ОСОБЕННОСТИ ПОДРОБНОГО РАСЧЕТА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ

После оценки числа ступеней и их теплоперепадов проводят подробный расчет каждой ступени турбины. При этом необходимо иметь в виду некоторые особенности этого расчета.

1. Расходы пара через отдельные ступени и группы ступеней, полученные в результате расчета тепловой схемы, нужно уточнять; на­пример, расход пара на регулирующую сту­пень и на первую нерегулируемую ступень от­личается из-за утечки пара через переднее концевое уплотнение. Поэтому необходимо оценить эту утечку по известным формулам расчета концевых уплотнений. Иногда необходимо также учитывать изме­нение расхода пара через промежуточные ступени за счет поступающего из переднего концевого уплотнения пара дополнительно к основному потоку.

2. В промежуточных ступенях турбины в расчете необходимо правильно оценивать ис­пользование выходной скорости предыдущей ступени в последующей. Для ступеней, спро­ектированных на оптимальные условия рабо­ты, т. е. при угле выхода α₂, близком к 90°, коэффициент использования выходной скоро­сти χ _в.с. принимают равным единице. При уг­лах α₂, отличающихся от 90°, и при сопловой решетке последующей ступени, рассчитанной на угол входа α₂=90°, коэффициент использо­вания энергии выходной скорости предыдущей ступени определяют по формуле χ _в.с =sin² α₂. Энергия выходной скорости не использует­ся в первых ступенях каждого отсека про­точной части, когда перед этой ступенью име­ется емкая камера. Поэтому в первых сту­пенях отсеков необходимо повышать распо­лагаемый теплоперепад по статическим пара­метрам Но на величину энергии выходной скорости (1,5—3,0 кДж/кг) по сравнению с последующей ступенью, в которой использу­ется энергия выходной скорости предыдущей (первой) ступени.

3. Для унификации хвостовиков лопаток в ЦВД и в ЦСД корневой диаметр выполняют постоянным для всех ступеней. Кроме того, для унификации профилей сопловых и рабочих лопаток в груп­пе ступеней выполняют постоянными углы вы­хода из сопловых α₁ и из рабочих лопаток β₂, постоянны также отношения скоростей (u/с_ф)_к и степень реактивности в корневом сечении ρ_к. В этом случае треугольники скоростей для всех ступеней будут подобными при d_к≠const или равными при d_к=const.

4. В направлении потока пара от ступени к ступени увеличивается их веерность l₂/ d₂ и поэтому увеличивается степень реактивности ρ_ср в сечении по среднему диаметру при со­хранении небольшой положительной степени реактивности у корня ρ_к. Степень реактивно­сти на среднем диаметре определяют по фор­муле

ρ_ср = 1 - (1 – ρ_к) (1 / r ^{-2 φ2cos2α2})

или

ρ_ср = 1 - (1 – ρ_к) (1 – l₂/ d₂)^1.8

Оптималь­ное отношение скоростей (u/с_ф)_опт, определяют по фор­муле

(u/с_ф)_опт = φcosα₁/2√(1- ρ_ср)

5. Так как отношение среднего диаметра к высоте лопатки в конденсационных турбинах для последних ступеней становится неболь­шим, лопатки этих ступеней выполняют с пе­ременным профилем по высоте, т. е. закручи­вают. Целесообразной границей закрутки лопа­ток является отношение d₂/ l₂==10–13. Примене­ние закрутки лопаток в последних ступенях существенно усложняет их изготовление и по­вышает стоимость лопаток.

6. Угол α₁ сопловых лопаток может суще­ственно изменяться от ступени к ступени ЦНД конденсационных тур­бин. Это изменение необходимо выполнять для обеспечения плавных обводов про­точной части в меридиональном сечении. В первых ступенях ЦНД угол α₁ уменьшают, чтобы обеспечить повышенную высоту лопа­ток, а в последних ступенях, наоборот, угол α₁ увеличивают, чтобы уменьшить высоту ло­паток.

7. Числа М в сопловых и рабочих лопат­ках от ступени к ступени возрастают (в нере­гулируемых ступенях), так как увеличиваются средние диа­метры ступеней, а значит и теплоперепады, и ско­рости c_1t и ω_2t ; с другой стороны, скорость звука от ступени к ступени уменьшается, так как вдоль проточной части уменьшается тем­пература пара. Сверхзвуковые скорости могут возникать в регулирующих ступенях и в последних ступенях турбины. Число М в нере­гулируемых ступенях изменяется от 0,25—0,6 в ЦВД до 1,5—2,0 в последних ступенях предельных размеров. Поэтому при расчете последних ступеней необходимо учитывать дополнительные потери энергии, связанные со сверхзвуковым обтеканием решеток.

Для реактивных ступеней имеют место специ­фические особенности по сравнению с актив­ными ступенями. Минимальная высота ло­паток первых нерегулируемых ступеней суще­ственно выше, чем для активных, и состав­ляет 20—25 мм. При меньших высотах лопа­ток в реактивных ступенях возникают повы­шенные протечки пара в зазорах между со­пловыми лопатками и ротором, а также меж­ду рабочими лопатками и статором. При этом обязательным является впуск пара в первые нерегулируемые ступени по всей окружности сопловой решетки, т. е. отсутствует парциальный подвод. Угол выхода из сопловых лопаток этих ступеней составляет 15-18°; степень реактивности всех ступеней, за исключением последних двух-трех ступе­ней, равна 0,5. В последних ступенях из-за большой веерности и обязательной положи­тельной степени реактивности у корня степень реактивности по среднему диаметру больше 0.5.

1. Выбор основных исходных величин

Важной величиной, характеризующей КПД турбинной ступени на расчетном и переменном режимах ее работы, является отношение ско­ростей U/C_а. Поэтому правильный выбор оптимального отношения U/C_a для ступеней турбины является необходимым этапом при ее проектировании. Отношение (U/C_a)_ОПТ можно получить расчетным путем или воспользоваться графиком, зная степень реактивности на сред­нем диаметре ступени; в свою очередь, ρ_СР в зависимости от отно­шения d_CP/l₂ можно определить с помощью графика.

Во всех современных паровых турби­нах применяют ступени с реактивностью на среднем диаметре от (5...10)% - в первых ступенях и до (40...50)% - в последних ступенях. Вместе с тем, следует помнить, что реактивность увеличивает осевое давление на упорный подшипник вследствие роста разности давления пара на одну и другую стороны диска. Чтобы уменьшить это усилие в теле диска при ρ ≤ 12...I5)% делают разгрузочные отверстия (как правило, количество их нечетное 5...7, диаметр 40...50 мм). При наличии разгрузочных отверстий обеспечить реактивность более 15% не представляется возможным из-за выравнивания давления по обе стороны диска.

Угол выхода потока пара из каналов сопловых лопаток α₁ ре­комендуется принимать:

для первых ступеней (11...14)°, для последних - (18...20)°.

Выходной угол потока пара из каналов рабочих лопаток:

β₂= β₁ - 3...5 ° - для первых ступеней;

β₂= β₁ - 5...10 ° - для последних ступеней.

Особенностью многоступенчатых турбин является то, что в них кинетическая энергия пара, покидающего ступень, может быть частично или полностью использована в последующей ступени. При этом увеличивается располагаемая энергия ступени Е₀ . Коэффициент использова­ния выходной скорости пара из предыдущей ступени рекомендуется вы­бирать χ= 0,75...О,80.

При сверхкритических перепадах давления ( , где β_KP = 0,546 для перегретого пара и 0,577 для насыщенного) можно применять сопловые лопатки, которые образуют суживающиеся каналы. При этом следует учитывать дополнительное расширение пара в косом срезе этих сопел .

2. Подробный тепловой расчет промежуточной ступени

В подробном тепловом расчете расчет ведется по среднему радиусу в отличие от ориентировочного, где расчет ведется на корневом радиусе.

В подробном тепловом расчете процесс расширения пара рассчитывается с учетом всех потерь от ступени к степени и наносится истиный процесс расширения пара в турбине в h-S диаграмме.

В ориентировочном расчете высоты рабочих лопаток определялись по торцевым площадям, определяемым по осевой скорости выхода, заданной произвольно. В подробном тепловом расчете геометрические размеры ступени уточняются с учетом кинематических параметров потока: абс. и отн. скоростями выхода пара из сопла и рабочей лопатки, углами α₁ ,α_2, β_1, β_2, термодинамическими параметрами P_1, υ₁ и P_2, υ_2.

Исходными расчетными данными для каждой промежуточной ступени являются данные ориентировочного расчета:

начальные параметрами P_0, t_0, υ₀;

диаметр ступени d_к и d_ср , м;

изоэнтропийный тепловой перепад h₀ , кДк/кг;

расход пара G₀ ,кг/с;

степень реактивности ρ , %.

Оценив реактивность ступени, определяют теплоперепады, кДж/кг:

а) в каналах сопловой решетки

б) в каналах рабочей решетки

Из h-S- диаграммы, зная теплоперепады h₀₁ и h₀₂ , определяют пара­метры пара за сопловой и рабочей решетками ( P₁, U₁, t₁, и P₂, U₂, t₂)

По отношению давлений P₁/Р₀ определяют тип сопловой решетки (с суживающимися или расширяющимися каналами).

Тепловой процесс в h-S - диаграмме и треугольники скоростей для промежуточной ступени с реактивностью, работающей с частичным использованием выходной скорости из предыдущей ступени, показаны на рис.1.

Теоретическая скорость пара на выходе из сопловой решетки без использования выходной скорости предыдущей ступени

а с использованием этой скорости

где μ₀ = χ - коэффициент использования энергии из предыдущей ступе­ни;

- энергия от выходной скорости пара предыдущей ступени, кДж/кг:

Действительная скорость пара на выходе из сопловой решетки

где φ - коэффициент скорости пара в сопловой решетке, прибли­женно его значение может быть принято 0,95...О,97. Выходной угол потока пара из сопловой решетки α₁ выбирается по ранее данным рекомендациям.

Из входного треугольника скоростей (рис.1) определяют зна­чение W₁ и направление β₁ относительной скорости пара на входе рабочей решетки.

Теоретическая относительная скорость пара на выходе из рабочей решетки при наличии реактивности

Действительная относительная скорость пара на выходе из рабо­чей решетки при наличии реактивности W₂=ψW_2t , а при активном облопачивании W₂=ψW₁, где ψ- коэффициент скорости пара на рабочих лопатках, опре­деляется по графикам.

По скоростям W₂ , U , углу β₂ строят выходной треугольник скоростей, из ко­торого определяют величину С₂ и направление α₂ абсолютной ско­рости пара на выходе из рабочей решетки. С целью снижения потерь с выходной скоростью пара желательно, чтобы угол α₂ не выходил за пределы 75⁰ < α₂< 110° и по возможности приближался к 90°.

Из треугольников скоростей определяют проекции скоростей С₁ и С₂ на окружное и аксиальное направление:

C_1U=C₁cos α₁ C_2U=C₂cos α₂

C_1a=C₁cos α₁ C_2a=C₂cos α₂