрагм.

Полезная работа, совершаемая рабочей средой массой 1кг с учетом всех внутренних потерь, называется внутренней работой.

Внутренняя работа называется также внутренним перепадом энтальпий.

Он равен разности полного изоэнтропийного теплоперепада ступени и суммы внутренних потерь, т. е.:

h_i = h*_a - ∑q_вн = h*_a – q_н – q_p – q_a – q_УТ – q_x – q_Т.В –q_ВЫК

Или

h_i = h_u - ∑q_вн

где: h_u = h*_a — q_H — q_p — q_a — окружной перепад энтальпий;

∑q_вн — сумма внутренних потерь, за исключением потерь на окружности колеса.

На рис. 4.62 внутренний перепад h_i показан в диаграмме i—s для активной ступени, работающей без использования выходной энергии. Он равен разности полной энтальпии перед ступенью и энтальпии за ступенью, т. е.: h_i = i^*₀ — i₂

Рис. 4.62. Процесс расширения в турбинной ступени в диаграмме i—s (ρ = 0)