книги из ГПНТБ / Плаксионов Н.П. Судовые турбинные установки учебник

Вернемся теперь к нашему основному вопросу — рассмотрению преобразования и изменения скоростей потока в каналах рабочих лопаток.

Пусть пар, поступающий на лопатку турбинного колеса, выходит из сопел (рис. 19, а) под углом ах к плоскости вращения диска и имеет в выходном сечении скорость съ которая является абсолютной ско­ ростью движения пара. Колесо турбины движется в направлении ука­ занной стрелки со средней ок­

ружной скоростью1 , равной

и — И^! м/сек,

60

среднии диаметр ступени, м;

п — частота вращения тур­ бины, об/мин.

Очевидно, что скорость и бу­ дет переносной скоростью. По­ ступая в движущийся с зтсй скоростью канал, образованный рабочими лопатками, пар войдет в него с относительной ско­ ростью wx (т. е. той, которая наблюдается у вращающихся ло­ паток) под углом ßx к плоскости

вращения колеса. Чтобы поток входил в межлопаточные каналы с ми­ нимальным лобовым сопротивлением, относительная его скорость wx должна быть касательной к входным кромкам.

Скорость wx определяют по известной теореме механики как гео­ метрическую разность между абсолютной и переносной скоростями:

Сл—U.

Треугольник, представляющий собой это геометрическое равенство, называется входным треугольником скоростей.

Двигаясь в рабочем канале, пар изменяет свое направление вслед­ ствие кривизны канала и при выходе из него будет иметь относитель­ ную скорость w2, направленную под углом ß 2 к плоскости вращения колеса или к окружной скорости и. Относительная скорость ш2 может быть больше или меньше скорости wx. Под влиянием расширения пара в рабочих лопатках происходит ускорение парового потока. С другой стороны, потери при протекании пара по лопаточному каналу вызы­ вают уменьшения а>3. В чисто активной ступени w2 всегда меньше wlt поскольку струя не приобретает ускорения, а потери имеют место.

1 Под окружной скоростью понимают скорость точек, лежащих на середине высоты лопаток.

30

чувствуем силы ветра, если движемся с той же скоростью и в ту же сторону, что и ветер) и в этом случае к. п. д. также будет равен нулю1 .

А между этими крайними случаями, т. е. приблизительно — = 0,5

с і

(а практически 0,46—0,48), к. п. д. будет наибольшая.

§ 9. ВНУТРЕННИЕ ПОТЕРИ И ВНУТРЕННИЙ К. П. Д. ТУРБИНЫ

Под внутренними понимают потери, влияющие на со­ стояние протекающего внутри турбины пара. Это потери в соплах, на рабочих лопатках, с выходной скоростью пара, от влажности пара, на трение и вентиляцию, на выколачивание, через внутренние зазоры.

Потери на рабочих лопатках. При течении пара в каналах между рабочими лопатками получаются значительные потери энергии, ве­ личина которых учитывается коэффициентом скорости на лопатках гр. Этот коэффициент, так же как и коэффициент ф, определяют опытным путем—обычно воздушной продувкой неподвижных плоских решеток профилей лопатки в специальной экспериментальной установке (по­ добной аэродинамическим трубам, в которых исследуют воздушные винты для самолетов). Величина о|) для активных турбин равна 0,83—0,92.

Потери на лопатках выражаются в виде

Потери с выходной скоростью пара. Пар, выходя с рабочих лопа-

ток турбины с абсолютной -коростыо с2 , уносит энергию, равную щ.

Этот неиспользованный из рабочих лопатках запас кинетической энер­ гии 1 кг пара носит название потери с выходной скоростью. В тепло­ вых единицах она будет равна:

В многоступенчатых турбинах выходная скорость полностью или

влаг*:. При увеличении влажности пара размеры частичек влаги рас­ тут и превращаются в маленькие капельки воды. Эти капельки, увле­ каемые паром, движутся с меньшей скоростью, чем пар.

32

Если пар, вытекающий из сопла с абсолютной скоростью сг (рис. 20), входит в лопаточный канал без удара, имея относительную скорость Wi, то частицы воды, движущиеся со значительно меньшей скоростью с|, войдут в канал с относительной скоростью w\. В ре­ зультате капли воды будут ударяться о выпуклую часть лопаток. Эти удары вызывают эрозию у входных кромок и создают тормозящий момент на диске, что приводит к снижению окружного к. п. д. ступени.

В первом приближении можно считать, что снижение окружного

некоторое количество механической энергии. Это обусловливает так называемые потери на трение диска о пар.

При вращении диска с неработающими лопатками последние будут производить некоторую вентиляционную работу, что вызывает венти­

Вентиляционные потери во много раз больше потерь на трение диска о пар, так что последними можно пренебречь, но обычно эти

Потери на выколачивание. Если ступень имеет парциальный впуск пара s, то в промежуток времени, затрачиваемый рабочими лопатками на прохождение дуги (1 — г)ка, в пределах которой подвод пара к лопаткам не производится, в каналах лопаток течение прекращается и они заполняются застойным паром.

этот толчок, т. е. на выталкивание неподвижной (относительно лопаток) массы пара, расходуется часть кинетической энергии потока при соот­ ветствующем снижении относительной скорости входа в рабочий ка­ нал. Такой расход кинетической энергии носит название потери на вы­

33

единицах qBK ккалікг. Величина потерь невелика, вычисляют ее по эмпирической формуле.

Потери от утечек пара через уплотнения диафрагм и радиальные зазоры лопаток. В активных турбинах некоторое количество пара пе­ ретекает через зазоры в уплотнениях диафрагм, минуя сопла и не со­ вершая полезной работы. В реактивных турбинах пар расширяется как в направляющих, так и в рабочих лопатках, вследствие чего по обеим сторонам лопаток создается разность давлений, и пар проходит с одной стороны лопаток в другую через радиальный зазор. Эти потери, обозначаемые qyr, определяются по эмпирическим формулам.

Указанные потери особенно велики в первых ступенях реактивных турбин, где при небольшой высоте лопаток имеются относительно боль­

Вследствие потерь в турбине каждый килограмм пара преобразует внутри турбины не всю располагаемую энергию, т. е. располагаемый

Отношение внутреннего теплоперепада в турбине к располагаемо­ му является относительным внутренним к. п. д. турбины и обозначает­ ся iQoif-

Следовательно, относительный внутренний к. п. д. учитывает внут­ ренние потери в турбине и дает долю располагаемой энергии, переда­ ваемой валу турбины, r\oit современных турбин достигает 80—85%.

§ 10. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И МЕХАНИЧЕСКИЙ К. П. Д. ТУРБИНЫ

Мощность, развиваемая внутри турбины, неполностью передается на вращение гребного вала или на фланец соединительной муфты. Часть мощности теряется на преодоление механических со­

Потери в самой турбине. Сюда относятся трение в подшипниках турбины и расход мощности на приведение в действие механизмов

. и приборов, связанных стурбиной-(масляные насосы, регуляторы, тахо­ метры и т. п.). Эти потери учитываются механическим к. п. д. турбины цт и составляют 1—3% внутренней мощности турбины.

Потери на вращение неработающих колес ТЗХ. При вращении вхо­ лостую колес заднего хода значительно теряется мощность (до 2% внутренней мощности турбины). Эта потеря учитывается к. п. д. г)3 ,х .

Потери в зубчатых передачах. В зубчатых передачах турбины мощ­ ность расходуется на преодоление трения в зацеплении зубцов щесте-

34

рен с зубцами большого зубчатого колеса, в опорных подшипниках зубчатого колеса и шестерен и в главном упорном подшипнике, который у современных турбин встраивают в корпус зубчатой передачи.

Потери в зубчатых передачах учитываются к. п. д. т|3 .х . К. п. д. простой зубчатой передачи составляет 98—98,5%, двойной передачи 96—97%; к. п. д. электропередач составляет 92—96%.

Этот к. п. д. учитывает все перечисленные выше механические по­ тери, поэтому для коэффициента можно написать следующее выраже­ ние:

Общий механический к. п. д. турбины достигает 94—96%.

§ 11. ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Цикл Ренкина. Схема паросиловой установки, рабо­ тающей по циклу Ренкииа, изображена на рис. 21 .

В паровом котле 1 при постоянных давлении и температуре вода превращается в пар, а в пароперегревателе 2 котла при том же постоян­ ном давлении пар перегревается. Перегретый пар из пароперегревате­ ля по трубе 3 поступает в паровую турбину 4, где расширяется, совер­

где / — работа, совершаемая 1 кг пара при условии полного перепада теплосодержания пара в начале.и конце расширения, кгм; Qx — количество тепла, затрачиваемое на получение 1 кг пара, ккал.

Полезная работа1 кг пара установки, работающей по циклу Ренкина, будет эквивалентна разности теплосодержаний пара при впуске в турбину и в конце расширения, т. е.

воды в котле. Эти меры обеспечивают снижение расхода топлива на парообразование в котле и удельного (на 1 л. с. ч) расхода топлива в турбине.

Регенеративный цикл. Для повышения терщіческого к. п. д. паро­ силовой установки создали так называемый регенеративный цикл, сущность которого состоит в том, что в процессе расширения в турбине часть пара отбирают и используют для подогрева питательной воды, поступающей в котел. При этом уменьшается количество тепла, необ­ ходимое для доведения воды до температуры насыщения.

Теоретически можно доказать, что чем больше точек отбора пара для регенерации тепла, тем больше процесс расширения регенератив­ ного цикла приближается к наивыгоднейшему изотермическому процес­ су расширения. В практических условиях приходится ограничиваться отборами в двух—пяти местах. При этом термический к. п. д. установки повышается на 5—10%.1

На рис. 22 приведена принципиальная тепловая схема паросиловой установки с одним отбором пара для регенеративного подогрева пита­

Суммарная мощность, развиваемая турбинами высокого и низкого давлений, при помощи двухступенчатого редуктора 3, снижающего обороты, передается гребному винту.

Из ТНД пар с теплосодержанием і2 поступает в главный конденса­ тор 5, прокачиваемый забортной водой от циркуляционного насоса 6. В

36

вспомогательный конденсатор 8 эжектора 9 (пароструйный насос, от­ качивающий из конденсатора воздух).

Отдача тепла забортной воде в конденсаторе — самая большая по­ теря тепла в тепловом балансе паротурбинной установки. Для умень­ шения этой потери частично возвращают тепло в цикл путем отбора отработанного в турбине пара для подогрева питательной воды.

Эжектор 9 питается от магистрали свежего пара. Пройдя конденса­ тор 8 эжектора, конденсат подогревается в нем и поступает в деаэра­ тор 10, где одновременно с подогревом воздух выделяется и отсасыва­ ется1 . Из деаэратора конденсат принимается питательным насосом 11

Рис. 22. Паротурбинная установка с регенеративным подогревом питательной воды

и прокачивается через подогреватель 12. Подогретая питательная вода возвращается в котел, где нагревается до температуры насыщения и испарения (при постоянном давлении рх). РІз котла пар поступает в па­ роперегреватель, где температура его повышается (при постоянном давлении рх) до температуры іх). В турбину заднего хода (ТЗХ) пар поступает по паропроводу 13.

§ 12. К. П. Д. ТУРБИНЫ. Р А С Х О Д ПАРА И МОЩНОСТЬ

К. п. д. турбины. Относительным эффективным к.- п. д. называется отношение валовой мощности к располагаемой:

где N0 — мощность идеальной турбины.

1 В некоторых современных паротурбинных уртановках деаэраторов нет.

37

Этот коэффициент учитывает все потери в T3À, следовательно, значение его может быть получено из уравнения

гими двигателями необходимо учесть еще термический к. п. д. установ­ ки и к. п. д. котла.

работающих на высоких параметрах с регенерацией и промежуточным перегревом пара r\t, достигает 42—44%.

К. п. д. котла называется отношение количества тепла, полезно использованного на испарение и перегрев пара, к общему количеству тепла, которое при сгорании может выделить топливо, затрачиваемое

дельных случаях она может достигнуть 32—34% за счет применения высоких параметров пара и значительного усложнения установки за счет промежуточных отборов и промежуточного перегрева пара.

Определение расхода пара. В турбине каждый килограмм пара пре­ вращает в полезную работу не весь располагаемый теплоперепад На,

Отсюда определяют секундный расход пара для получения мощности

5,69#0 ц]ое

Для паросиловых установок показателем экономичности работы (кроме к. п. д.) является удельный расход пара — количество пара,

38

где величина 632,3 ккал/л. с. ч представляет собой число килокало­ рий, эквивалентное мощности в 1 л. с, развиваемой в течение 1 ч.

Удельный расход пара De у сов­ ременных турбин морского торгового флота достигает 1,7-—2,5 кг/л. с. ч. Имея удельный расход пара, не­ трудно найти секундный расход:

Величина падения давления тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.

Мятие пара приводит к снижению экономичности паросиловой уста­ новки, поэтому не рекомендуется при длительной работе турбины уменьшать мощность прикрыванием маневрового клапана.

8.Что называется внутренним к. п. д. турбины?

9.Что называется эффективным к. п. д. турбины? Какие потери учитывает эффективный к. п. д.?

10. Что называется секундным расходом пара и удельным расходом пара? 11. Напишите формулу для определения удельного расхода пара.

39