Тепловой расчет регулирующей ступени

В качестве регулирующей степени в современных паровых турбинах с сопловым (количественным) парораспределением применяют двух или трехвенечные ступени скорости или одновенечную степень давления.

Двухвенечная ступень представляет собой 2 ряда рабочих лопаток, которые размещены на одном рабочем колесе. Сопла же размещены только перед первым рядом рабочих лопаток, а между первым и вторым рядом рабочих лопаток размещаются направляющие лопатки, служащие только для изменения направления движения потока.

Применение одновенечной или двухвенечной регулирующей ступени обуславливаются экономическими и конструктивными соображениями.

Одновенечная ступень при расчетном режиме имеет более высокий КПД чем двухвенечная, однако при переменных нагрузках КПД ее изменяет более резко. Двухвенечная регулирующая ступень скорости на расчетном режиме имеет более низкий КПД, чем одновенечная, однако при переменных нагрузках КПД ее более устойчив. Двухвенечная ступень перерабатывает значительно большие теплоперепады, чем одновенечная, что приводит к сокращению числа нерегулируемых ступеней, уменьшение длины и упрощение конструкции турбины в целом, позволяет уменьшить утечки пара через переднее концевое уплотнение.

С другой стороны, большой тепловой перепад, приходящийся на 2 — венечную ступень, приводит к снижению КПД всей турбины, так КПД регулирующей ступени ниже, чем регулируемых ступеней давления. Выбор типа регулирующей ступени во многом зависит от объемного расхода пара на турбину.

Применение турбин только с многовенечными ступенями скорости оправданно при необходимости использования больших перепадов тепла при минимальном числе ступеней (это приводы вспомогательных механизмов, резервных, когда вопросы минимальной стоимости, компактности и простоты конструкции являются более важными, чем повышение КПД — это, например, механизмы периодического действия).

Регулирующая ступень, как правило, выполняется по активному принципу, позволяет осуществлять в них парциальный подвод пара, что позволяет, в свою очередь осуществлять сопловое парораспределение, дающее во всех условиях лучшие эксплуатационные показатели, чем другие типы парораспределения.

Определение среднего диаметра регулирующей ступени.

Диаметр регулирующей ступени определяется величиной теплового перепада и отношением. Отношение окружной скорости U к фиктивной (установленной) изоэнтропной скорости, вычисляемой по располагаемому теплоперепаду на всю ступень, можно определить по графику [1].

=0,33.

Фиктивная изоэнтропная скорость пара подсчитывается по располагаемому теплоперепаду ступени:

м/с.

м/с Окружная скорость вращения диска по среднему диаметру ступени:

м/с.

м/с Средний диаметр ступени:

м где n — число оборотов ротора турбины, n=3000 об/мин;

м Расчет сопловой решетки Определение типа сопловой решетки.

1. Располагаемый тепловой перепад сопловой решетки:

кДж/кг где — располагаемый тепловой перепад регулирующей ступени, кДж/кг;

степень реакции ступени, для одновенечной ступени: % = 0,1.

кДж/кг.

2. Теоретическая скорость пара на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном расширении:

м/с.

м/с.

3. Число Маха для теоретического процесса в соплах:

где а_1t — скорость звука на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном истечении.

м/с где К — показатель изоэнтропы, К=1,3 для перегретого пара;

давление пара за соплами (рис 1), Па;

теоретический удельный объём пара за соплами (рис 1), м³/кг.

м/с Число Маха, подсчитанное по формуле, может быть проверено по графику рис. 2.4 [1], где оно дано в функции относительного конечного давления за соплами:

4. Форма профиля канала в первую очередь определяется безразмерной скоростью потока М1t (число Маха). По величине М1t выбирается тип решетки. М1tприменяются профили решеток с суживающимися каналами.

Расчет суживающихся сопл.

1. Определяем выходное сечение суживающихся сопл:

мм²

где G — расход пара на турбину, кг/с;

G_ут — количество пара, утекающее через переднее концевое уплотнение турбины,, кг/с;

теоретический удельный объём пара за соплами, м³/кг;

— коэффициент расхода сопловой решетки, принимается равным 0,97 (для пара практически с любым перегревом);

— теоретическая скорость пара на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном расширении, м/с.

мм²

2. Произведение степени парциальности ступени на высоту сопловой решетки:

мм где — степень парциальности ступени, представляет собой долю рабочих лопаток от общего числа, которые в данный момент времени находятся против сопл подачи пара на рабочее колесо;

l₁ — высота сопловой решетки, мм;

d^pc — средний диаметр регулирующей ступени, м;

— выходной угол сопл выбирается из таблицы 2.1 [1].

мм.

3. Оптимальная степень парциальности для одновенечной ступени:

Значение должно подставляться в сантиметрах.

4. Высота сопловой решетки:

мм.

мм.

5. Потери тепла в соплах:

кДж/кг где — располагаемый тепловой перепад сопловой решетки, кДж/кг;

— скоростной коэффициент сопловой решетки, принимается в зависимости от l₁ (рис 2.5) [1], =0,962.

кДж/кг.

6. Тип профиля сопловой решетки выбирается по известным М1t=0,647 и =14о из приложения 2 [1].

Тип профиля сопловой решетки: С-90−15А.

7. По характеристике выбранной решетки принимается относительный шаг tопт:

Шаг решетки:

мм где t_опт — оптимальный относительный шаг (приложение 2 [1]), t_опт=0,80;

b — хорда профиля (приложение 2 [1]), b=5,15 см = 51,5 мм;

мм.

8. Выходная ширина канала сопловой решетки:

мм.

мм.

9. Число сопел:

.

Расчет одновенечной регулирующей ступени.

1. Степень реакции, принятую ранее (2.2), следует распределить по венцам:

где степень реакции первого венца рабочих лопаток;

%=0,1.

2. Тепловой перепад, используемый в соплах (), откладывается от точки .

Тепловой перепад, используемый на лопатках:

кДж/кг.

кДж/кг откладывается согласно распределению степени реакции по лопаточному аппарату ступени, для построения процесса расширения пара в диаграмме через концы отрезков проводятся изобары.

Построение треугольников скоростей и определение всех их элементов дает возможность выбрать типы профилей лопаточных решеток, определить потери в лопаточном аппарате, относительный лопаточный КПД, шаг и количество лопаток.

3. Выходной треугольник скоростей первого венца строится по углу, скоростям С1 и U в масштабе 1 мм. — 5 м/с.

где — берем из таблицы 2;

U — окружная скорость вращения диска;

С₁ — абсолютная скорость пара на выходе из сопловой решетки:

м/с.

— коэффициент скорости сопловой решетки, =, принимаем равным 0,95;

— теоретическая скорость пара на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном расширении, м/с;

м/с.

4. Графически из входного треугольника скоростей определяем величину относительной скорости на входе в рабочую решетку первого венца и угол (рис 3) и проверяем по формулам:

; =22^о

м/с.

м/с.

5. Для выходного треугольника скоростей определяем угол на выходе из рабочей решетки первого венца:

.

6. Выходная высота рабочей решетки равна входной высоте:

мм Выходная площадь рабочей решетки:

м²

где G — расход пара на турбину, кг/с;

V_2t — удельный объём пара за рабочей решеткой первого венца, определяется в результате построение процесса расширения пара в is-диаграмме, которое производится следующим образом. От конца теплового перепада в соплах вверх откладывается величина потерь в соплах (отрезок ав), через точку «в» проводится линия энтальпии — константа до пересечения с изобарой (точка с). Располагаемый перепад на рабочей решетке первого венца будет равен отрезку сd. Значение V_2t берется по изохоре в точке d.

V_2t =0,052 м³/кг;

— коэффициент направляющей решетки, определяется по (рис 2.6) [1] в зависимости от степени реакции и состояния пара, =0,942;

— теоретическая относительная скорость пара на выходе из рабочей решетки первого венца:

м/с.

м/с.

м²

мм Действительная относительная скорость на выходе из рабочей решетки первого венца:

м/с где — скоростной коэффициент, определяется в зависимости от l₂ величины углов и по графику (рис 2.9) [1], =0,873.

м/с По определенным и строится входной треугольник скоростей.

Из выходного треугольника скорости определяется абсолютная скорость выхода пара С₂ и угол выхода потока в абсолютном движении графически проверяются по формулам:

;

м/с.

м/с.

7. Определяем потери тепла в рабочей решетке первого венца:

кДж/кг.

кДж/кг.

8. Определяем потери тепла с выходной скоростью:

кДж/кг.

кДж/кг.

9. Выбор профилей лопаточных решеток производится по известным углам и, и числом Маха. Типовые ступени скорости приведены в приложении.

где — скорость звука в изоэнтропном процессе на выходе из решеток первого венца:

м/с где К =1,3 (для перегретого пара);

Па, (рис 2);

м³/кг, (рис 2).

м/с.

10. По относительным шагам решеток определяются шаги t:

мм.

• а) сопловой решетки: мм, профиль С-90−15А
• б) рабочей решетки первого венца: мм, профиль Р-26−17А

b_c, — хорды выбранного профиля соответствующей решетки.

11. Количество лопаток для любой решетки:

Полученные значения округляем до ближайшего целого числа.

• 12. Относительный лопаточный КПД ступени:
  • а) по потерям энергии в проточной части:

б) по проекциям скоростей:

Тепловой расчет ступени выполнен правильно, т.к. величины КПД, вычисленные по данным формулам, должны иметь расхождения не более 1 — 2% (0,01−0,02).

13. Определяем потери тепла на трение и вентиляцию:

.

где N_ТВ — мощность, затраченная на трение и вентиляцию, кВт.

кВт.

— коэффициент, зависящий от состояния пара для насыщенного и влажного пара; для перегретого пара ;

V_cp = V_2t =0,052 м³/кг — удельный объём пара на выходе из сопла;

=_опт — степень парциальности при впуске пара;

G — расход пара на турбину.

кВт.

В is-диаграмме, откладывая потери тепла на трение и вентиляцию, и потери с выходной скоростью находим использованный теплоперепад на регулирующую ступень. На рис. 2 равны отрезку zк, — отрезку уz. Точка «О» — точка конца процесса в ступени.

Расчет одновенечной ступени сводится в таблицу 2.

Таблица 2. Сводная таблица расчета одновенечной ступени скорости.

№.	Наименование.	Ед. изм.	Решетки.	Примечание.
Сопловые.	1го венца.
1.	Расход пара.	кг/с.	87,21.
2.	Средний диаметр	м.	0,94.
	Окружная скорость.	м/с.	147,6.
4.	Начальное давление.	МПа.	9,0.
5.	Начальная температура.	С.
6.	Располагаемый теплоперепад ступени.	кДж/кг.
7.	Степень реакции.	0,1.	0,1.	Принимается.
8.	Располагаемый теплоперепад решетки.	кДж/кг.
9.	Давление пара за решеткой.	МПа.	6,75.	6,5.	По диаграмме рис. 2.7.
10.	Удельный объем пара за решеткой.	м3 /кг.	0,049.	0,052.
11.	Коэффициент расхода.	0,97.	0,942.	По рис. 2.6.
12.	Выходная площадь.	м2	0,10 383.	0,016.
13.	Угол входа.	град.
14.	Угол выхода.	град.
15.	Профиль решетки.	С-90−15А.	Р-26−17А.
16.	Степень парциальности.	0,6.	Определяется как.
17.	Хорда профиля.	мм.	51,5.	25,7.
18.	Относительный шаг.	0,80.	0,65.
19.	Число лопаток.
20.	Коэффициент скорости.	0,962.	0,873.	Рис. 2.5.
21.	Действительная скорость выхода.	м/с.	403,1.	258,6.
22.	Потеря энергии в решетке.	кДж/кг.	6,71.	10,4.
23.	Потеря с выходной скоростью.	кДж/кг.	8,1.
24.	Относительный лопаточный КПД.	0,029.	Величина ?о двум способам подсчета.
25.	Потери на трение диска.	0,8.
26.	Использованный теплоперепад.	кДж/кг.