Турбинная ступень, МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТУРБИНЫ

Принцип работы

Рис. 1.1

Турбина (от латинского turbo–вихрь, вращение с большой скоростью) - первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим процессом, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела - пара, газа или воды. Струя рабочего тела поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Стационарные турбины применяют для привода генераторов электрического тока.

Совокупность неподвижной и вращающейся решеток называют турбинной ступенью. В неподвижной решетке происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, и поэтому эту решетку обычно называют сопловой ( иногда называют направляющая решетка). Во вращающейся решетке кинетическая энергия пара преобразуется в энергию вращения ротора.

3.1.2 Преобразование энергии в турбинной ступени

Рис. 1.2

В ступени турбины тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию потока, а последняя - в механическую энергию. Рассмотрим это преобразование применительно к одной ступени турбины.

На рисунке показан процесс расширения пара в ступени. Состояние пара перед ступенью изображается точкой 0 пересечения изобары р₀ и изотермы t₀. Полная энергия 1 кг пара перед ступенью равна сумме энтальпии h₀ и кинетической энергии с₀²/2. Это состояние изображается с помощью так называемых параметров торможения. Мысленно затормозив поток пара, переходим на диаграмме от точки 0 в точку 0¹. Параметры в этой точке называются параметрами торможения. Параметры в точке 0 называются статическими параметрами.

При изоэнтропийном расширении пара в ступени от начальных параметров до давления р₂ его энтальпия уменьшается до значения h_2t. Величина Н₀ называется располагаемым теплоперепадом ступени.

Пар с параметрами р₀ и t₀ поступает в каналы сопловой решетки, где расширяется до давления р₁ и разгоняется до скорости с₁. С этими параметрами пар входит в каналы рабочей решетки, где расширяется до давления р₂ и меняет направление потока. При этом на рабочие лопатки ступени действует окружное усилие R, которое и создает крутящий момент, вращающий ротор.

Реальные процессы течения пара всегда происходят с потерями. Поэтому процесс расширения пара в сопловой решетке пройдет не по изоэнтропе 01, а с ростом энтропии по линии 0А. В результате состояние пара за сопловой решеткой будет изображаться точкой А. Величина D h_с - потеря энергии в сопловой решетке.

Если бы течение в рабочей решетке проходило без потерь, то расширение от давления р₁ до давления р₂ привело бы к уменьшению энтальпии на величину Н_0р = h₁ - h_3t. При этом располагаемый теплоперепад всей ступени, подсчитываемый от параметров торможения, составил бы H₀ = H_0c + H_0р, то есть сумму располагаемых теплоперепадов сопловой и рабочей решетки. То есть располагаемый теплоперепад может быть взят на изоэнтропе между давлениями р₀ и р₂ (линия 012). В действительном процессе вследствие потерь в сопловой и рабочей решетке расширение пара происходит по линии 0АВ. В результате состояние пара за рабочей решеткой будет изображаться точкой В. Величина D h_р - является потерей энергии в рабочей решетке.

Пар, покидающий ступень, имеет скорость с₂ и поэтому энергия потерянная с выходной скоростью для рассматриваемой ступени (но не для всей турбины) составит: D h_в.с.= с₂²/2, откладывая вдоль изобары р₂ значение потери с выходной скоростью получаем точку С. Отрезок Н_u, равный разности энтальпий в точках 0¹ и С, представляет собой полезную работу ступени, отнесенную к 1 кг протекающего пара.

Отношение теплоперепада H_0P к располагаемому теплоперепаду ступени H₀ называется степенью реактивности ступени r. Если степень реактивности ступени равна нулю, то в каналах рабочих лопаток не происходит дополнительного расширения пара, и ступень называется чисто активной. Если степень реактивности невелика (до 0, 25), то ступень принято называть также активной с небольшой степенью реактивности. Если степень реактивности значительна (0, 4 ¸ 0, 65), то ступень называется реактивной.

Активная ступень

Рассмотрим простейшую схему паровой турбины. Процесс понижения энтальпии (теплосодержания) пара происходит при его расширении в неподвижном канале, сопле. Здесь скорость движения пара увеличивается и происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую. Струя пара поступает с большой скоростью на рабочие лопатки (в рабочие каналы), закрепленные на диске, где часть кинетической энергии пара превращается в механическую работу, передаваемую валу турбины.

Рис. 1.3

Изогнутая поверхность рабочих лопаток заставляет струю пара изменять направление движения, в результате чего возникает давление на вогнутые поверхности лопаток. Под влиянием этого давления рабочее колесо (диск), несущее рабочие лопатки, вращается по направлению скорости пара и таким образом приводится во вращение и вал турбины, который, преодолевая сопротивления трения, производит механическую работу.

Отличительной особенностью такой ступени турбины является то, что расширение пара происходит только в соплах, а преобразование кинетической энергии пара в механическую работу происходит без дальнейшего расширения пара. А только вследствие изменения направления его потока в рабочих каналах.

Рис. 1.4

Представим себе ступень турбины в рабочих лопатках, которой поток пара разворачивается на 180°. Предположим, что пар вытекает из сопла с абсолютной скоростью с₁ и заставляет лопатку двигаться со скоростью u. В этом случае скорость движения пара относительно стенок каналов между рабочими лопатками будет w ₁ = с₁ - u. Если площадь поперечного сечения канала постоянна и отсутствуют потери энергии в канале, то абсолютное значение этой скорости будет одинаково по всей длине канала. Таким образом, при выходе с лопатки пар будет иметь относительно стенок канала скорость w ₂ = w ₁, направленную в сторону, обратную с₁ и u. Следовательно, абсолютная скорость выхода с₂ равна разности относительной скорости и окружной скорости с₂ =w₂ – u. Уменьшение абсолютной скорости при прохождении пара через лопатки с₁ – с₂ = (w ₁ + u) – (w ₂ – u) = 2u равно двойной окружной скорости и будет определять уменьшение кинетической энергии пара. За счет этой доли энергии валом турбины производится механическая работа.

Турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, называются активными. Таким образом, две части процесса паровой турбины – превращение потенциальной энергии в кинетическую и превращение кинетической энергии в механическую работу – происходят здесь раздельно в самостоятельных аппаратах: соплах и рабочих каналах.

соплах и рабочих каналах.

Реактивная ступень

Турбины, в которых превращение потенциальной энергии в кинетическую и последней в механическую работу происходит в одном и том же аппарате, называются реактивными. В таких турбинах рабочие каналы имеют форму сопел. Если предположить, что пар подводится к лопатке с нулевой скоростью относительно стенок, то относительная выходная скорость w получается за счет понижения его энтальпии. Лопатка под действием реактивной силы движется со скоростью и в направлении обратном скорости потока пара. Абсолютная скорость пара после выхода с лопатки равна разности относительной и окружной скоростей c₂ = w – u. От величины абсолютной скорости зависит энергия, унесенная паром в виде не использованной на лопатке кинетической энергии.

Проведенный анализ работы пара в активной и реактивной турбинах показывает, что в обоих случаях имеются потери энергии из-за наличия выходной скорости c₂. Наивыгоднейшая работа пара возможна только при идеальном процессе, когда выходная скорость равна нулю, (с₂ = 0). Для активной турбины оптимальное соотношение скоростей с₁ = 2u или как принято u/с = 0, 5, а для реактивной w = u. Так как с₁ для активной турбины и w для реактивной являются скоростями, соответствующими превращению теплового перепада в кинетическую энергию, можно сделать следующее заключение. Если необходимо переработать большой тепловой перепад (т. е. значения с₁ и w велики), то для выгодного использования энергии пара требуются большие окружные скорости. Реактивная турбина при прочих равных условиях требует вдвое больших окружных скоростей, чем активная.

Большие окружные скорости получают либо при больших диаметрах рабочих колес, либо за счет большой частоты вращения вала турбины (20000-30000 об/мин). Такие скорости невозможно использовать для привода машин. Кроме того, окружные скорости ограничиваются прочностью вращающихся частей турбины.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒