
- •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. Определение скорости выхода пара из каналов направляющего аппарата и рабочей решетки.
Рассмотрим
течение пара в решетке турбинных лопаток
и поставим задачу: определить скорость
пара на входе из решетки. В начале будем
рассматривать неподвижную решетку
направляющего аппарата, т.е. речь будет
идти об «абсолютном» движении пара.
Пусть рассматриваемая направляющая
решетка (рис.12) относится к некоторой
промежуточнойk-ой
ступени. Тогда перед этой ступенью
расположена (k-1)-я
ступень, и поток пара, выходящий из этой
ступни со скоростью С2(к-1),
плавно входит в рассматриваемую
направляющую решетку.
Пусть давление и температура пара перед решеткой соответственно равны Р0 и t0.
При анализе процессов течения пара в паровых турбинах широко используются тепловые диаграммы водяного пара и, в частности, диаграмма h–s. Это связано с тем, что уравнение состояния водяного пара в достаточно простом виде отсутствует.
Обращаясь к диаграмме h–s (рис.12) на пересечении изобары Р0 и изотермы t0 можно найти точку А0, характеризующую состояние пара перед решеткой и снять с диаграммы энтальпию пара h0.
На
входе в направляющий аппарат пар уже
обладает некоторой кинетической
энергией.
На тепловой диаграмме эта кинетическая
энергия может быть показана только
условно. Представим себе, что поток пара
на входе в решетку изоэнтропийно (без
трения) заторможен. Тогда его энтальпия
увеличилась бы на величину
.
Отложив кинетическую энергию
вверх от точкиА0,
получим точку
,
характеризующую параметры торможения
потока – давление
,
температура
и энтальпия
.
Итак,
поток пара, состояние которого определяется
точкой А0
диаграммы h–s,
со скоростью
входит в каналы направляющего аппарата.
Рассматриваемое движение пара,введем
допущения о
том, что поток в каналах решетки одномерный
и установившийся, а теплообмен с внешней
средой отсутствует. Кроме того, вначале
будем пренебрегать вязкостью пара;
тогда трение в потоке отсутствует, и
состояние пара будет изменяться по
адиабате.
Такой процесс течения пара (без трения) условно будем называть теоретическим, а параметры этого процесса будем дополнительно обозначать индексом «t».
Пусть давление за решеткой равно Рd. Проведя из точки А0 адиабату до пересечения с изобарой Рd (рис.12) можно на диаграмме h–s найти точку Аdt, определяющую состояние пара в конце теоретического процесса и снять в этой точке энтальпию hdt. Теоретическую скорость пара на выходе из направляющего аппарата обозначим C1t. Тогда уравнение энергии для входного и выходного сечений решетки запишется в виде:
(3.1)
Это уравнение
показывает, что при отсутствии теплообмена
полная удельная энергия потока,
складывающаяся из кинетической
и
потенциальнойh
энергии не изменяется.
Разность энтальпий на входном и выходном сечениях решетки определяет тот запас потенциальной энергии, который может быть преобразован в направляющем аппарате в кинетическую энергию. Эту разность будем обозначать had и называть адиабатным теплоперепадом в направляющем аппарате (в соплах):
had=h0-hdt (3.2)
Тогда непосредственно из уравнения энергии (2.2.1) получим выражение для теоретической скорости выхода пара из решетки:
(3.3)
Таким образом, на выходе из направляющего аппарата ступени поток пара приобретает скорость С1t за счет освобождения некоторой части потенциальной энергии had и за счет скорости на входе С2(к-1).
Сумму входной кинетической энергии и адиабатного теплоперепада обозначают h'ad и называют располагаемым теплоперепадом:
(3.4)
Тогда формула для определения теоретической скорости истечения запишется в виде:
(3.5)
Теплоперепады had и h'ad могут быть показаны на диаграмме h-s (рис.12).
Формулы (2.2.3) и (2.2.5) определяют теоретическую скорость истечения. Однако на практике приходится иметь дело с реальным потоком пара, в котором действуют силы вязкости. Поэтому действительная скорость истечения пара С1 будет несколько меньше теоретической. Для характеристики реального процесса течения пара в теории турбин вводится понятие коэффициента скорости φ, который определяется отношением действительной скорости истечения к теоретической:
(3.6)
Для определения величины коэффициента скорости φ следовало бы рассчитать течение в пограничном слое на поверхности лопаток и вычислить сопротивление трения и вихревое сопротивление решетки. В принципе такая задача может быть решена. Однако на практике величина коэффициента φ определяется опытным путем при продувках решеток турбинных лопаток на специальных газодинамических стендах. Для современных турбинных профилей направляющих аппаратов коэффициент φ обычно имеет порядок 0,95-0,97.
Таким образом, для определения действительной скорости выхода пара из направляющего аппарата ступени получим формулы:
(3.7)
или
(3.8)
Скорость входа пара в направляющий аппарат С2(к-1) часто бывает пренебрежимо мала. Тогда адиабатный и располагаемый теплоперепады равны. В этом случае формула для определения скорости истечения записывается в виде
(3.9)
Поставленная задача решена – мы определили скорость выхода пара из направляющего аппарата ступени. Для того чтобы, полностью характеризовать течение в направляющем аппарате необходимо определить состояние пара на выходе из решетки. С этой целью вводится понятие о потерях кинетической энергии при течении пара через решетку.
Если бы трение
и другие сопротивления отсутствовали,
то скорость пара на выходе из решетки
была бы равна C1t,
а его удельная кинетическая энергия
составляла бы.
Это – максимальная кинетическая энергия,
которая может быть получена при заданных
условиях расширения пара. Поэтому
энергия
называетсярасполагаемой
кинетической энергией.
В реальном
потоке удельная кинетическая энергия
на выходе из решетки составляет
Потерей кинетической энергии в направляющем аппарате называется разность между располагаемой и действительной кинетической энергией на выходе из решетки. Иногда эту величину называют просто «потери энергии», опуская слово «кинетической». Применяя термин «потери энергии» следует иметь в виду, что речь идет именно о потерях кинетической энергии, и что эта энергия не исчезает безвозвратно, а приводит к повышению энтальпии пара.
Потери кинетической энергии в направляющем аппарате (в соплах) обозначаются через qd. Согласно данному выше определению эти потери составляют:
(3.10)
Для характеристики относительной величины потерь энергии вводится понятие коэффициента потерь ςd, который определяется отношением потерянной кинетической энергии к располагаемой кинетической энергии:
(3.11)
С учетом определения коэффициента ςd, выражение для потерь энергии может быть записано в виде:
(3.12)
или
(3.13)
Теперь можно определить действительное состояние пара за решеткой. Для теоретического процесса это состояние характеризовалось точкой Аdt диаграммы h-s, причем энтальпия пара в этой точке составляла hdt. В реальном процессе потерянная кинетическая энергия qd расходуется на преодоление трения и прочих сопротивлений решетки, что приводит к росту энтальпии пара. Поэтому действительная энтальпия пара за решеткой hd будет равна:
hd =hdt+qd (3.14)
На диаграмме h-s (рис.12) энтальпию hd легко найти, отложив вверх от точки Аdt потерю qd. Точка Аd, определяющая действительное состояние пара за направляющим аппаратом определяется пересечением изобары Рd и линии постоянной энтальпии hd=соnst. В точке Аd диаграммы h-s можно снять необходимые параметры пара, и в частности, удельный объем Vd. Таким образом, действительный процесс течения пара в направляющем аппарате изобразится на диаграмме h-s некоторой политропой АоАd (теоретический процесс – адиабата АоАdt), которая условно проводится прямой.