книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

ды по величине и-направлению получается иной, чем у пара. Капли во­ ды начинают ударяться о спинки лопаток и тормозить их движение и вызывать потери. Удары капель воды о спинки лопаток вызывают их эрозию, поэтому степень влажности (1--*) выходящего из сопел пара не должна превышать 12—14%. Для удлинения срока службы лопаток, работающих в области влажного пара, их выполняют из специальных

износоустойчивых легированных сталей или на входную кромку припа­ ивают накладку из твердого сплава.

Все перечисленные потери повышают энтальпию рабочего тела по­ сле ступени. Кроме перечисленных выше, следует учитывать потери,

возникающие вследствие гидравлическихсопротивлений распределитель­ ных устройств и выхлопного патрубка (для одноступенчатых турбин).

Процесс расширения рабочего тела с учетом влияния перечислен­ ных потерь тепла в одноступенчатой турбине показан на диаграмме 5 —1 (рис. 30-6). Давление рабочего тела перед’соплом р\ меньше дав­ ления перед турбиной ро вследствие потерь в распределительных уст­ ройствах, и поэтому располагаемое теплопадение уменьшается на вели­ чину Нр. Начальная скорость с0 условно учтена в виде отрезка Нп = = сЦ2000.

Ступень работает с некоторой степенью реактивности р, сообразно с чем в соплах рабочее тело расширяется от давления р\ до давления рс а в каналах между рабочими лопатками—от рс до р2. Давление рабочего тела после выхлопного патрубка рв.п ниже давления р2 после лопаток вследствие гидравлических потерь (процесс дросселирования ВС) в выхлрпном патрубке, которые составляют А„.п.

В случае многоступенчатой турбины потери Нр и Нв.п относятся ко всей ее проточной части.. Конечное состояние рабочего тела для одно­ ступенчатой турбины (с учетом всех потерь) характеризуется точкой С. Использованное теплопадение равно Ни

Отношение полезно использованного теплопадения кг к располага­ емому Н0 называют относительным внутренним к. п. д. ступени:

которые увеличивают расход рабочего тела на единицу работы; их от­ носят ко всей турбине в целом.

К внешним потерям относят:

а) механические, представляющие собой потери на трение в под­

шипниках и на привод вспомогательных устройств, подключенных не­ посредственно к турбине (например, на масляный насос, систему рас­

пределения рабочего тела и пр.). Для оценки этих потерь служит меха­ нический к. п.д. турбины;..

б) потери рабочего тела через концевые лабиринтовые уплотнения. В части (цилиндре) высокого давления рабочее тело стремится выйти из корпуса турбины в атмосферу через зазоры между вращающимися валом ротора и неподвижным корпусом. В выходной части у конден­ сационных паровых турбин давление пара ниже атмосферного, поэтому воздух из помещения засасывается через зазоры в турбину. Для умень­ шения этих утечек рабочего тела и подсоса воздуха применяют конце­ вые лабиринтовые уплотнения (рис. 30-7). Лабиринтовое уплотнение представляет собой ряд перегородок (гребней) между корпусом и ва­

лом турбины и служит гидравлическим сопротивлением проходу пара, обусловливающим существенное уменьшение потерь на утечки.

При отклонении мощности, развиваемой турбиной, от нормальной количество протекающего по ней рабочего тела изменяется, что отра­ зится на условиях расширения рабочего тела в проточной части.

337

Глава 31

ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ ОДНОСТУПЕНЧАТЫ АКТИВНЫЕ ТУРБИНЫ

Первыми промышленными турбинами были активные одноступен­ чатые. Их иногда применяют и в настоящее время, когда требуется на­ дежный быстроходный двигатель небольшой мощности, если при этом экономичность турбины не играет особой роли. На рис. 31-1, а пред­ ставлена схема одноступенчатой активной турбины и показано, измене­ ние давления и скорости пара по проточной части (значения позиций указаны в следующем разделе).

Рис. 31-1. Схемы активных паровых турбин разных типов:

а —по серединам лопаток проточной части с нанесениемтреугольников скоростей; 6 ~совмешен-

Выше было указано, что максимальное значение к. п, д. на лопат­ ках активной турбины получается при отношении

х —и/с1—со5 ах/2.

Угол а\ обычно принимают равным 12—25°. Следовательно, по форму­ ле (30-13) оптимальные значения х « 0,49-^-0,45.

При повышении'параметров пара перед турбиной скорость воз­ растает и для получения оптимального значения к. п.д. на лопатках приходится пропорционально повышать и окружную скорость и> т. е. увеличивать скорость вращения, поэтому она у первых активных тур­ бин доходила до 10000—30000 об/мин. Для привода машин-орудий число оборотов этих турбин снижалось при помощи редукторов с боль­ шим передаточным числом. Это удорожало и усложняло установку, а экономичность ее понижалась, вследствие потерь в редукторе.

340

и треугольниками скоростей входных (с2, и, адг) в лопат.<и направляю­ щего аппарата и выходных из него (с{, а, ад',); треугольники этих пос­

ледних скоростей в свою очередь являются треугольниками скоростей входных (с',, и, ад',) в рабочие лопатки второй ступени и выходных из

этой ступени (с'2, к, ад').

На рис. 31-2,6 показаны в совмещенном виде треугольники скоро­ стей (в несколько большем масштабе) при работе при минимальных выходных потерях, когда угол а2 является прямым. Если принять, что потери в проточной части отсутствуют, то из этих треугольников скоро­ стей следует, что 4и=С\ соз аь и/с\=х=со5 ОС1/4.

Из сопоставления полученного результата с формулой (30-13) можно заключить, что в рассматриваемом случае наилучший к. п.д. до­ стигается при вдвое большей входной скорости с\. А это означает, что в турбинах со ступенями скорости может быть использовано большее теплопадение, чем в одноступенчатых. Однако к.п.д. турбины со ступе­ нями скорости понижается главным образом из-за потерь в направля­ ющих лопатках.

Практически относительный к.п.д. на лопатках активной турбины т]о:л находится в следующих пределах: для одноступенчатой 0,70—0,78, для двухступенчатой 0,55—0,60, для трехступенчатой 0,40—0,50.

АКТИВНЫЕ ТУРБИНЫСОСТУПЕНЯМИ ДАВЛЕНИЯ

В турбине со ступенями давления пар от начального до конечного давления расширяется в нескольких расположенных последовательно ступенях. Схема турбины такого типа с тремя ступенями давления изо­ бражена на рис. 31-1, в. Пар расширяется от начального давления р0 до некоторого промежуточного р\ в соплах 2. Кинетическая энергия по­ тока пара после сопел 2 преобразуется на лопатках 3 в механическую работу на валу 5 турбины. Лопатки 3 закреплены в диске 4, насажен­ ном на вал. После выхода из каналов между рабочими лопатками 3 пар направляется в сопла 2' второй ступени давления и расширяется

вних до давления р2. Кинетическая энергия пара после расширения

всоплах 2' используется на рабочих лопатках 3', после которых пар поступает в сопла 2" третьей ступени давления. В соплах 2" пар рас­

ширяется до конечного давления ръ и кинетическая энергия его исполь­ зуется на рабочих лопатках 3". Сопла 2' и 2" установлены в диафраг­ мах 7, которые неподвижно вставлены в корпус турбины и отделяют одну ступень давления от другой. Изменения давления пара и абсолют­ ной скорости по длине проточной части турбины показаны на рис. 31-1, в. Для уменьшения перетекания части пара без совершения работы по зазору между диафрагмой и валом турбины из-за разницы давления по обеим сторонам каждой диафрагмы в местах возможного прохода пара устраивают лабиринтовые уплотнения, аналогичные кон­ цевым уплотнениям, но с меньшим числом гребней. Выходная скорость пара после каждой ступени давления (при парциальности, равной еди­ нице) частично может быть использована в последующей ступени, вследствие чего к.п.д. турбины повышается.

Наибольший к.п.д. ступени из-за относительно малого перепада давления в ней достигается при меньших значениях числа оборотов. Увеличение числа ступеней давления усложняет и удорожает турбину, и тем не менее вследствие высокого к.п.д., который может быть в них достигнут, турбины со ступенями давления достигли широкого раз­ вития.

На диаграмме 5 — 1процесс расширения пара в активной турбине с тремя ступенями давления изображен на рис. 31-3. Начальное состоя­

342

ние пара перед турбиной при давлении р0 и температуре *0 характери­ зуется точкой А. В парораспределительных устройствах турбины теря­ ется давление А/?=р0—р0 и располагаемое изоэнтропное теплопаде-

ние Н0 уменьшается на величину Нр. Сопротивление выпускного пат­ рубка турбины составляет Дрип —рг—р3. Вследствие этого распо­

лагаемое теллопадение уменьшается на величину /гв.п и по состоянию

Рис. 31-3. Изображение на диаграмме $ —1процесса расширения пара в турбине со ступенями давления

пара перед соплами становится равным Но = #о—кр—Нь.п. В каждой ступени давления расширение пара протекает аналогично тому, какэто происходит в одноступенчатой турбине. В первой ступени пар расши­ ряется от давления р3 до давления р\. Располагаемое изоэнтропное теп-

лопадение в этой ступени будет равно Но\. В ступени возникают потери: /11с — в соплах; 1цл— на лопатках; к\т.в—от трения и вентиляции; /г1в — выходные потери, часть которых от 0,5кп до 0,8&в можно исполь­ зовать в последующей ступени. Это используемое тепло учитывается увеличением в масштабе располагаемого теплопадения последующей ступени на величину отрезков (ВВ' для второй ступени и СС' для третьей), в результате чего на диаграмме получаются параметры тор­ можения. Состояние пара перед второй ступенью будет характеризо-

343

ваться точкой В'. Процесс во второй ступени давления будет протекать с потерями, которые обозначены на диаграмме, отрезками Л2с,. Л2Л» Л2т.в, Л2в. Используемое теплопадение в первой ступени характеризует­ ся отрезком Ли, во второй ступени — отрезком Л2*. В третьей ступени (последней) процесс протекает так же, с той.лишь разницей, что в нем выходные потери не могут быть использованы. Полезное теплопадение в третьей ступени. определяется отрезком Л3». Общее использованное теплопадение равно сумме использованных, теплопадений на отдель­ ных ступенях, т. е. Я* = Л^+ Л2«+ Л3*. Как было отмечено выше, на диаграмме 5-^1 изобары расходятся при возрастании энтропии, поэто­ му; например, для второй ступени действительное располагаемое тепло­ падение к'02 больше, чем ко2 на основной изоэнтропе А0О0; для третьей

ступени также к*0з>Лоз.- Для турбины с числомступеней давления п можно написать

за.счет-частичного возвращения тепловых потерь предыдущих ступеней

в последующие. Обычно коэффициент возврата тепла лежит в пределах 0,03—0,08.

Число, ступеней давления у многоступенчатой турбины выбирают по .общему теплопадению и по .теплопадению в отдельных активныхсту­ пенях, в каждой из. которых .должны быть максимальные'к.п.д. Если принять, что. турбина вращается со скоростью 3000 об/мин, то при сред­ них значениях коэффициента <р-и угла аь пользуясь соответствующими формулами, можно получить, что по условиям механической прочности дисков.и лопаток оптимальные значения теплопадений по отдельным ступеням должны возрастать от ~42 в части высокого давления до ~170 кдж/кг в последних ступенях. С увеличением теплопадения в по­ следних ступенях турбины отношения давлений в них становятся мень­ ше критических, это означает, что сопла в этих ступенях должны быть расширяющимися. Изготовление таких сопел конструктивно очень сло: жно и при переменном режиме они работают плохо. Поэтому совре­ менные турбины конструируют так, чтобы работа их протекала с пере­ менной степенью реактивности, возрастающей постепенно до 0,5 и более по мере движения пара к последней ступени. В ступенях высокого дав­ ления для уменьшения потерь от эжекции пара из зазоров применяют степень реактивности 0,05—0,15.

В активных многоступенчатых паровых турбинах обычно первую ступень выполняют так, чтобы она была регулирующей, т. е. способной обеспечить сравнительно большое снижение давления пара и, следова­ тельно, использование большого теплопадения. В зависимости от вели­ чины этого теплопадения эту ступень выполняют одноступенчатой или с двумя ступенями скорости. Выходная скорость после регулирующей ступени не может быть использована, и поэтому ее к.п.д. ниже, чем у• последующих ступеней давления, однако удобство регулирования' турбины при-переменной нагрузке восполняет этот-недостаток-

344-