книги из ГПНТБ / Ипатов Е.А. Теория и тепловые расчеты корабельных паровых и газовых турбин учебник

водить путем последовательных приближений, принимая Xz и за­ тем определяя его значение после вычисления длины лопатки.

Принятое значение ~кг, как это изложено в предыдущем слу­ чае (см. § 2 гл. IV), должно обеспечивать при данной окружной скорости лопаток такие напряжения в лопатках, которые не пре­ вышают допускаемые. Таким образом, исходя из возможных зна­ чений 4Z, выбирается с помощью графика на рис. П-20 величина реактивности на среднем диаметре последней ступени pz. После

= V ch+ uz - 2u*chcos “i*;

При определении скорости c2z угол (32z находится из отноше-

sin а.

кия sin p2z , снятого с графика на рис. П-7.

Имея значения скоростей, можно определить изоэнтропийный перепад тепла

252

длину рабочей лопатки

,° ^ г

и отношение

Если полученная величина Xz не соответствует принятому с помощью графика на рис. II-20 значению реактивности pz, необ­ ходимо внести соответствующие коррективы и при необходимости повторить расчет.

При вычислении высоты лопатки 1Рг удельный объем v2z в

случае паровой турбины определяется по диаграмме i — s в конце приближенной линии процесса расширения пара в рассматривае­ мой группе ступеней. В случае газовой турбины v 2 определится

из уравнения состояния по известным величинам давления и тем­ пературы газа в конце процесса расширения

где

^ a ^ l t (Jaz

СрТ'о

Для определения числа ступеней в группе необходимо принять закономерность распределения перепада тепла по ступеням. В данном случае целесообразно с целью создания приблизительно одинаковых условий работы ступеней принимать располагаемые теплоперепады одинаковыми во всех ступенях, то есть

Тогда, считая, что выходные энергии в ступенях также прибли­

или приближенно

Ласр яз h'H — (0,7 -4- 0,8) ?az.

253

Число ступеней

z = RH,

^аср

Коэффициент возвращенного тепла R так же, как и в предыду­ щем случае (см. § 2), сначала принимается, а затем уточняется по формуле (II-119) или по диаграмме i — s. Перепады тепла и дру­ гие параметры в остальных ступенях рассматриваемой группы можно определить, построив профиль проточной части группы. Ввиду того, что в данном случае плавность проточной части легко обеспечивается и длины ступеней отличаются друг от друга незна­ чительно, нет необходимости для построения профиля проточной части производить расчет первой ступени, как это было сделано в

§ 2.

Построение меридионального сечения проточной части в дан­

где 1 с т 2— определяется с помощью графиков на рис. IV-4, IV-5 и IV-6.

Выбирается тип проточной части, и в соответствии с ним прово­ дится линия постоянного диаметра, то есть для типа I линия D =

дикулярном направлении в соответствии с выбранным типом ме­ ридионального сечения откладывается величина lpz и проводится

прямая, характеризующая изменение высот лопаток вдоль проточ­

сем точное назначение этого угла не вызовет затруднений при про­ изводстве детального теплового расчета ступеней, так как измене­ ние этого угла на 2—3° при короткой проточной части очень мало изменяет высоты лопаток и еще меньше средние диаметры ступе­ ней. При необходимости сохранения профилей лопаток во всех сту­ пенях одинаковыми угол у при детальных расчетах приходится в отдельных случаях увеличивать до больших значений, но не пре­ вышающих 20—25°.

В результате построения профиля проточной части (рис. IV-13)

254

Значения полученных величин позволяют с помощью кривых на рис. П-20 и рис. II-6 назначить величины степеней реактивности

„и

ри отношении — в ступенях, что, в свою очередь, дает возмож­

но ность определить располагаемые теплоперепады

и изоэнтропийные перепады тепла в ступенях:

зовой турбине, определить величины напряжения в лопатках и .их температуры. Напряжение можно вычислить по приближенной формуле (1V-189), а температуру из выражения

г ,,=

При этом ввиду того, что параметры ступеней рассматриваемой группы отличаются друг от друга несущественно, величину

./sinccA2 „

\sirTp~J можно принимать по данным последней ступени. Вели-

255

чина напряжения в лопатках и их температура сравнивается с раз­ рушающим напряжением для принятого материала с учетом за­ паса прочности.

§4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ СТУПЕНЕЙ, РАБОТАЮЩИХ

СПАРЦИАЛЬНЫМ ВПУСКОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Как известно, парциальный впуск применяется в турбинных ступенях с малыми объемными расходами. Такие ступени имеют место в турбинах высокого давления и в турбинах вспомогатель­ ных механизмов паровых ТЗА. Применение этих ступеней вызы­ вается необходимостью уменьшения концевых потерь и потерь из-за протечек через периферийные зазоры, которые сильно воз­ растают при малых высотах лопаток. Однако при увеличении вы­ сот лопаток посредством уменьшения степени впуска е одновре­ менно с уменьшением потерь на концах лопаток происходит увели­ чение других потерь, обусловленных наличием парциальности (вентиляционных и выколачивания).

Поэтому для каждой турбинной ступени с парциальным впус­ ком рабочего тела должна существовать оптимальная величина е, соответствующая минимуму суммарных потерь, состоящих из кон­ цевых (включая протечки через зазоры), вентиляционных потерь и потерь на «выколачивание». Наличие дополнительных потерь в ступенях с парциальным впуском оказывает влияние на оптималь­ ные значения режимных параметров турбинной ступени.

В ступени с парциальным подводом возникают течения, на­ правленные к краям дуги впуска, и увеличиваются протечки на неактивной дуге. Эти явления усугубляются при больших значе­ ниях степени реактивности в ступени, вызывая значительное сни­ жение к. п. д. Поэтому при е < 1 оптимальная величина реактив­ ности изменяется и, проектируя ступени с парциальным подводом, степени реактивности в них целесообразно назначать умеренных значений, которые должны быть тем меньше (но не меньше нуля), чем меньше степень впуска рабочего тела по окружности е.

Из § 7 гл. II известно, что относительные величины потерь, вы­ званных парциальным подводом, пропорциональны отношению

— . Поэтому, если в ступенях с впуском по всей окружности мак-

со

симум к. п.д. на окружности приблизительно совпадает с максиму­ мом внутреннего к. п.д., то в ступенях с парциальным подводом максимум внутреннего к. п.д. по отношению максимума к. п.д. на окружности, как показано на рис. IV-14, смещается влево в сторо­

ну меньших значений — . Вследствие этого, назначая величину со

и

параметра — в ступени с парциальным подводом, нельзя ориен-

с0

тироваться на рекомендации (например, на рис. П-6), позволяю-

256

щие выбрать — , соответствующее irjUmax. В данном случае необ-

со

и ^

ходимо отыскать такое значение — , которое бы соответствовало

наибольшему внутреннему к. п.д. ступени.

Таким образом, задачей предварительного расчета ступени с парциальным подводом и будет являться определение при приня-

и

том значении реактивности оптимальных значении отношения —

со

и степени впуска е. Решение этой задачи выполняется путем про-

Рис. IV-14. Изменение оптимального отношения — в

двухвенечной ступени МЭИ КС-1А-2 при парциальном впуске

U

при каждом значении — производится расчет ступени по трес0

угольникам скоростей в порядке, изложенном в § 1 и 7 гл. VI. Вы­ полненный расчет позволяет путем построения графической зави-

конструктивным соображениям с учетом необходимости снижения

личинами для окончательного детального расчета ступени с пар­ циальным впуском.

Изложенный способ предварительного расчета ступени с пар­ циальным впуском имеет существенные недостатки. Во-первых, он достаточно трудоемкий и, во-вторых, не гарантирует правильность выбора оптимальных параметров проектируемой ступени. Это объясняется сложностью явлений, происходящих в ступени с пар­ циальным впуском и неточностью универсальных формул для под­ счета потерь, вызванных частичным впуском.

Поэтому, если при проектировании турбин вспомогательных механизмов (работающих, обычно, при больших сверхкритических скоростях), по которым накоплено еще не достаточно эксперимен­ тальных материалов, приходится и в настоящее время еще при­ бегать к предварительным и детальным расчетам указанным спо­ собом, то есть по треугольникам скоростей, то для ступеней глав­ ных турбин с парциальным впуском от такого метода расчета сле­ дует отказаться.

Многочисленные экспериментальные исследования, проведен­ ные за последние годы различными организациями, позволили от­ работать высокоэффективные одновенечные и двухвенечные сту­ пени с парциальным подводом и накопить достаточно эксперимен­ тальных данных, позволяющих на основе их производить опреде­ ление основных параметров проектируемой ступени.

Наиболее полно в настоящее время экспериментальные данные для расчета ступеней с парциальным подводом систематизирова­ ны Ю. Я- Качуринером [32]. Он, рассматривая опытную зависи­

и

мость внутреннего к.п.д. ступени от отношения — и зависимость с0

суммы потерь (в которую входят потери из-за протечек в зазорах, концевые потери и потери из-за парциального впуска) от высоты сопел получил графики и расчетные формулы для определения оп-

При проектировании турбинной ступени с помощью обобщенных экспериментальных графиков и формул, полученных Ю.,Я. Качу­ ринером, задачи предварительного и детального расчетов ступени будут решаться одновременно, то есть необходимость в предвари­ тельных вариантных расчетах отпадает. Кроме того, поскольку

количества опытных данных применение его ограничено строго оп­ ределенным типом ступеней. Рассмотрим расчет по эксперимен­

258

тальным данным одновенечной и двухвенечной ступеней с пар­ циальным впуском.

А. Расчет одновенечной ступени

Экспериментальные данные для расчета получены на НЗЛ для ступеней, работающих на докритических перепадах, имеющих срав­

нительно короткие лопатки > 10—12^ с современными аэро­

динамическими профилями (си = 13°24', р2 = 22°) и с оптимальны­ ми перекрышами. Суммарный осевой зазор в испытанных ступе­ нях 8а =<1,5 мм, радиальный зазор в уплотнениях по бандажу в

4 = 1 Д - 1 ,3 7 . iH

На рис. IV-15 и рис. IV-16 представлены полученные для дан­ ного типа ступеней экспериментальные зависимости к. п.д. на ок­

при переходе к другим диаметрам рекомендуется вводить поправ­

259

где D и lut в м;

т — число дуг впуска (число работающих групп сопел).

При переходе от к. п. д. на окружности к внутреннему к. п. д. ступени необходимо вычислить коэффициенты внутренних потерь по эмпирическим формулам, полученным в результате испытания данного типа ступеней.

Эти формулы имеют следующий вид:

а) коэффициент потери на трение и вентиляцию

ку на рис. IV-18.

При испытании ступеней были получены также графики, позво­

1Н. В данном случае под коэффициентом расхода ступени имеется

изменяется на величину ± 0,008. Используя приведенные графи­ ки и формулы, расчет одновенечной ступени с парциальным подво­ дом можно производить в порядке, изложенном в табл. 4.*

* Меньшие значения коэффициентов в формуле (IV-202) относятся к тур­ бинной ступени с защитным кожухом. Большие значения — к ступени без за­ щитного кожуха.

261