Выбор исходных данных и параметров при расчете турбинной ступени

Расчет турбинных ступеней

При расчете турбинной ступени устанавливают форму проточной части сопловых и рабочих решеток, определяют их размеры, шаг расположения лопаток в соответствующих решетках, углы их установки, а также выбирают конструкции надбандажных и диафрагменных уплотнений. Перед расчетом ставятся две основные задачи:

1. получение высокой экономичности турбинной ступени;

2. обеспечение требуемой надежности всех ее элементов.

Оценка экономичности ступени осуществляется по рассчитанному значению ее относительного внутреннего КПД, а надежности - по сравнению напряжений растяжения и изгиба в рабочих лопатках с допускаемыми напряжениями. Итогом расчета является определение внутренней мощности ступени.

Исходными данными для расчета являются следующие величины: расход водяного пара G, кг/с; его термодинамические параметры р₀, МПа (кПа), t₀,⁰С; скорость потока на входе в ступень с₀, м/с и ее направление (угол a₀). Известными также являются средний диаметр d_ср, м и частота вращения ротора турбины n, с^-1.

Предварительно оценивается степень реактивности ступени в зависимости от ее типа (активного или реактивного), места расположения в проточной части турбины (первые, промежуточные или последние ЦВД, ЦСД, ЦНД). Обычно первая ступень ЦВД турбин с сопловым способом парораспределения является регулирующей (парциальной) и выполняется активного типа (r=0,02…0,10), а последние ступени конденсационных турбин проектируются с высокой степенью реактивности. В турбинах активного типа промежуточные ступенивыполняются со степенью реактивности r=0,10…0,35. При этом, чем меньше отношение d/l решеток турбинной ступени, тем большим выбирается значение ее степени реактивности.В представляемой далее методике расчета ступеней с лопатками постоянного профиля вычисление степени реактивности на среднем диаметре можно проводить по упрощенной формуле:

. (8.1)

Значение степени реактивности в корневом сечении ступени принимается равным r_кор=0,03…0,05 (r_кор=0,1…0,3 для последних ступеней ЦНД). Следует помнить, что от ступени к ступени с ростом степени реактивности в сечении по среднему диаметру увеличивается оптимальное отношение скоростей u/с_ф в соответствии с формулой:

. (8.2)

На рис. 8.1 представлена схема ступени активного типа, в которой основная часть располагаемого теплоперепада приходится на сопловую решетку. Для ступеней с высокой степенью реактивности улучшается обтекание лопаток рабочей решетки за счет большей конфузорности ее межлопаточных каналов, что способствует росту относительного лопаточного КПД h_ол. Но за счет увеличенного теплоперепада в рабочей решетке (соответственно и большей разности давлений р₁ - р₂) растут протечки через зазоры уплотнений, а также осевые нагрузки, действующие как на рабочие лопатки, так и на диск ступени. В общем случае, с повышением степени реактивности турбинных ступеней уменьшаются оптимальные значения их теплоперепадов, что приводит к росту числа ступеней турбины и ее стоимости. Обычно выбор степени реактивности является технико-экономической задачей и осуществляется в процессе оптимизации всей проточной части паровой турбины.

Рис. 8.1. Обозначения для геометрических величин проточной части межлопаточных каналов турбинной ступени активного типа

В зависимости от выбранной степени реактивности оценивается оптимальное отношение скоростей u/с_ф, обеспечивающее максимальные значения h_ол и h_оi. Выбор параметра u/с_ф<(u/с_ф)_опт позволяет при том же значении окружной скорости u реализовывать больший теплоперепад Н₀ в ступени и тем самым сократить их количество. Ранее были даны следующие рекомендации по связи параметров r и u/с_ф:

приr=0-0,1 u/с_ф=0,46…0,5; при r=0,1-0,2 u/с_ф=0,51…0,53; при r=0,5 u/с_ф=0,55…0,65.

Рис. 7.11 (повтор). Процесс расширения пара в турбинной ступени

11. Теоретическая скорость потока на выходе из сопловой решетки позволяет оценить число Маха М_1t=с_1t/а_1t, где скорость звука а_1t= . Для перегретого пара значение показателя изоэнтропы х=1,3.

12. Для дозвукового режима течения пара в межлопаточных каналах сопловой решетки (М_1t<1) значение площади ее горловых сечений F₁ определяется из уравнения неразрывности , где коэффициент расхода m₁ оценивается по выражению (6.4) или на основе данных рис. 6.6 (в первом приближении m₁»0,97).

13. Для сверхзвукового режима (М_1t>1) обычно применяют суживающие по форме каналы сопловой решетки, но ее выходная площадь находится по критическим значениям скорости и удельного объема. Они вычисляются по критическому отношению давлений , значение которого для перегретого водяного пара e_*=0,546. Тогда, определив р_1*, с помощью h,s – диаграммы (рис. 8.3) находится критический теплоперепад и значение критической скорости .

Рис. 8.3. К определению критических значений термодинамических параметров