- •Оглавление
- •Раздел 1. Теория турбинных ступеней.
- •Цель, задачи, предмет изучения и основное содержание дисциплины «стд. Судовые турбомашины», ее роль и место в системе подготовки специалиста в соответствии с требованиями гос впо и кт
- •Назначение паровой турбины( турбомашины) и ее особенности как теплового двигателя. Принцип действия пт
- •Классификация паровых турбин судовых энергетических установок
- •А). Основные уравнения парового потока в турбине
- •1. Геометрические характеристики турбинной ступени
- •2. Понятие об элементарной плоской турбинной ступени. Геометрические характеристики турбинной решетки.
- •3. Преобразование энергии пара в активной и реактивной турбинных ступенях
- •1. Определение скорости выхода пара из каналов направляющего аппарата и рабочей решетки.
- •1.1. Определение скорости выхода пара из каналов рабочей решетки
- •1.3. Понятие о степени реакции
- •2.1 Влияние косого среза на работу решетки
- •2.2. Расход пара через решетку. Определение высоты лопаток
- •1. Физическая сущность потерь кинетической энергии пара
- •2. Аэродинамические характеристики решеток и их определение
- •Б). Влияние числа Маха на потери энергии
- •3. Влияние конструктивных факторов на потери энергии
- •1. Силовое воздействие потока пара на рабочие лопатки
- •2. Работа на окружности турбинной ступени
- •3. Общее выражение для кпд на окружности турбинной ступени
- •1. Определение и состав внутренних потерь
- •2. Общая характеристика потерь на протечки через зазоры
- •3.Потери на протечки через зазоры в реактивной и активной турбинных ступенях
- •1. Внутренние потери энергии в активной турбинной ступени
- •2. Потери энергии от влажности пара и неучтенные потери
- •3. Внутренняя работа и внутренний кпд турбинной ступени
- •1. Применение радиальных турбинных ступеней в турбомашинах
- •2. Кинематика рабочей среды в радиальных турбинных ступенях
- •Очевидно, что
- •3. Силовое воздействие потока рабочей среды в радиальных турбинных ступенях
- •1. Методы и задачи теплового расчета, исходные данные
- •Давление пара за турбинной ступенью р1.
- •Адиабатный перепад на турбинную ступень:
- •Располагаемый теплоперепад на турбинную ступень
- •Б). Определение формы межлопаточных каналов направляющих решеток
- •3. Оценка основных геометрических размеров ступени
- •1. Расчет направляющего аппарата
- •В). Расчет потерь энергии в направляющей решетке
- •Д). Построение входного треугольника скоростей
- •Особенности расчета рабочих лопаток
- •Б). Определение угла выхода пара из рабочей решетки
- •Д). Расчет потерь энергии в рабочей решетке
- •Расчет внутреннего кпд и внутренней мощности турбинной ступени
- •1. Принцип действия и устройство колес со ступенями скорости
- •2. Треугольники скоростей колеса с двумя ступенями скорости
- •3. Процесс в диаграмме h-s для колеса с двумя ступенями скорости
- •1. Работа и кпд на окружности двухвенечного колеса скорости
- •2. Область применения колес со ступенями скорости
- •1. Принципиальное устройство многоступенчатых паровых турбин
- •2. Процесс в диаграмме h-s для многоступенчатой паровой турбины
- •3. Понятие о возвращенном тепле. Связь между кпд многоступенчатой паровой турбины и кпд ее ступеней
- •1. Понятие об использовании выходной энергии мспт
- •2. Коэффициент использования выходной энергии
- •3. Процесс в диаграмме h-s при использовании выходной энергии
- •1. Эффективный кпд гтза и валопровода
- •2. Удельный и секундный расходы пара
- •3. Характеристика многоступенчатой паровой турбины
- •1. Определение осевого усилия, действующего на ротор многоступенчатой паровой турбины
- •2. Принцип действия думмиса и определение диаметра разгрузочного поршня
- •3. Осевые усилия, действующие на ротор многоступенчатой паровой турбины при работе на задний ход
1. Физическая сущность потерь кинетической энергии пара
Как уже было установлено выше, при течении пара через решетку турбинных лопаток часть кинетической энергии расходуется на преодоление трения и других сопротивлений, что приводит к увеличению энтальпии пара. Эта часть кинетической энергии пара уже не может быть использована для совершения полезной работы. В связи с этим было введено понятие о потерях кинетической энергии.
Относительная величина потерь характеризуется коэффициентом потерь в направляющем аппарате ζd и коэффициентом потерь на рабочих лопатках ζs.
Наша задача – установить, от каких именно факторов зависит величина потерь. Здесь мы будем рассматривать решетку лопаток вообще, не оговаривая заранее, направляющая решетка, или рабочая. Полученные выводы применимы к обоим типам решеток. Для того чтобы подчеркнуть эту общность, коэффициент потерь будем обозначать буквойζ, без всякого индекса.
Как известно, потери кинетической энергии наблюдаются при взаимодействии потока с поверхностью обтекаемого тела. Реальная турбинная решетка имеет лопатки конечной высоты (рис.27). Поэтому каждый межлопаточный канал по бокам ограничен поверхностями лопаток, а по высоте – торцевыми поверхностями ротора и корпуса, либо бандажной лентой. В связи с этим все потери энергии в решетке принято разделять на две большие группы – профильные и концевые потери:
Профильные потери появляются в результате взаимодействия потока с поверхностью лопаток. Концевые потери появляются в результате взаимодействия потока с торцевыми поверхностями каналов. Рассмотрим более подробно явления, при водящие к возникновению профильных и концевых потерь.
Схему движения пара в плоской решетке можно представить себе следующим образом. При обтекании потоком пара профиля турбинной лопатки на поверхности профиля образуется пограничный слой (рис.28). Пограничным слоем называется тонкий слой пара, прилегающий к поверхности профиля, в котором скорость меняется от нуля до скорости набегающего потока. В пограничном слое из–за трения о поверхность профиля скорость пара резко уменьшается и на поверхности профиля практически равна нулю. Таким образом, первая составляющая профильных потерь – этопотери трения в пограничном слое.
При стекании пограничных слоев с выпуклой и вогнутой поверхности профиля за выходной кромкой каждого профиля образуется вихревой след. В области вихревого следа наблюдается интенсивное вихревое движение частиц пара. Поэтому скорость потока в области вихревого следа существенно падает.
Таким образом, вторая составляющая профильных потерь – этовихревые потери. Вихревые потери достигают большой величины, если отрыв пограничного слоя происходит не на кромке, а внутри канала (рис.29). В этом случае область вихревого следа резко увеличивается и, в отдельных случаях, вихревые следы двух соседних профилей могут сомкнуться. Отрывной режим обтекания может наблюдаться, например, если резко изменяется угол натекания потока на решетку.
Наконец, если скорость течения пара сверхзвуковая, то может появиться третья составляющая профильных потерь – это потери в скачках уплотнение или волновые потери.
Опыт показывает, что при переходе от сверхзвуковых скоростей к дозвуковым скорость пара снижается не плавно, а резко.
Это ведет также к резкому изменению (увеличению) давления, температуры и удельного объема пара с образованием отрыва пограничного слоя. При этом наблюдается резкое увеличение потерь кинетической энергии, какое явление носит название волнового кризиса (рис.30). Таким образом, в общем случае:
Что же касаетсяконцевых потерь, то они образуются следующими явлениями. Прежде всего, заметим, что при взаимодействии потока с торцевыми поверхностями канала на них также образуется пограничный слой, в котором скорость падает. Поэтому первая составляющая концевых потерь – это потери на трение в пограничном слое по торцам канала.
Кроме того, наличие торцевого пограничного слоя приводит к появлению дополнительных перетеканий пара и, в конечном счете, к увеличению потерь. Схема таких перетеканий, называемых вторичными потоками, показана на рис.31. Поворот потока в межлопаточном канале приводит к появлению поперечного градиента давлений внутри канала. Давление в вогнутой поверхности профиля существенно выше, чем давление на выпуклой поверхности. В центральной части канала этот градиент давлений уравновешивается центробежными силами, возникающими при повороте потока с большой скоростью. Поэтому наличие разности давлений не приводит к перетеканию пара в поперечном направлении. Но по торцам канала, где скорости малы, возникает движение пара в поперечном направлении. Это перетекание пара приводит к взбуханию пограничного слоя на выпуклой поверхности профиля, что способствует отрыву пограничного слоя и появлению дополнительных вихреобразований. Все это увеличивает потери энергии.
Таким образом:
На практикекоэффициент потерь ζ, учитывающий как профильные, так и концевые потери, определяется опытным путем при продувке решеток на специальных газодинамических стендах. Однако определять коэффициент потерь для каждого из венцов каждой вновь строящейся турбины практически невозможно. Для того чтобы иметь возможностьраспространить результаты исследования одной решетки на другую необходимо обеспечить, во первых геометрическое подобие этих решеток и, во–вторых гидродинамическое подобие потоков пара в этих решетках.
Две решетки являются геометрически подобными, если составлены из профилей одинаковой формы, имеют одинаковый относительный шаг , угол установкиβв и относительную высоту лопаток .
Геометрия решетки, по разному влияет на величину профильных и концевых потерь. Так, профильные потери, в основном, зависят от формы профиля и положения его в решетке:
Профильные потери = f (форма профиля, , βв)
Концевые потери, в основном, зависят от относительной высоты лопаток:
Концевые потери = f ()
Основными критериями, характеризующими гидродинамическое подобие пара в двух геометрически подобных решетках профилей, являются критерии Рейнольдса и Маха.
Поэтому при использовании опытных данных для определения величины потерь, необходимо учесть влияние числа Re и числа М.