Потери на протечки через зазоры в реактивной и активной турбинных ступенях

а) Потери на протечки через зазоры в реактивной ступени

Схема протечек пара в реактивной ступени показана на рис.45, где ∆G_d – общее количество пара, перетекающее через δ_r в направляющем аппарате, ∆G_s – общее количество пара перетекающее через зазор в рабочих лопатках.

Коэффициент потерь на протечки через зазоры ς_з, учитывающий суммарное влияние протечек ∆G_d и ∆G_s, вычисляется по формуле

(2.7.7)

Из формулы (2.7.7), видно, что протечки через зазоры направляющих лопаток влияют на КПД ступени в меньшей степени, чем протечки через зазоры в рабочих лопатках.

Количество пара ∆G_d поступает на рабочие лопатки с меньшей скоростью, подмешиваясь к основному потоку, этот пар уменьшает его кинетическую энергию, однако, проходя через каналы рабочих лопаток вместе с основным потоком, протечки ∆G_d участвуют в расширении пара на рабочих лопатках и тем самым совершают некоторую полезную работу. Протечки ∆G_s полезной работы в данной турбинной ступени не совершают.

Относительная величина протечек через зазоры может быть подсчитана по следующим соотношениям:

, (2.7.8)

(2.7.9)

где φ₃ – коэффициент скорости при расширении пара в зазоре (рис.46);

ρ, ρ', ρ" – степень реакции ступени на среднем диаметре, в корневом и периферийном сечениях;

V_d V_s – удельные объемы пара на выходе из направляющих и рабочих лопаток (рис.15).

Относительная величина зазоров , определяется отношением площади сечения потока в зазоре к общей площади живого сечения потока на выходе из решеток:

, (2.7.10)

(2.7.11)

где δ_r – радиальные зазоры в направляющем и рабочем венцах приблизительно равные между собой и составляют величину (0,5…3)·10^{-3 м, должны выбираться в зависимости от высоты лопаток, диаметра и формы ротора турбины [2].}

б) Потери энергии пара на протечки через зазоры в активной ступени

Активная ступень может быть двух типов (рис.47):

без разгрузочных отверстий в дисках;

с разгрузочными отверстиями в дисках.

В первом случае схема протечек показана на рис.47а. Из общего расхода пара G, подведенного к направляющему аппарату ступени, часть ∆G_d просачивается через уплотнение диафрагмы, а затем перед рабочими лопатками, вновь смешивается с основным потоком. Такое движение пара принято называть подсосом пара. Перед рабочими лопатками поток вновь разделяется: часть пара ∆G_s проходит через открытый периферийный осевой зазор и далее между бандажом и корпусом турбины. Такое движение пара из основного потока в зазор называют утечками пара.

При такой схеме перетекании потери энергии связаны как с утечками, так и с подсосом пара. Количество пара ∆G_d, смешиваясь с основным потоком, не только не совершает никакой полезной работы в активной ступени, но и способствует увеличению потерь, деформируя основной поток.

Для такой схемы перетекании коэффициент потерь на протечки через зазоры приближенно можно принять равным:

(2.7.12)

Во втором случае, разгрузочные отверстия предназначены для того, чтобы выровнять давления по обеим сторонам диска и тем самым уменьшить нагрузку на упорный подшипник турбины (рис.47б и в).

Схема перетекании пара при наличии разгрузочных отверстий в диске зависит от степени реакции у корня рабочих лопаток .

При наличии в корневом сечении лопаток хотя бы не большой положительной реакции > 0 (рис.47б) протечка ∆G_d через уплотнения диафрагмы не смешивается с основным потоком, а проходит через разгрузочное отверстие в диске в камеру следующей ступени. При этом исключается отрицательное влияние подсоса. Однако при этом может наблюдаться отсос некоторого количества пара через открытый корневой осевой зазор и разгрузочное отверстие в камеру следующей ступени.

На первый взгляд кажется, что отсос пара должен оказывать на работу ступени такое же влияние, как и утечка ∆G_s через периферийные зазоры. Однако опыт показывает, что отсос сказывается на КПД ступени в значительно меньшей степени. Это, по–видимому, объясняется тем, что отсасывается главным образом тот пар, который был заторможен нижней торцевой стенкой сопловых каналов. При отсутствии отсоса работа, совершаемая этим паром, все равно была бы небольшой. Для уменьшения отсоса необходимо уплотнять открытый осевой корневой зазор и не назначать в корневом сечении большой степени реакции.

С учетом того, что количество отсасываемого пара невелика, схему перетеканий, показанную на рис.47б следует признать наиболее благоприятной.

Если в корневом сечении степень реакции равна нулю или незначительно больше нуля, то влиянием отсоса можно пренебречь. В этом случае коэффициент потерь на протечки равен:

(2.7.12)

Если же в корневом сечении наблюдается существенная положительная реакция, то необходимо оценивать количество отсасываемого пара.

В этом случае коэффициент потерь оценивается по формуле:

(2.7.13)

Если в корневом сечении рабочих лопаток наблюдается отрицательная степень реакции ( <0), то подсос пара резко увеличивается (рис.47в). В этом случае подсасывается не только пар ∆G_d, просачивающийся через уплотнения диафрагмы, но и часть из камеры следующей ступени через разгрузочное отверстие и открытый корневой зазор.

Приближенно коэффициент потерь оценивается по формуле:

(2.7.14)

Относительная величина протечек через зазоры для активной турбинной ступени при наличии разгрузочных отверстий в диске (рис.47б) может быть подсчитана по следующим соотношениям:

, (2.7.15)

(2.7.16)

где d_в – диаметр вала в районе уплотнения (рис.48);

δ_д – зазор в уплотнениях диафрагмы приблизительно равный значению (0,2÷0,8) ·

·10^{-3 м, зависит от типа уплотнений (гребенчатое, ножевое, елочное) [2];}

Z – число уплотнительных щелей, их количество составляет величину 5÷7 штук;

φ₃ – коэффициент скорости расширения пара в открытом осевом периферийном зазоре приблизительно может быть принят равным 0,5.

Относительную величину зазоров можно определить, используя выражение

, (2.7.17)

где – открытый осевой периферийный зазор (рис.49).

В выражении (2.7.13) величину можно определить по формуле

, (2.7.18)

где – коэффициент скорости при течении пара через зазор. Приблизительно можно принять ;

– относительная величина зазора, рассчитанная по формуле

, (2.7.19)

где – открытый осевой зазор в корневом сечении (рис.49).

Величина потерь на протечки через зазоры q₃ определяется по формуле (2.7.5).

(2.7.5)