Внутренние потери энергии в активной турбинной ступени

а). Потери энергии связанные с парциальным подводом пара

При малых объемных расходах пара (GV) для турбин небольшой мощности (турбоприводов генераторов и вспомогательных механизмов) и первых ступеней отдельных главных турбин, работающих в области высоких давлений и малых удельных объемов пара, высоты сопловых и рабочих лопаток имеют очень малую величину. Это вызывает большие концевые потери энергии и значительное снижение КПД ступени. В этом случае применяется парциальный (частичный) подвод пара в турбинной ступени.

Ввод пара в турбинную ступень производится (рис.26) не по всей длине окружности, а по дугам, тем самым, применение частичного впуска позволяет увеличить высоту сопел и рабочих лопаток ступени.

Иногда сопла первой ступени разделяют на 3–6 группы, причем каждая из групп сопел имеет свой сопловой клапан. При необходимости уменьшить мощность турбины некоторые из групп сопел отключают. В этом случае применение частичного впуска связано с особенностями регулирования мощности турбины.

Применение частичного впуска пара сопровождается появлением дополнительных потерь энергии, которые будем обозначать через q_в. Эти потери складываются из потерь по концам сопловых дуг q_с и вентиляционных потерь q_вент.

Потери по концам сопловых дуг объясняются особенностями обтекания движущейся решетки рабочих лопаток, по границам струи пара, вытекающей из отдельно расположенной сопловой группы. В тот момент, когда очередная лопатка входит в зону струи, межлопаточный канал заполнен неподвижным относительно лопаток «инертным паром» (рис.50), поэтому часть энергии затрагивается на то, чтобы вытолкнуть этот инертный пар из канала. В этот же момент один из каналов выходит из зоны действия струи; пар покидает канал и в первый момент внутри него возникает зона пониженного давления. Часть энергии затрагивается на подсос инертного пара в этот канал. Кроме того наблюдается некоторый размыв потока по границам струи, а при наличии реакции могут появится протечки в осевой зазор и, через неработающие каналы в камеру следующей ступени.

В активной ступени наибольшую величину имеют потери, связанные с выталкиванием инертного пара, поэтому иногда потери по концам сопловых дуг называют«потерями на выколачивание». При наличии у турбинной ступени некоторой степени реакции существенную роль начинают играть протечки в осевой зазор, что приводит к общему росту потерь по концам сопловых дуг. Поэтому ступени с частичным впуском обычно выполняют чисто активными, т.е. принимают величину степени реакции =0.

Потери по концам сопловых дуг в значительной степени зависят от степени реакции в корневом сечении и величины степени впуска (рис.51).

Теоретический расчет потерь по концам сопловых дуг связан с серьезными трудностями. Поэтому определение этих потерь производятся по эмпирическим и полуэмпирическим зависимостям.

(2.8.1)

При наличии нескольких групп сопел

(2.8.2)

где Z – число отдельно расположенных групп сопел.

Вентиляционные потери q_в обусловлены вентиляционным сопротивлением неработающей дуги рабочих лопаток. В тот момент, когда рабочие лопатки проходят дугу окружности, не занятую соплами, в межлопаточных каналах возникают вентиляционные токи (рис.52). Под воздействием центробежных сил инертный пар, заполняющий канал отбрасывается к периферии, а у корня наблюдается подсос из камеры ступени. Упрощенно можно представить вентиляционные потери как трение о пар «шероховатых» из–за кромок лопаток участков рабочего венца вне зоны струи пара. При определении вентиляционных потерь рассчитывается мощность, затрагиваемая на преодоление вентиляционного сопротивления неработающей дуги лопаток. Эта мощность пропорциональна «площади трения», т.е. (1–ε)ℓ_sD, кубу окружной скорости лопаток и обратно пропорциональна удельному объему пара в камере ступени.

Таким образом (2.8.3)

где β = (17,2 – 35,3) ∙ 10³ – коэффициент. Минимальное значение β соответствует случаю, когда неработающая дуга лопаток закрыта специальным кожухом. Такой кожух иногда устанавливается при малых значениях ε для снижения вентиляционных потерь.

Мощность N_вентрасходуется на повышение энтальпии пара.

(2.8.4)

гдеG – расход пара через ступень.

Суммарная величина потерь энергии q_в, связанная с парциальным впуском пара, определяется по формуле

q_в = q_с + q_вент (2.8.5)

б). Потери на трение диска и бандажа рабочих лопаток о пар

В ступенях активного типа, где рабочие лопатки закреплены на дисках и скреплены на периферии бандажной лентой, при вращении диска и бандажа в вязкой паровой среде часть полезной мощности расходуется на преодоление сил трения пара о поверхности диска и бандажа. У поверхности диска и бандажа (рис.53) скорость пара равна окружной скорости диска, у корпуса (диафрагмы) – равна нуля.

Мощность, расходуемая на трение диска и бандажа о пар зависит от состояния поверхностей диафрагм и диска, их геометрических размеров, а также от значений окружных скоростей и может определена по формуле.

(2.8.6)

где D – средний диаметр ступени;

u – окружная скорость рабочих лопаток на среднем диаметре;

Vs – удельный объем в камере рабочего колеса;

β= (0,87…1,73) · 10³ – коэффициент.

Коэффициент β зависит от объема камеры, в которой вращается диск и от состояния поверхностей диска и диафрагмы. Минимальная потеря на трение диска о пар (β = 0,87) наблюдается при величине зазора между диафрагмой и диском, равной 0,02D и при гладких поверхностях диафрагмы и диска.

Потеря энергии q_r на трение диска и бандажа о пар может определена по формуле

(2.8.7)

Потеря q_r, характерна только для ступеней активного типа с дисковым ротором и обандаженными рабочими лопатками. Наиболее существенно эти потери сказываются при высоких параметрах пара и большой окружной скорости.