3.16. Потери энергии в паровых турбинах

В паровых турбинах, как и в других типах тепловых двигателей, неизбежны потери энергии, снижающие ее КПД. Потери энергии в паровых турбинах во многом схожи с потерями в газовых турбинах. Но учитывая различные свойства рабочих тел (газа и водяного пара), а также конструктивные особенности этих типов двигателей, существуют и некоторые отличия.

Все потери энергии в паровых турбинах можно разделить на внутренние, изменяющие термодинамическое состояние рабочего тела, и внешние, не влияющие на состояние рабочего тела.

К внутренним потерям энергии в паровых турбинах относят:

• потери в направляющем аппарате – , которые в свою очередь состоят:

• из профильных потерь, обусловленных формой профиля лопаток направляющего аппарата и явлениями, возникающими на поверхности профиля. Профильные потери в свою очередь включают: потери от трения в пограничном слое; потери от отрыва пограничного слоя от стенок лопаток; и потери от сбегания потока пара с выходных кромок лопаток (кромочные потери);

• концевых потерь, обусловленных конечной длиной лопаток. К концевым потерям относят: потери трения о торцевые стенки канала и потери от вихреобразования.

• потери в каналах рабочих лопаток – . Помимо потерь энергии, свойственных для направляющих и сопловых аппаратов (профильных и концевых), в каналах рабочих лопаток происходят дополнительные потери энергии, связанные с вращением лопаток вместе с диском (барабаном) ротора. К этим видам потерь относятся:

• потери от подсоса пара из радиального зазора;

• потери от удара частиц пара о входные кромки лопаток;

• потери от поворота потока пара в рабочих лопатках.

• потери с выходной скоростью – . Этот вид потерь обусловлен тем, что поток пара покидает турбинную ступень с абсолютной скоростью , отличной от нуля. Поэтому часть кинетической энергии пара остается неиспользованной и является потерей для данной турбинной ступени. В многоступенчатых турбинах энергия выходной скорости пара полезно используется в последующих ступенях и теряется только для последней ступени турбины.

• другие внутренние потери – , к которым относят:

• потери на трение и вентиляцию, обусловленные трением дисков турбины о пар, заполняющий внутреннюю полость турбины, и холостым вращением лопаток неработающих ступеней;

• потери от частичного впуска пара, называемые также потерями на выколачивание, и обусловленные тем, что при частичном впуске пара работает не вся окружность турбинной ступени, а только ее часть. При этом пару, выходящему из сопел, необходимо сначала вытолкнуть пар, заполняющий каналы рабочих лопаток, на что тратится часть его энергии;

• потери от протечек пара через внутренние зазоры. Этот вид потерь уменьшает общий расход пара через проточную часть турбины за счет протечек пара мимо рабочих и направляющих лопаток через уплотнения диафрагм, зазоры между рабочими лопатками и корпусом, направляющими лопатками и ротором;

• потери от влажности пара обычно проявляются в последних ступенях конденсационных турбин, где влажность пара достаточно велика. При этом часть энергии потока пара расходуется на разгон капель влаги, содержащихся во влажном паре;

• тепловые потери через изоляцию турбины во внешнюю среду, которые зависят от качества изоляции корпусов турбин, начальных параметров пара, мощности и габаритов установки;

• потери пара от продувания турбин. Продувание турбин производится либо непрерывно, что характерно для последних ступеней с высокой влажностью пара, либо периодически до полного прогрева корпуса турбины при ее пуске. Целью продувания является удаление конденсата, скапливающегося в корпусе турбины;

• потери в главном паропроводе, обусловленные потерей давления пара вследствие затрат энергии на преодоление различных гидродинамических сопротивлений внутри паропровода (трение пара о стенки, местные сопротивления поворотов паропровода, гидравлические сопротивления клапанов);

• потери от дросселирования пара в ресивере. Этот вид внутренних потерь характерен для многокорпусных турбоагрегатов. При переходе пара из одного корпуса турбины в другой происходят потери энергии от трения пара о стенки ресивера и от влияния местных сопротивлений, аналогичные потерям в главном паропроводе.

Все внутренние потери в паровой турбине переходят в теплоту рабочего тела и отображаются на диаграмме в виде приращения энтальпии, сдвигающего конечную точку процесса расширения пара вправо по изобаре по сравнению с теоретической точкой.

К внешним потерям энергии в паровых турбинах относят:

• потери от утечек пара через наружные уплотнения и штоки клапанов, уменьшающие общий расход пара через проточную часть турбины;

• механические потери в турбоагрегате, состоящие из потерь на трение в опорных и упорном подшипниках турбины, потерь энергии на приведение в действие навешенных механизмов и регуляторов и потерь на трение в зубчатом зацеплении редуктора;

• потери на вращение неработающих ступеней ТЗХ, обусловленные дополнительным расходом мощности турбины на преодоление сопротивления трения и вентиляции неработающих ступеней турбины заднего хода; Эта потеря незначительна и составляет около 1 % от внутренней мощности турбины. Небольшая величина данной потери объясняется тем, что ТЗХ обычно располагается в корпусе ТНД вблизи конденсатора, и на переднем ходу вращается практически в вакууме.