- •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
2. Потери энергии от влажности пара и неучтенные потери
а) Потери энергии от влажности пара
Вкорабельных турбинах часть ступеней (последних) работает в области влажного пара (так, для ГТЗА-615 на номинальном режиме работы образуется 8000 кг/ч воды). Это вызывает дополнительные потери энергии, которые обусловлены следующими основными факторами:
затратой кинетической энергии парового потока на разгон и перенос капель воды, имеющих меньшую скорость, чем частицы пара;
торможением рабочего венца при ударе капель воды о выпуклую поверхность рабочих лопаток;
переохлаждением пара и появлением скачков конденсации;
уменьшением массы пара, производящего полезную работу, ввиду его конденсации.
При движении влажного пара в направляющей решетке капли воды под действием центробежных сил отбрасываются к вогнутой поверхности лопаток (рис.54), где образуется водяная пленка. Скорость движения этой пленки значительно меньше скорости паровой среды. Частицы воды подхватываются и дробятся ядром потока, скорость их увеличивается, на что затрачивается часть кинетической энергии потока. В рабочей решетке частицы воды, кроме того, под действием центробежных сил от вращения рабочих лопаток отбрасываются к периферии лопаток (рис.55), что также вызывает потери энергии.
Выходя из направляющей решетки, капли воды имеют значительно меньшую скоростьС1в, чем скорость паровой фазы С1. С учетом переносной окружной скорости рабочего венца направление относительного движения капель (угол β1в) существенно отличается от направления парового потока (угол β1). Капли воды ударяют в выпуклую поверхность рабочих лопаток и тормозят вращение рабочего венца (рис.56).
Ввиду большой скорости движения парового потока в проточной части турбины расширение пара происходит очень быстро, что вызывает его переохлаждение – такое состояние пара, когда температура его становится меньше температуры насыщения, соответствующей местному давлению. Это явление характерно для ступеней, работающих в области влажного пара. Переохлаждение пара – это неравновесное состояние, за которым следуют так называемые скачки конденсации, сопровождаемые резким выделением теплоты парообразования и изменением других параметров пара, что возмущает паровой поток и вызывает дополнительные термодинамические потери энергии.
Величина потери от влажности пара учитывается коэффициентом потери ς. Экспериментально установлено, что 1% влаги уменьшает КПД ступени примерно на 1%. Установлено также, что коэффициент потери от влажности зависит от режима работы турбины и может быть определен по экспериментальной формуле
(2.8.8)
где х – степень сухости пара за рабочим венцом;
Сф– фиктивная скорость парового потока, соответствующая теплоперепаду .
(2.8.9)
Удары капель о спинки лопаток в районе входных кромок вызывают их эрозию (механическое разрушение – язвины), что понижает их прочность, увеличивает шероховатость поверхности, изменяет форму профилей и каналов и увеличивает потери. Заметно эрозия проявляется при влажности пара 6–7% и прогрессирует при дальнейшем увеличении влажности. Допустимая влажность пара в области последней ступени турбины 10–12%. Потеря от влажности определяется по формуле
qx = ζx Lu (2.8.9)
Для уменьшения влажности в районе последних ступеней турбин, работающих в области влажного пара, имеются специальные влагоулавливающие устройства – кольцевые камеры в корпусе турбины за рабочими лопатками (рис.57). Влага под действием центробежных сил отбрасывается к периферии лопаток и попадает в кольцевые камеры, которые в нижней своей части имеют отверстия для отвода воды в конденсатор (в область отработавшего пара). Такие влагоулавливающие устройства уменьшают влажность пара на 25–30%. Уменьшение влажности в некоторых турбинах производится путем подвода перегретого пара к ступеням, работающим на влажном. Например, в турбинах второго поколения перегретый пар из камеры думмиса подводится через специальные трубы к последним ступеням. Кроме того, для направления и более полного удаления влаги используются канавки вдоль профильной части рабочих лопаток, а сопловые (направляющие) лопатки последних ступеней турбины могут выполняться полыми с отсосом влаги через специальные сверления в корпусе в выхлопную полость турбины.
Для более полного удаления влаги в турбинах, все ступени которых работают в области влажного пара (для установок с ППУ кипящего типа), возможна установка выносных сепараторов.
Для защиты лопаток от эрозии, наряду с влагоулавливающими устройствами, производят упрочнение спинок лопаток в районе входных кромок рабочих лопаток (рис.58), наиболее подверженных эрозии. В отечественном турбостроении широкое распространение получил метод электроискрового упрочнения. На поверхность лопатки наносится тонкий слой износоустойчивого металла от электродов, например, сплав Т15К6 (79% – карбида вольфрама, 6% – кобальта, 15% – карбида титана). Эрозионная стойкость поверхности лопатки при этом повышается в 7–8 раз.
При эксплуатации турбоагрегатов снижение температуры пара перед маневровым устройством является причиной повышения влажности пара в проточной части турбины. Область влажного пара распространяется на большее число ступеней, происходит интенсивный эрозионный износ поверхностей лопаток. Кроме того, снижение температуры пара перед маневровым устройством и повышение влажности пара в ступенях может вызвать вибрацию турбины и повреждение лопаточного аппарата.
б) Неучтенные потери
Под неучтенными потерями понимают совокупность потерь энергии, составляющих разность расчетного значения КПД ступени и полученного во время испытаний.
Практика показывает, что КПД ступени, полученный расчетным путем, обычно оказывается на 2–3% выше, чем КПД, полученный опытным путем при испытании ступени. Это несоответствие опытных и расчетных данных объясняется, в основном следующими факторами:
нестационарность потока на входе в лопаточный венец, наблюдаемая в реальной турбинной ступени и не учитываемая при определении аэродинамических характеристик решеток в обычных условиях на неподвижных моделях;
трехмерный характер течения среды в пограничном слое на лопатках при вращении ротора;
конструктивными особенностями ступени (наличие перекрышей и др.);
неравномерность полей скоростей в близи торцевых стенок на входе в реальный лопаточный венец;
некоторые различия в течении в плоских и кольцевых решетках и др.
Естественно, что оценка неучтенных потерь энергии носит весьма приближенный характер и в отдельных случаях может рассматриваться как некоторый «запас» по экономичности ступени, закладываемый в расчет.
Коэффициент неучтенных потерь оценивается в пределах ςн = 0,02…0,03.
Неучтенные потери определяются по формуле
qн = ςнLи (2.8.10)
Таким образом, в общем случае, в сумму внутренних потерь, не учитываемых КПД на окружности, должны быть включены следующие потери
(2.8.11)
В частном случае отдельные составляющие этой суммы будут равны нулю.