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_о_i. 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.

8.2. Методика расчета турбинной ступени c q=d/l>10…13

(для самостоятельного изучения, дана вам в трех частях типового расчета)

Данная методика расчета предполагает, что течение в сопловой и рабочей решетках ступени может считаться плоскопараллельным и параметры потока пара по высоте решеток сохраняются постоянными {р₁(r)=const, c₁(r)=const, a₁(r)=const}. Это предположение оправдано при расчете ступеней с d/l>10…13, т.е. для относительно коротких лопаток первых ступеней ЦВД паровых турбин. В этом случае допустим тепловой расчет ступени по ее среднему диаметру d_ср. Основные этапы расчета следующие:

1. Производится оценка скорости потока на входе в ступень с₀ (с₀=0 м/с для первой ступени отсека турбины и с₀¹0 для промежуточных ступеней) и угла a₀ (a₀»90⁰).

2. Принимается значение коэффициента использования энергии с выходной скоростью c_вс (для регулирующей ступени и последних ступеней отсеков и цилиндров турбины c_вс=0, а для промежуточных ступеней c_вс»1).

3. Задается эффективный угол выхода a_1Э с учетом того, что уменьшение его значения приводит к росту высоты лопаток и КПД ступени. Обычно для ступеней активного типа принимают значение эффективного угла из диапазона a_1Э=11…16^о (12^о).

4. Осуществляется предварительная оценка относительной хорды профиля сопловой решетки b₁/l₁. Обычно для активных ступеней b₁=40…80 мм. При выполнении типового расчета значения b₁и b₂приведены в задании. Высоту лопаток оценивают по результатам расчета предыдущих ступеней, а для первой ступени с короткими лопатками необходимо выполнять условие l₁³10..12 мм (для регулирующей ступени мощных турбин l₁³20-25 мм).

5. На основе выражения (4.10, 6.5) или по данным рис. 6.7 оценивается значение коэффициента скорости сопловой решетки j.

6. По формуле (5.12) вычисляется оптимальное отношение скоростей (u/с_ф)_опт и принимается решение о выборе значения параметра u/с_ф для рассчитываемой ступени (для ряда ступеней определяющими факторами при выборе значения u/с_ф являются необходимость срабатывания больших теплоперепадов.).

7. После определения окружной скорости u=pd_срn вычисляется значение фиктивной скорости с_ф=u/(u/с_ф).

8. Далее вычисляется располагаемый теплоперепад ступени по параметрам полного торможения рабочей среды: , Дж/кг. В тех случаях, когда располагаемый теплоперепад турбинной ступени известен (в типовом расчете располагаемый теплоперепад регулирующей ступени задан), то оценивается значение u/с_ф.

9. Определяются изоэнтропийный теплоперепад сопловой решетки по параметрам торможения и располагаемый теплоперепад рабочей решетки .

10. Осуществляется вход в h,s- диаграмму, с помощью которой по известным параметрам торможения водяного пара и находится значение энтальпии (рис. 7.11) и далее с учетом энергии входной скорости потока в ступень 0,5с₀² вычисляется энтальпия h₀= -0,5с₀² (по статическим параметрам пара р₀, t₀). Далее для условий изоэнтропийного расширения пара в сопловой решетке определяется значение энтальпии h₁_t= - , по которому в h,s-диаграмме находится статическое давление р₁ среды за сопловой решеткой (рис. 7.11). Здесь же, в точке «1t» для теоретического процесса расширения, находится значение удельного объема v₁_t, м³/кг.

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

11. Теоретическая скорость потока на выходе из сопловой решетки позволяет оценить число Маха М₁_t=с₁_t/а₁_t, где скорость звука а₁_t= . Для перегретого пара значение показателя изоэнтропы х=1,3.

12. Для дозвукового режима течения пара в межлопаточных каналах сопловой решетки (М₁_t<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 (М₁_t>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 р₁_*, с помощью h,s – диаграммы (рис. 8.3) находится критический теплоперепад и значение критической скорости .