Teplovi_dviguni / 02 Перетворення енергiї в турбiнному ступенi

Перетворення енергії в турбінному ступені

Перетворення енергії в соплах

Розширення пари проходить за рахунок пониження тепловмісту пари. Процес розширення пов’язаний з перетворенням потенційної енергії в кінетичну: (тобто тепловміст понижується, швидкість росте).

Із курсу термодинаміки відомо, що в ідеальному випадку витікання пари із сопла, (без врахування теплообміну із зовнішнім середовищем і втрат енергії на тертя і вихрові рухи), перетворення потенційної енергії пари підпорядковується рівнянню енергії:

. кДж/кг (1)

де і - початковий і кінцевий тепловміст 1кг. маси пари, кДж/кг;

- початкова швидкість пари перед соплом, м/сек;

- теоретична швидкість пари на виході із сопла, м/сек.

Із рівняння (1) знаходимо теоретичну швидкість без врахування втрат:

, м/сек (2)

де - адіабатний тепловий перепад в соплових або направлених каналах, кДж/кг.

Якщо швидкість невелика, то її можна знехтувати і тоді одержимо:

, м/сек (2а)

В паротурбобудуванні переважно застосовують звужувальні сопла з косим зрізом і в деяких випадках розширювальні з косим зрізом.

Звужувальні сопла без косого зрізу застосовуються у водо- і пароструйних ежекторах.

Випробування і теоретичні дослідження показали, що розширення пари при її витіканні із звуженого сопла може проходити в межах тільки до деякого тиску , що називається критичним тиском.

Відношення в горлі сопла до початкового тиску перед соплом називається критичним відношенням і позначають:

Із термо-газодинаміки відомо, що:

Для різних газів має різні значення:

Для перегрітої пари 0,546

Для сухої насиченої пари 0,577

При відношенні тисків у вихідному січенні звужувального сопла (в горлі сопла) досягається критична швидкість, яку позначають .

Із термодинаміки відомо, що цю швидкість можна визначити із рівняння:

, м/сек (3)

де - показник адіабати;

- тиск пари перед соплом, Н/м²;

- густина і питомий об’єм пари перед соплом, кг/м³ і м³/кг.

Численні значення можна прийняти:

Для перегрітої пари 1,3

Для сухої насиченої пари 1,35

Для насиченої пари зі степенем сухості 1,035+0,1

Для повітря 1,4

Для продуктів згоряння 1,33

Підставляючи численні значення в рівняння (3) і в барах, дістанемо (м/сек):

Для перегрітої пари:

Для сухої насиченої пари:

Для повітря:

Для продуктів згоряння:

Критичну швидкість пари при використанні діаграми можна визначити по рівнянню:

а) при швидкості потоку на вході в сопла

, м/сек

де - наявна енергія в соплах від до .

б) при швидкості потоку на вході в сопла

, м/сек

де - наявний тепловий перепад від до .

Стан пари перед соплами знаходять у відповідності з заданими параметрами.

При розрахунку задано: і . Якщо значення невелике, то ним знехтують і розрахунковий стан пари перед соплом визначається точкою , тобто параметрами і . У випадку врахування швидкісної енергії стан робочого тіла перед соплами визначається точкою (де і носять назву параметри гальмування). Таким чином визначається критичний тиск:

- без врахування ;

- з врахуванням .

В дійсних умовах розширення пари в соплах мають місце втрати на тертя і вихрові рухи, що понижає швидкість потоку. Ці втрати підвищують тепловміст пари за соплами. Таким чином дійсний тепловміст пари за соплом буде вищий теоретичного, тобто: .

Дійсна швидкість потоку із сопла знаходиться по рівнянню:

а) при

, м/сек ;

б) при

, м/сек.

де - називається швидкісний коефіцієнт сопл.

Враховуючи, що , дістаємо , а відповідно .

Швидкісний коефіцієнт сопел і направлених лопаток залежить від багатьох факторів: геометричних розмірів, обробки їх поверхні і він може коливатися у великих межах від 0,910,93 до 0,960,98. Для сучасних турбін великої потужності коефіцієнт складає 0,960,98.

Теплова втрата в соплових і направлених лопатках для 1кг маси робочого тіла в секунду підраховується за рівнянням:

а) при

, кДж/кг

б) при

, кДж/кг

Перетворення енергії на робочих лопатках

а) на лопатках активної ступені:

В активній ступені розширення пари проходить тільки в соплах. Тепловий перепад ступені перетворюється в кінетичну енергію повністю в соплах. На робочих лопатках проходить лише перетворення кінетичної енергії в механічну роботу.

Паровий потік на виході із сопел з абсолютною швидкістю під кутом до площини обертання лопаток поступає в канали робочих лопаток. Внаслідок обертання останніх швидкість потоку при вході в канали робочих лопаток відносно стінок цих каналів отримує іншу величину і напрямок. Ця швидкість називається відносною швидкістю при вході на робочі лопатки і позначається буквою . Її величину і напрямок легко знайти із побудови паралелограма швидкостей.

Кут показує напрям парової струї при вході в канали робочих лопаток і називається кутом входу.

Швидкість можна знайти аналітичним способом, користуючись формулами:

Кут визначається із співвідношення:

Струя пари внаслідок кривизни каналу міняє свій напрямок і покидає лопатки з відносною швидкістю під кутом до площини диска. Кут називається вихідним кутом. Кут звичайно менший , а саме:

Внаслідок наявності втрат в лопаткових каналах відносна швидкість пари буде менша швидкості тобто:

де - швидкісний коефіцієнт лопаток, який враховує вплив шкідливих опорів проходу пари через канали робочих лопаток.

Абсолютна швидкість потоку, яка покидає канали робочих лопаток, визначається внаслідок геометричного складання швидкостей потоку і колової швидкості .

Швидкість і кут можна визначити і аналітично:

;

Внаслідок шкідливих опорів проходу потоку через канали робочих лопаток частина кінетичної енергії губиться на подолання цих опорів.

Теплова втрата кінетичної енергії 1кг пари на робочих лопатках визначається по рівнянню:

, кДж/кг

де - кінетична енергія 1кг пари при вході на робочі лопатки, кДж/кг;

- кінетична енергія 1кг пари при виході із робочих лопаток, кДж/кг.

Втрата енергії в каналах робочих лопаток , яка дістається в наслідок тертя і подолання інших шкідливих опорів іде на нагрівання пари. Таким чином, тепловміст пари при проході його через канали робочих лопаток підвищується на величину . Швидкість і відповідно її швидкісна енергія для даної ступені являється втратою. Ця втрата називається втрата з вихідною швидкістю і визначається по рівнянню:

, кДж/кг.

б) на лопатках реактивної ступені:

Наявний перепад тепла розподіляється в аксіальній реактивній ступені між направленими (нерухомими) і робочими лопатками приблизно порівну, тобто:

;

де і - наявні перепади тепла відповідно на направлених і робочих лопатках.

Так, як в каналах направлених лопатках є втрати тепла , то фактично наявний тепловий перепад на робочих лопатках буде не а .

Відношення перепаду тепла, яке спрацьовується на робочих лопатках, до наявного перепаду тепла всієї ступені називається степінь реактивності і позначається буквою , тобто:

або

На направлених лопатках спрацьовується тепловий перепад і проходить пониження тиску від до .

Паровий потік на виході із каналів направлених лопаток з абсолютною швидкістю і кутом нахилу поступає в канали робочих лопаток.

Швидкість пари на виході із каналів направлених лопаток визначається із рівняння:

Швидкість потоку і кут визначається із побудови трикутників швидкостей або аналітично:

Кут визначається із співвідношення:

В каналах робочих лопаток ступені проходить розширення пари з відповідним приростом швидкості і пониження тиску від до .

Наявна енергія 1кг пари на робочих лопатках складається із кінетичної енергії потоку при поступленні на робочі лопатки і теплового перепаду , тобто рівна:

, кДж/кг.

де - відносна теоретична швидкість потоку у вихідному січені робочих лопаток без врахування втрат на лопатках.

З цього рівняння знаходимо швидкість пари:

, м/сек.

Дійсна відносна швидкість пари на виході із каналів робочих лопаток, тобто швидкість з врахуванням втрати енергії в каналах лопаток підраховується по рівнянню:

, м/сек.

Швидкість і кут визначається за допомогою побудови вихідного трикутника швидкостей по швидкості , кута і колової швидкості .

Для лопаток реактивної ступені часто приймають і із чого також видно, що і і

Теплова втрата на робочих лопатках визначається по рівнянню:

, кДж/кг.

Теплова втрата з вихідною швидкістю підраховується за рівнянням:

, кДж/кг.

Тепловий процес на лопатках активної і реактивної ступені із врахуванням втрат зображений на I-S діаграмі.