Что называется турбинной ступенью
Группы ступеней в многоступенчатой турбине
Ступени современных конденсационных турбин можно разделить на следующие четыре группы:
а) регулирующая ступень, применяемая в турбинах с сопловым парораспределением;
б) ступени, работающие в области малых объемных рас ходов пара (в области повышенных давлений);
в) промежуточные ступени, в которых объемы пара до статочно велики;
г) ступени низкого давления, работающие под вакуумом, где объемы пара достигают очень большой величины.
В случае дроссельного парораспределения регулирующая ступень отсутствует. Что касается остальных групп, то приведенная разбивка является довольно условной. Тем не менее при расчетах и конструировании этих ступеней имеется ряд особенностей, которые оправдывают такую их классификацию.
Выбор типа регулирующей ступени (одновенечная ступень или двухвенечная ступень скорости) определяется величиной расчетного тенлоперенада при экономической мощности турбины. Теплоперепады до 80 —120 кДж/кг обычно перерабатываются одновенечной регулирующей ступенью. При больших теплоперепадах ставится двухвенечная ступень скорости. В свою очередь следует выбрать теплоперепад регулирующей ступени с учетом особенностей работы этой ступени при переменном режиме турбины (см. § 7.2 и 7.5). Однако основные соображения, которые следует иметь в виду при назначении расчетного теилоперепада, должны быть отмечены сейчас, поскольку от этого в большой степени зависит вся конструкция турбины.
Коэффициент полезного действия регулирующей ступени ниже КПД последующих ступеней, поэтому увеличение теплоперепада регулирующей ступени приводит к понижению КПД турбины при ее номинальной нагрузке. Правда, потери в регулирующей ступени частично возвращаются при последующем расширении пара, особенно в установках с промежуточным перегревом.
Если, например, допустить, что мощность регулирующей ступени составляет 0,1 мощности турбины, то при понижении КОД регулирующей ступени на 1% снижение КПД турбо-установки с промперегревом составит всего лишь около 0,06%.
Если допустить, что двухвенечная ступень скорости имеет КПД на 6% ниже, чем рассчитанные на тот же теплоперепад одновенечная регулирующая и две последующие нерегулируемые ступени, то общий КПД окажется ниже на 0,3—0,4%. В то же время ЧВД турбины при двухвенечной ступени, рассчитанной на большой теплоперепад, окажется проще и дешевле, главным образом, из-за снижения температуры и давления пара внутри турбины.
Кроме того, у турбин с малым объемным расходом пара заметное влияние на экономичность имеют утечки пара через переднее концевое уплотнение. Чем ниже давление в камере регулирующей ступени, тем меньше эти утечки. Поэтому для таких турбин увеличение теплоперепада регулирующей ступени может оказаться оправданным сокращением потерь от утечек через переднее концевое уплотнение. Наконец, в турбинах с малым объемным пропуском пара при понижении давления в камере регулирующей ступени легче обеспечить полный подвод пара в последующих ступенях при достаточной высоте сопловых и рабочих решеток.
12,8 МПа)
современных турбин почти всегда выполняются за одно целое с валом. Максимальный диаметр регулирующей ступени, а следовательно, и располагаемый теплоперепад, который целесообразно выбрать для этой ступени, зависят от максимального диаметра поковки ротора. При значительных объемных пропусках пара, т. е. для турбин большой мощности, упрощение конструкции, достигаемое за счет увеличения теплоперепада на регулирующую ступень, не может быть оправдано, так как потери через переднее концевое уплотнение перестают играть существенную роль, а в последующих ступенях нетрудно обеспечить полный подвод пара при достаточных высотах сопловых и рабочих лопаток. Поэтому в турбинах большой мощности применяется одновенечная регулирующая ступень.
При дроссельном парораспределении регулирующая ступень отсутствует. Турбина большой мощности с большим пропуском пара при дроссельном парораспределении может иметь более высокий КПД при номинальной нагрузке, чем турбина с сопловым парораспределением. Однако это преимущество дроссельного парораспределения, которое имеет место только при полном открытии дроссельного клапана, для турбин ТЭС, работающих с неременной нагрузкой, обычно не оправдывается, так как при изменении мощности экономичность турбины с дроссельным парораспределением падает быстрее, чем экономичность турбины с сопловым парораспределением.
В последнее время выявилась тенденция к проектированию ряда мощных турбин с дроссельным парораспределением и регулированием мощности котлом, когда давление на входе в турбину меняется при неизменном положении открытых регулирующих клапанов турбины — гак называемое регулирование скользящим давлением (см. § 8.7). Для турбин очень большой мощности, кроме того, возникают трудности с обеспечением надежности лопаток регулирующей ступени, присущей сопловому парораспределению. Эти трудности характерны и для турбин насыщенного пара АЭС. Последние, как правило (кроме энергосистем с превалирующей долей ядерной энергетики), будут работать в базовом режиме, т. е. при нагрузке, близкой к номинальной. Поэтому турбины атомных электростанций проектируются с дроссельным парораспределением.
В первых нерегулируемых ступенях основной задачей является обеспечение достаточной высоты сопловых и рабочих решеток. Если воспользоваться формулами (3.35) и (3.37) и заменить в них абсолютную скорость пара
то произведение степени парциалыюсти на высоту сопловой решетки запишется так:
, то, выразив окружную скорость и через диаметр и частоту вращения, получим формулу
Последнее, однако, связано с уменьшением перерабатываемого ступенью теплоперепада, что приводит к увеличению числа ступеней и к усложнению конструкции турбины. Поэтому в турбинах малой мощности иногда оказывается необходимым все же выполнять парциальный подвод пара и в первых нерегулируемых ступенях. Очевидно, что такое решение возможно лишь в турбинах активной конструкции.
Как было отмечено выше, значительное число ступеней приводит к необходимости выполнять турбину двух- или многоцилиндровой, что вызывает ее усложнение, удорожание и для турбин средней и малой мощности не может быть признано целесообразным; кроме того, при увеличении числа цилиндров возрастают механические потери в подшипниках, а также возникает дополнительная потеря давления в паропе-репускных трубах.
В турбинах с дисковой конструкцией ротора, как правило, вал получается гибким, причем допустимая критическая частота ротора не должна быть ниже 0,55—0,6 рабочей. При соблюдении этого условия в одноцилиндровой турбине с дисковой конструкцией ротора удается расположить до 15—20 ступеней.
перестают зависеть от высоты решеток.
также еще незначительна, что упрощает их
Для влажнопаровых турбин АЭС проектирование первых и промежуточных ступеней должно проводиться с учетом работы большинства этих ступеней влажным паром (см. § 4.4, 5.2, 10.3).
рабочие лопатки часто выполняют переменного профиля по высоте.
Что называется турбинной ступенью
В турбинах со ступенями скорости, как и в одноступенчатой, все используемое тепло превращается в кинетическую энергию в соплах, которая преобразуется в механическую работу на рабочих лопатках нескольких рядов. Схема активной турбины с двумя ступенями скорости показана на рис. 4.
и / с 1 = 1 / 2 z ,
где z — количество ступеней скорости.
Из приведенного отношения следует, что для наивыгоднейшего использования кинетической энергии пара окружная скорость при двух ступенях скорости должна быть в четыре раза, а при трех ступенях скорости — в шесть раз и т. д. меньше скорости истечения пара из сопла.
Ступени скорости находят широкое применение во вспомогательных турбинах, служащих приводом для масляных, питательных, топливных и других насосов, и в главных турбинах в качестве ступеней заднего хода и первой регулировочной ступени.
При использовании ступеней скорости для вспомогательных турбин и турбин заднего хода обеспечиваются их малые габариты, простота устройства и удобство обслуживания. Невысокая экономичность этих турбин в связи с малой мощностью вспомогательных турбин и использованием их отработавшего пара на подогрев питательной воды, а также непродолжительной работой турбин заднего хода существенного значения не имеет.
Применение ступеней скорости в качестве первой регулировочной позволяет использовать значительный теплоперепад и благодаря этому значительно снизить давление и температуру в корпусе турбины и уменьшить количество последующих за ней ступеней давления.
Многоступенчатые паровые турбины
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
Кроме небольших, вспомогательных, паровые турбины, в том числе энергетические, а также судовые выполняются многоступенчатыми.
В § 1.1 отмечалось, что принципиальное различие между многоступенчатыми активными и реактивными турбинами, которое было заметным в первый период развития турбостроения, впоследствии значительно сгладилось, и многие современные паровые турбины часто выполняются с активными ступенями в области повышенного давления пара и с реактивными ступенями в части низкого давления. Тем не менее по конструктивным признакам разделение между активными и реактивными турбинами сохранилось до сих пор. Также сохранились и некоторые особенности в методах проектирования тех и других турбин. Поэтому в дальнейшем мы оставим условное деление между активными и реактивными турбинами. Однако, говоря о турбинах активных, будем допускать в них и ступени, работающие со значительной степенью реактивности. Под реактивными подразумеваются турбины, имеющие в большинстве ступеней реактивность рср%0,5.
На рис. 5.1 показана конструктивная схема проточной части многоступенчатой активной турбины. На общем валу насажен ряд дисков, на периферии которых располагаются рабочие лопатки. Диски разделены диафрагмами, в которых установлены сопловые лопатки. В сопловых решетках происходит расширение пара. Элемент турбины, состоящий из диафрагмы и последующего диска с рабочими лопатками, образующими
рабочую решетку, представляет ступень активной турбины. Диафрагмы двух соседних ступеней образуют камеру, в которой располагается диск, несущий рабочую решетку.
Во многих турбинах применяется сопловое парораспределение. При этом первая ступень при изменении пропуска пара работает с изменяющейся парциалыюстью и в этом отношении отличается от последующих ступеней турбины. Такая ступень называется регулирующей и выполняется при относительно малых расчетных теплоперепадах в виде одновенечной активной ступени, при значительных теплоперепадах — в виде двухвенеч-ной ступени скорости.
В многоступенчатой турбине полный располагаемый теп-лоперепад от начального состояния пара до давления в выходном патрубке распределяется между последовательно расположенными ступенями турбины. Таким образом, каждая из ступеней перерабатывает лишь часть общего теплоперепада, приходящегося на всю турбину.
, за счет чего скорость при истечении из сопловой решетки возрастает до с<.
Основная часть кинетической энергии с\1 парового потока преобразуется при протекании рабочей решетки регулирующей ступени в энергию вращения ротора турбины, так что при выходе из рабочих лопаток паровой поток имеет незначительную скорость с2-
Таким образом, расширение пара продолжается в последующих ступенях до тех пор, пока не будет достигнуто давление рк в выходном патрубке турбины. В ступенях высокого и среднего давления активной турбины обычно предусматривается невысокая степень реактивности. В ступенях низкого давления реактивность увеличивается.
Линия аЬ в диаграмме на рис. 5.1 показывает изменение вращающего момента на валу турбины. Крутящие моменты, передаваемые дисками каждой последующей ступени суммируются, гак что величина момента возрастает и суммарный момент М соответствует суммарной мощности /V, которую при частоте вращения со турбина передает ротору соединенного с ней генератора электрического тока: N= = 10″3 М(й кВт.
Небольшой отрицательный момент па переднем конце вала определяется затратой мощности на привод масляного насоса, расположенного активной. Активная одновенечная регулирующая ступень показана и на рис. 5.3. Так как регулирующая ступень работает с парциальным подводом пара, то, чтобы обеспечить высокую ее эффективность, ступень (§ 4.2) следует проектировать с небольшой степенью реактивности.
За регулирующей ступенью размещаются реактивные ступени, которые всегда выполняются с полным подводом пара. Если в активных турбинах малой мощности применять парциальный подвод пара в первых нерегулируемых ступенях, то для реактивных турбин такая возможность исключается.
Рабочие лопатки реактивных ступеней устанавливаются непосредственно на барабане, а сопловые лопатки крепятся в корпусе турбины или в обоймах.
Расположение сопловых лопаток в диафрагмах, а рабочих на дисках в реактивной турбине привело бы к большим осевым усилиям, действующим на ротор (см. § 5.5), увеличению осевых габаритов турбины и ее удорожанию.
согласно (3.33) реактивные ступени при той же окружной скорости и перерабатывают меньший тепло-перепад, чем активные, и число их в многоступенчатой турбине больше.
Разбивка общего теплоперепада между отдельными ступенями, которая осуществляется в многоступенчатых турбинах, создает ряд преимуществ, позволяющих достигнуть высокого КПД всей многоступенчатой турбины.
Основные преимущества многоступенчаюй турбины заключаются в следующем.
1. С применением значительного числа ступеней можно для каждой ступени выбрать небольшой теплоперепад, даже при умеренных окружных скоростях рабочих лопаток обеспечить значения н/гф, при которых КПД отдельных ступеней достигают максимума.
2. Уменьшение теплопсрепада и связанное с л им уменьшение диаметра ступени (при заданной час готе вращения) приводит к увеличению высот сопловых и рабочих лопаток или к увеличению степени парциальноети в тех ступенях, которые работают с малыми объемными расходами пара, как, например, ступени, расположенные в области значительных давлений пара, где удельные объемы пара невелики. В связи с этим даже при мощностях турбины 4000 6000 кВт и частоте вращения /? = 50 1/с во всех ступенях турбины, за исключением регулирующей, обычно удается обеспечить степень парциальнрети, равную единице, и достаточную высоту сопловых и рабочих лопаток.
В регулирующей ступени степень парциальное™ не достигает единицы, так как наличие стенок, отделяющих одну сопловую группу от другой, заставляет сохранять промежутки между сопловыми группами, уменьшающие степень парциальпости. Даже если пар в регулирующей ступени подводится по всей окружности, степень парциальности в ней составляет не более 0,8—0,96.
Достижение полной парциальности и достаточной высоты лопаток нерегулируемых ступеней многоступенчатых турбин является существенным фактором повышения КПД турбины.
При удачном очертании проточной части кинетическая энергия потока пара, покидающего ступень турбины, может быть частично или даже полностью использована в последующей ступени. Таким образом, увеличивается располагаемый теплоперепад Н0 > Н0 большинства ступеней. Выходная скорость полностью теряется обычно лишь в регулирующей и в последних ступенях турбины и ее отдельных цилиндров.
В результате сумма располагаемых тепловых перепадов в многоступенчатой турбине больше, чем располагаемый теплоперепад, взятый для всей турбины по основной изоэнтропе Ит0.
Возможность частичного использования в последующих ступенях потерь при течении в предыдущих ступенях также является существенным преимуществом многоступенчатой турбины.
. Таким образом,
Использованный теплоперепад всей турбины найдется как сумма использованных перепадов отдельных ступеней:
может быть вынесен как общий множитель за знак
Здесь Н о представляет собой располагаемый теплоперепад для всей турбины, взятый по основной изоэнтропе; (? — часть потерь (в тепловых единицах) в ступенях турбины, которые могут быть использованы в последующих ступенях.
С другой стороны, использованный теплоперепад для всей турбины равен
Сравнивая два выражения для использованного теплопе-репада, находим, что КПД всей турбины г^,- представится так:
Отношение дт = ()1Нт0 называется коэффициентом возврата теплоты и определяет долю потерь, которые могут быть использованы в последующих ступенях турбины.
Таким образом, формула (5.3) показывает, что относительный КПД всей многоступенчатой турбины больше, чем средний КПД ее отдельных ступеней.
Для приближенной оценки коэффициента возврата теплоты можно пользоваться такой удобной формулой:
в которой коэффициент кт для турбин, работающих только в области перегретого пара, следует принимать равным 4,8* 10
4; если вся линия процесса лежит в области влажного пара, &т = 2,8 10
4, а для турбин, у которых процесс расширения переходит из области перегретого в область влажного пара, &т=(3,2-^4,3)-104. В формуле (5.4) размерность Нт0 кДж/кг.
На диаграмме на рис. 5.5 приведены кривые изменения коэффициента возврата теплоты в зависимости от числа ступеней турбины при различных значениях относительных внутренних КПД ступени. Эти кривые подсчитаны для процесса, в котором р0 = 9,0 МПа, /о = 500° С, /?к = 4 кПа (&т = 3,8 10
СТУПЕНИ ДАВЛЕНИЯ в паровых турбинах
— ряд подвижных изолированных один от другого специальными диафрагмами дисков с лопатками, в которых струя пара, получив за счет снижения давления в соплах, встроенных в диафрагмы, надлежащую скорость, производит работу на венце подвижных лопаток, затем путем дальнейшего снижения давления в соплах следующей диафрагмы восстанавливает величину скорости и производит работу на следующем подвижном венце (в следующей С. Д.) и т. д. до понижения давления пара до противодавления атмосферы или конденсатора. Турбины со С. Д. являются как бы соединением нескольких одноступенчатых турбин с общим валом. С. Д. применяются тогда, когда перепад давлений настолько велик, что не может быть экономично использован в одном диске. С. Д. служат для уменьшения рабочего числа оборотов машины, не понижая ее коэффициента полезного действия.
Смотреть что такое «СТУПЕНИ ДАВЛЕНИЯ в паровых турбинах» в других словарях:
Паровая тяга — Паровая машина тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина любой… … Википедия
Паровой двигатель — Паровая машина тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина любой… … Википедия
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина любой двигатель внешнего сгорания … Википедия
Парораспределение — Парораспределение управление распределением пара в различных технических устройствах, а также системы для такого распределения. В паровых турбинах парораспределением называют системы подачи пара в турбину, которые регулируют расход и… … Википедия
Паровая турбина — Монтаж ротора паровой турбины, производства компании Siemens, Германия … Википедия
Лопатка (лопасть) — У этого термина существуют и другие значения, см. Лопатка (значения). Турбинная лопатка Лопатка (лопасть) деталь лопаточных ма … Википедия
Турбина — У этого термина существуют и другие значения, см. Турбина (значения). Монтаж паровой турбины, произведённой Siemens, Германия. Турбина ( … Википедия
ТУРБИНА — ТУРБИНА, вращающееся устройство, приводимое в движение потоком газа или жидкости. Турбины дают возможность преобразовать энергию ветра, воды, пара и других текучих сред в полезную работу. Простейший пример турбины ВОДЯНОЕ КОЛЕСО. В ранних… … Научно-технический энциклопедический словарь
МНОГОСТУПЕ́НЧАТАЯ ТУРБИ́НА
Том 20. Москва, 2012, стр. 549
Скопировать библиографическую ссылку:
МНОГОСТУПЕ́НЧАТАЯ ТУРБИ́НА, паровая или газовая турбина, в которой расширение пара или газа от начального до конечного давления и преобразование его тепловой энергии в механич. работу происходит в ряде последовательно расположенных ступеней. Каждая ступень представляет собой элементарную турбину и состоит из неподвижного соплового аппарата, где ускоряется поток рабочего тела (пара или газа), и подвижных рабочих лопаток, на которых кинетич. энергия потока преобразуется в механич. работу на вращающемся роторе. В каждой ступени используется только часть располагаемого потенциала (теплоперепада) расширяющегося потока рабочего тела (суммарный теплоперепад крупных паровых турбин составляет 1000–1600 кДж/кг), поэтому скорости пара или газа в ступени умеренные. Для сравнения: скорость вращения лопаток многоступенчатой паровой турбины составляет 240–400 м/с, для одноступенчатой конструкции (при сохранении той же мощности турбины) скорость вращения должна была бы составлять 1000 м/с, что значит. затруднило бы обеспечение прочности лопаток и конструкцию соединения ротора с приводимыми машинами. Уменьшение теплоперепада в отд. ступенях позволяет получать в М. т. оптимальное соотношение скорости потока рабочего тела и кпд турбины.