Характеристика нагнетателей и тепловых двигателей

Лопасти рабочих колес могут выполняться поворотными и неповоротными, т.е. жестко закрепленными на втулке.

В конструкциях осевых вентиляторов с одним и несколькими рабочими колесами применяются устройства, улучшающие аэродинамику потока и повышающие КПД вентиляторов: коки, обтекатели, направляющие и спрямляющие аппараты.

На рис.24 показана схема двухступенчатого осевого вентилятора с буквенными обозначениями отдельных конструктивных элементов.

Рис. 24 Схема двухступенчатого осевого вентилятора

Кок К представляет собой тело, штампованное из тонкого листового металла, закрепляемое неподвижно перед направляющим аппаратом. Назначение кока ? обеспечить постепенное возрастание скорости потока на входе в направляющий аппарат первой ступени при минимальных потерях энергии.

Направляющий аппарат НА состоит из венца неподвижных лопаток, располагающихся перед входом в рабочее колесо.

Выходные углы лопаток НА могут быть выбраны так, что поток на выходе будет иметь направление, противоположное направлению вращения рабочего колеса. Это приводит к увеличению напора вентилятора.

Назначение спрямляющего аппарата СА состоит в безударном принятии потока, сходящего с лопастей рабочего колеса, и приданий потоку осевого направления, что приводит к повышению КПД вентилятора. Обтекатель О, располагаемый неподвижно за спрямляющим аппаратом, уменьшает потери в потоке при постепенном уменьшении скорости.

Регулирование подачи осевых вентиляторов может производиться изменением частоты вращения, направляющим аппаратом НА на входе, поворотом рабочих лопастей РЛ и одновременно двумя последними способами.

Наиболее часто, в случае привода от электродвигателя с постоянной частотой вращения, применяется регулирование НА на входе.

Некоторые конструкции одноступенчатых осевых вентиляторов допускают реверсирование, т.е. при изменении направления вращения или углов расположения лопастей они изменяют направление потока. Лопасти таких вентиляторов должны выполняться с симметричным сечением.

Характеристики напора осевых вентиляторов имеют обычно седлообразную форму.

1.22 Тягодутьевые машины тепловых станций

Для котлов тепловых электрических станций промышленностью выпускается около 50 типоразмеров вентиляторов и дымососов с подачами 4,5ч900 тыс. м3/ч и давлениями более 10 кПа. Вентиляторы ТЭС подразделяются по их назначению на следующие группы: дутьевые; мельничные; горячее?дутьевые; дымососы-основные; дымососы- рециркуляционные.

Для обозначения типа тягодутьевых вентиляторов приняты буквы: В - вентилятор; Д - дымосос дутьевой; Н - назад загнутые лопасти рабочего колеса; М - мельничный; Г- горячий.

Дутьевые вентиляторы (ВД) работают на воздухе с Т ? 293 К, подавая его через систему воздухопроводов и воздухоподогреватель в топочную камеру. Этот воздух называют первичным в отличие от вторичного, подаваемого непосредственно с топливом.

Вентиляторы горячего дутья (Г) работают на воздухе, подогретом до 473?673 К.

Мельничные вентиляторы (М) применяются в системах пылеприготовления и подают смесь горячего вторичного воздуха с угольной пылью через горелки в топочную камеру.

Давление, развиваемое дутьевыми и мельничными вентиляторами, определяется сопротивлениями воздушного и пылевоздушного трактов и необходимым давлением в топочной камере.

Дымососы транспортируют дымовые газы по газоходам котла и дымовой трубе и совместно с последней преодолевают сопротивления этого тракта и системы золоулавливания. Дымососы рециркуляции применяются для отбора части дымовых газов из газоходов котла и подачи их в топочную камеру с целью уменьшения шлакования, регулирования температуры перегрева пара и повышения общей экономичности агрегата.

Условия работы вентиляторов горячего дутья, и особенно мельничных вентиляторов и дымососов, осложнены влиянием высокой температуры перемещаемой среды и наличием в ней угольной пыли или шлаковых частиц.

Поэтому эти вентиляторы выполняются с охлаждаемыми подшипниками и из абразивоустойчивых материалов.

Осевые вентиляторы в качестве тягодутьевых машин имеют незначительное распространение по сравнению с центробежными. Такие осевые машины в связи с высокими температурами и запылённостью выполняются по схеме с вынесенным из потока двигателем.

1.23 Назначение и принцип действия компрессоров

Назначение компрессоров состоит в сжатии газов и перемещении их к потребителям по трубопроводным системам.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объемная подача , которая исчисляется обычно при условиях всасывания, начальное и конечное давления или степень повышения давления , частота вращения n и мощность N на валу компрессора.

Компрессоры соответственно способу действия можно разделить на две основные группы: объемные и лопастные. При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные - на центробежные и осевые.

В промышленном производстве наибольшее распространение имеют центробежные компрессоры. Они широко применяются на горно-металлургических, химических и других предприятиях в качестве: дутьевых машин ( p < 0,3 МПа); источника энергии для пневматического оборудования ( p = 0,5. .1,0 МПа); криогенных машин (p > 3,0 МПа).

Сжатие воздуха в центробежном компрессоре осуществляется аэродинамическими силами, возникающими при взаимодействии лопаток вращающегося рабочего колеса с потоком воздуха.

Поскольку степень повышения давления в одной ступени машины невелико и составляет для центробежного колеса , то применяются многоступенчатые компрессоры, в которых воздух сжимается последовательно. При этом поток воздуха из предыдущей в последующую ступень может поступать непосредственно, или проходя через промежуточный холодильник и охлаждаясь в нем. Ступень, из которой поток поступает в пневматическую сеть, называют концевой.

Рис. 25 Секция центробежного компрессора

К центробежному рабочему колесу воздух подводится через входное устройство, которое должно обеспечивать равномерное распределение скорости потока по его сечению (рис.25).

Из рабочего колеса 1 поток сжатого воздуха попадает обычно в кольцевой диффузор 2 и далее в диффузор 3. Диффузоры служат для выравнивания поля скоростей потока, выходящего из рабочего колеса и для преобразования кинетической энергии в потенциальную.

Из диффузора 3 промежуточной секции компрессора поток поступает по колену 4 в обратный направляющий аппарат 5, который одновременно играет роль диффузора, дополнительно преобразующего кинетическую энергию в потенциальную.

1.24 Термодинамика компрессорного процесса

Как известно из курса термодинамики сжатие газа связано с преобразованием подводимой механической энергии в тепловую. В зависимости от количества тепла непосредственно участвующего в сжатии газа различают процессы: политропный, адиабатный и изотермический.

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и обычно протекает в компрессорах с отводом или подводом некоторого количества тепла, в результате чего изменяется энтропия газа.

Рис.26. T-s ? диаграммы компрессорных процессов

Значение показателя политропы n зависит от величины и ее знака (подвода или отвода теплоты). При интенсивном охлаждении компрессора процесс сжатия газа протекает в области k > n > 1 с уменьшением энтропии (рис.26а).

Количество отводимой от газа теплоты эквивалентно площади 6-1-2-5-6 под политропой 1-2. Работа сжатия, преобразуемая во внутреннюю энергию газа, соответствует площади 5-2-3-4-5. Полная работа сжатия эквивалентна суммарной площади 6-1-2-3-4-6.

Политропный процесс (рис.26б), типичный для компрессоров работающих без охлаждения, протекает с подводом дополнительного тепла от аэродинамического и механического трения. Здесь сжатие протекает в области n > k по политропе 1-2 с ростом энтропии и увеличением температуры сжимаемого газа. Работа сжатия соответствует площади 5-1-2-3-4-5. Количество подводимой теплоты эквивалентно площади 5-1-2-6-5.

Из сопоставления диаграмм можно заметить, что отвод теплоты (охлаждение компрессора) приводит к уменьшению затрачиваемой компрессором работы.

1.25 Охлаждение компрессоров

Как известно из курса термодинамики сжатие газа связано с преобразованием подводимой механической энергии в тепловую. В зависимости от количества тепла непосредственно участвующего в сжатии газа различают процессы: политропный, адиабатный и изотермический.

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах с отводом некоторого количества тепла в результате чего изменяется энтропия газа. (1<n<k)

Адиабатным называют процесс без теплообмена с внешней средой и он протекает при постоянном значении энтропии ().

Изотермический процесс протекает при постоянной температуре, что возможно при полном отводе тепла от сжимаемого газа (n = 1). Это наиболее экономичный по энергозатратам процесс.

Однако выполнить конструкцию охлаждающей системы компрессора так, что бы она обеспечивала сжатие газа при постоянной температуре невозможно, а можно лишь стремиться к этому идеалу.

Наиболее эффективна система внешнего охлаждения сжимаемого газа, достаточно просто реализуемая в связи со ступенчатым устройством центробежных компрессоров.

Рис. 27 Схема трёхступенчатого сжатия

Общая схема компрессора с трёхступенчатым сжатием и охлаждением представлена на рис.27. Здесь компрессор разделён на три последовательные ступени 3,4,5 между которыми помещены два промежуточных охладителя 1, а на выходе воздуха во внешнюю сеть - концевой охладитель 2.

Применение ступенчатого сжатия с охлаждением газа в охладителях между ступенями дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора. Отчетливо это видно на Т-s и р - - диаграммах компрессора с двухступенчатым сжатием и охлаждением (рис.28).

Рис. 28 Т-s и р - - диаграммы двухступенчатого компрессора



Если сжатие производить в одной ступени, то линия сжатия изобразится политропой 1'-2 с показателем n>k. При сжатии в двух ступенях процесс изобразится ломаной линией 1'-2'-1"-2", состоящей из двух политроп 1'-2' и 1"-2" и изобары 2'-1", представляющей собой охлаждение в промежуточном охладителе при давлении рпр= сопst. В обеих диаграммах экономия энергии от сжатия в двух ступенях с промежуточным охлаждением выражается заштрихованными площадками 1"-2'-2-2".

1.26 Характеристики центробежных компрессоров

Характеристиками центробежных компрессоров называются зависимости , и , примерный характер которых показан на рис.29.

Рабочий режим компрессора, как и других центробежных машин (насосов, вентиляторов), находится в точке b пересечения его характеристики с характеристикой I внешней сети, которой в данном случае является пневматическая сеть.

Характеристики центробежных компрессоров имеют максимум. Номинальный режим работы компрессора соответствует и характеризуется параметрами Режим работы компрессора в точке К будет критическим, параметры и соответствующие этому режиму - критическими.

Рабочие режимы в точках, расположенных на правой ветви характеристики, являются устойчивыми. Если из-за уменьшения расхода воздуха из сети рабочий режим окажется в точке, расположенной на левой ветви характеристики, то работа компрессора будет неустойчивой и может возникнуть явление п о м n а ж а, при котором наблюдаются падения производительности и давления, сотрясения машины и воздухопроводов. Помпаж вредно воздействует на компрессоры, и при их эксплуатации принимаются меры для исключения их работы на левой ветви характеристики. В конструкциях компрессорных установок для предотвращения помпажа предусматриваются специальные антипомпажные устройства.

Рис. 29 Характеристики центробежного компрессора

Антипомпажное устройство имеет один или несколько быстродействующих клапанов, соединяющих нагнетательный патрубок или часть ступеней компрессора с атмосферой и срабатывающих, если режим работы компрессора приближается к критическому.

При срабатывании антипомпажного устройства сжатый воздух частично уходит в атмосферу, увеличивается расход воздуха через компрессор и точка совместной работы компрессора с сетью смещается вправо от критической.



2. Тепловые двигатели

2.1 Классификация паровых турбин

Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения вала. Вал турбины соединяется с рабочей машиной.

Из большого разнообразия используемых в народном хозяйстве паровых турбин выделим стационарные, сохраняющие при эксплуатации неизменное местоположение.

Стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.

* По назначению различают турбины энергетические, промышленные и вспомогательные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска тепла крупным потребителям, например, жилым районам. Их устанавливают на крупных ТЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются прежде всего большой мощностью, а их режим работы ? практически постоянной частотой вращения. Большинство энергетических турбин выполняют на номинальную частоту вращения 3000 об/мин.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной цепью является обслуживание промышленного предприятия, например, металлургического, текстильного, химического и др. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии - обычно для привода питательных насосов и воздуходувок котла.

* По характеру теплового процесса различают турбины конденсационные и теплофикационные.

В конденсационных турбинах пар из последней ступени отводится в конденсатор. Главное назначение конденсационных турбин - обеспечивать производство электроэнергии и поэтому они являются основными aгpeгатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000-1200 МВт.

Теплофикационные турбины в отличие от конденсационных имеют один или несколько регулируемых отборов пара. Эти турбины предназначены для выработки тепловой и электрической энергии.

* По используемым параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины докритического (до 12,8 МПа) и сверхкритического (23,5 МПа и более) начального давления перегретого и насыщенного пара.

* По конструктивным особенностям турбины можно разделить на одно- и многоцилиндровые.

Одноцилиндровыми удается выполнить лишь турбины теплоперепад которых сравнительно мал. Большинство турбин выполняют многоцилиндровыми с числом цилиндров от 2 до 4. Это позволяет получить более высокую мощность в одном агрегате, что удешевляет и турбину и электростанцию.

2.2 Закономерности расширения пара в сопловом канале

В турбине преобразование потенциальной энергии в кинетическую происходит при истечении пара из соплового канала.

Известно, что если сосуд, в котором находится пар под давлением снабдить трубкой (соплом) цилиндрической формы (рис.1), через которую будет происходить истечение пара в пространство с меньшим давлением, то пар в этой трубке будет терять давление и приобретать скорость, но только до определенного предела. Это предельное давление называется критическим давлением. Соответственно этому давлению мы получим и некоторую предельную скорость истечения, которая называется критической скоростью. Для перегретого пара критическое давление приблизительно равно 0,55 от начального давления.

Рис. 1 Истечение пара из сопла постоянного сечения

Таким образом, если в нашем, сосуде находится сухом насыщенный пар при давлении po = 10 бар, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получим давление p1 = 10 · 0,55 = 5,5 бар, т. е. мы используем для превращения в скоростной напор только перепад давлений: ? p = 10 ? 5,5 = 4,5 бар.

Дальше, выйдя из устья сопла, пар расширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его в направлении оси сопла почти не произойдет.

Рис. 2 Истечение пара из расширяющегося сопла

Следовательно, пользоваться цилиндрическим соплом целесообразно только тогда, когда начальное давление пара не превышает примерно двойного давления в пространстве, куда он вытекает. Например, при выпуске пара в атмосферу давление перед соплом не должно превышать 1,8 бар.

Если отношение давлений перед и за соплом больше, то для полного преобразования энергии давления в скоростную энергию нужно, чтобы сопло имело после узкого сечения расширяющуюся часть (рис.2).

Отличительная особенность расширяющегося сопла заключается в том, что давление пара у выхода из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он вытекает. При этих условиях пар вытекает из сопла со сверхкритической скоростью и идет ровной струёй, вся энергия которой может быть использована на лопатках турбины. Расширяющееся сопло дает возможность использовать любые перепады давлений, полностью преобразовывая его в кинетическую энергию.

2.3 Активный принцип работы пара в турбине

При расширении пара в сопловом канале тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию скорости.

Рис. 3 Действие струи на поверхности разной формы

При ударе струи о плоскую поверхность (Рис.3а) кинетическая энергия частично превратится в полезную работу её перемещения, а частично будет затрачена бесполезно на отбрасывание частиц потока в стороны и разрушение поверхности.

Очевидно, что в паровой турбине потеря энергии, т.е. та часть энергии, которая не превращается в полезную работу, должна быть минимальной. Достигнуть этого при ударном действии струи нельзя; форма лопаток турбины должна быть выбрана такой, чтобы струя пара, выходящая из сопла, плавно вступала на лопатки и передавала им наибольшую возможную часть своей энергии.

Путем расчета и опытов было найдено, что поверхности лопатки следует придать такую форму, чтобы струя совершала поворот и меняла направление своего движения на прямо противоположное (рис.3б).

В этом случае на лопатку действует со стороны движущейся криволинейно струи центробежная сила, которая оказывает на нее давление и заставляет перемещаться и совершать работу.

Совершаемая работа естественно зависит от скорости обтекания лопатки потоком. Эта скорость в условиях движущейся лопатки будет относительной, равной разности между скоростями потока и лопатки.

Величина наиболее эффективной относительной скорости может быть уяснена из следующих рассуждений.

Нетрудно сообразить, что если лопатка движется под действием какой-либо внешней силы с той же самой скоростью, что и направленная на нее струя пара, то она не оказывает струе какого-либо сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии.

Вообразим теперь, что лопатка закреплена и тогда струя пара не совершит работы, а переменит направление своего движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила.

Рассмотрим теперь такой пример: допустим, что скорость струи пара равна 500 м/c, а скорость лопатки равна 250 м/c. В этом случае струя вступит на лопатку с относительной скоростью в 250 м/c и изменив направление своего движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/c относительно лопатки.

Но так как лопатка движется вперед со скоростью 250 м/c, то скорость обратного движения струи равна и противоположна по направлению скорости лопатки и по отношению к какой либо неподвижной точке пространства будет равна нулю.

Из сказанного можно сделать тот вывод, что для полного использования кинетической энергии пара при активном принципе её передачи скорость движения лопатки должна быть в 2 раза меньше скорости истечения струи пара из сопла.

2.4 Реактивный принцип работы пара в турбине

Струя пара, вытекающая из сопла со скоростью большей, чем та с которой она в него вступила, оказывает на сопло реактивное воздействие. Использование реактивной силы есть второй способ превращения скорости истечения пара в механическую работу.

Для того чтобы получить максимальное количество работы, мы должны полностью использовать всю скорость пара. Для этого нужно, чтобы сопловые каналы двигались с той же скоростью, что и вытекающая из них струя пара, но в обратном направлении; тогда скорость пара относительно любой неподвижной точки будет равна нулю, и вся кинетическая энергия пара будет использована.

В конце ХIХ столетия была построена многоступенчатая турбина, у которой расширение пара производилось в каналах, образуемых лопатками неподвижных и подвижных лопаточных венцов, т. е. как в соплах, так и на рабочих лопатках. Именно такая турбина получила развитие под названием реактивной турбины.

Рассмотрим подробнее процесс в такой турбине. Допустим, что через сопло 1 (рис.4.) подводится пар к лопаткам 2-3 и 4-5, образующим криволинейный канал. В сопле 1 пар частично расширяется, т. е. теряет давление и приобретает скорость. Вступая в канал, образованный лопатками 2-3 и 4-5, струя меняет направление, вследствие чего развивается центробежная сила частиц пара. Допустим, что суммарное усилие, испытываемое лопаткой от этого активного действия струи выразится силой Ракт, направление которой зависит от формы лопатки.

Рис. 4 Расширение пара между лопатками реактивной турбины

Однако этим дело не ограничивается: форма лопаток выбрана таким образом, что сечение канала между ними сужается в направлении выхода пара. Благодаря этому сужению скорость протекающего пара должна возрастать по направлению от сечения 2-4 к сечению 3-5. Повышение скорости может произойти только за счет падения давления, т е. расширения пара. Следовательно, давление пара должно понижаться по мере приближения его к выходу из канала, и в сечении 3-5 оно ниже, чем в сечении 2-4. В результате ускорения паровой струи возникает некоторая реактивная сила, которую мы условно обозначим Рреакт. Сложив по правилам механики силы Pакт и Рреакт, мы получим равнодействующую силу Р, которая собственно и будет производить работу.

Таким образом, реактивный принцип действия турбины предполагает использование одновременно с центробежной движущей силой и реактивной силы, формируемой ускоренным истечением потока пара из решётки рабочих лопаток.

2.5 Устройство простейшей активной турбины

Схема активной турбины совместно с диаграммой изменения параметров потока пара показана на рис.5. Ротор турбины образован диском 2 с рабочими лопатками 3 и валом 4. Корпус турбины 5 снабжён соплом 4 и имеет выпускной патрубок. Пар по выходе из неподвижных сопел с абсолютной скоростью с1 поступает на рабочие лопатки. В соответствии с формой каналов рабочих лопаток и потерями на последних, направление и скорость пара изменяются и пар покидает лопатки с абсолютной скоростью с2. Поток пара через каналы лопаток оказывает центробежное движущее усилие.

Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и выходе с них одинаково.

Рис. 5 Турбина с одной ступенью скорости



Для эффективного использования кинетической энергии пара скорость и на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали раннее, в 2 раза меньше скорости истечения пара из сопла.

Так, для возможной скорости истечения пара =1 200 м/с скорость и на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/с. Такую высокую окружную скорость осуществить в турбине невозможно, так как не существуют материалы могущие выдержать колоссальные напряжения от центробежной силы, развивающейся при окружных скоростях значительно превышающих 400 м/с.

Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/c1 вызывает сильное снижение КПД турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине можно использовать с хорошим КПД лишь сравнительно небольшой теплоперепад.

Повышение экономичности турбины, работающей с большими теплоперепадами, возможно путем применения ступеней скорости или ступеней давления.

2.6 Устройство активной турбина со ступенями скорости

Допустим, что диск турбины представленной на рис. 5 вращается, но медленно, так что скорость лопаток значительно меньше половины скорости пара. В этом случае пар, вступив на движущиеся лопатки, совершит некоторую работу, отдаст часть своей кинетической энергии и уйдет с лопаток, обладая еще значительной скоростью.

Естественно напрашивается мысль использовать оставшуюся скорость дальше. Если направить пар на второй ряд лопаток, установив его, например, на том же самом диске, то пар отдаст им часть оставшейся кинетической энергии. турбомашина колесо вентилятор парогазотурбинный

Сущность происходящего явления легче понять, если рассмотреть рис.6.

Рис. 6 Пример использования кинетической энергии струи в одной (А) и двух (Б) ступенях скорости

Изображенная на рисунке тележка А движется со скоростью, равной половине скорости подхода струи, и струя, отдавая ей всю свою энергию, уходит с вогнутой поверхности со скоростью в направлении движения тележки, равной нулю (относительно какой-либо неподвижной точки пространства).

Тележка Б движется со скоростью, равной четверти скорости подхода струи. По выходе с верхней вогнутой поверхности струя будет иметь скорость, равную половине начальной; затем, не теряя скорость, она меняет направление на неподвижной направляющей лопатке 2 и подходит, таким образом, к поверхности 3 со скоростью, уже удовлетворяющей выведенному нами выше условию, т. е. в 2 раза большей, чем скорость тележки. На поверхности 3 струя отдаёт остаток своей скоростной энергии.

Таким образом, благодаря применению, двух ступеней скорости тележка Б может двигаться в 2 раза медленнее тележки А, используя весь скоростной напор струи.

В турбине деление скорости на ступени производится следующим образом (рис.7).



Рис. 7 Турбина с двумя ступенями скорости

Пар с давлением подводится к соплу 4 откуда вытекая со скоростью с1 вступает в первый ряд рабочих лопаток 3, где часть его скоростной энергии превращается в работу. Выйдя со скоростью с2 из первого ряда рабочих лопаток, пар попадает в кольцо с неподвижными направляющими лопатками 7, в которых направление пара меняется в соответствии с профилем второго ряда рабочих лопаток.

Во втором ряду рабочих лопаток, куда пар входит скоростью несколько меньшей, чем с2 вследствие потерь в направляющих лопатках, превращается в работу еще часть скоростной энергии потока; покидая рабочие лопатки второго ряда, пар имеет незначительную скорость .

Теоретически при двух ступенях скорости наивыгоднейшая окружная скорость u будет в два раза меньше, чем для одноступенчатой турбины, использующей тот же теплоперепад.

2.7 Устройство активной турбины со ступенями давления

Идея ступеней давления заключается в следующем: вместо того чтобы вести расширение пара от давления в котле до противодавления в один приём, можно разделить этот процесс на частей или ступеней, используя в каждой ступени небольшие перепады давлений. При равных перепадах тепла скорость истечения в каждой ступени будет в меньше, чем у одноступенчатой турбины; соответственно уменьшится и наивыгоднейшая окружная скорость лопаточных венцов.

Таким образом, турбина с числом ступеней z=9 будет иметь окружную скорость в 3 раза, а турбина с z=16 в 4 раза меньшую, чем одноступенчатая турбина, использующая тот же перепад тепла.

На рис.8 изображена турбина с тремя ступенями давления. Здесь корпус разделен диафрагмами (перегородками) на три отдельные камеры. Пар может проникать из одной камеры в следующую только через сопла, расположенные в диафрагмах.

Рис. 8 Трёхступенчатая активная турбина

Пар высокого давления подводят из паропровода в кольцевую камеру 1, по окружности которой имеется ряд сопел 2. Пар в соплах приобретает известную скорость, энергию которой передает лопаткам 3 первого диска. За лопатками пар имеет небольшую скорость с2, но, пройдя через сопла 4, опять несколько расширяется и приобретает большую скорость, которую и передает лопаткам 5. То же самое происходит и в следующей ступени, в которой расширение ведут до давления в выхлопном патрубке 8. Так как объём пара по мере его расширения увеличивается, то сечения сопел и высота лопаток постепенно возрастают от первой ступени к последней.

Весь этот процесс легко проследить по нанесенным в верхней части рис.8. кривым, изменения давления и скорости пара.

2.8 Устройство реактивной турбины

В реактивной турбине, состоящей из ряда ступеней, движущиеся рабочие лопатки укрепляются на роторе. В промежутках между венцами этих лопаток расположены венцы неподвижных лопаток, закрепленных в корпусе турбины и образующих сопловые каналы. Профили подвижных и неподвижных лопаток обычно выполняют совершенно одинаковыми. Устройство и рабочий процесс нетрудно уяснить из схематического разреза реактивной турбины представленной на pис.9.

Свежий пар с давлением ро поступает в кольцеобразную камеру 7, откуда идёт на неподвижные (направляющие) лопатки первой ступени, где давление его несколько понижается, а скорость возрастает от со до с1. Затем пар попадает в первый ряд подвижных (рабочих) лопаток. Между рабочими лопатками тоже происходит расширение пара, т. е. давление его продолжает понижаться; относительная скорость пара возрастает, но абсолютная скорость пара с2 при выходе будет меньше с1, так как работа получается за счет уменьшения кинетической энергия.

Со скоростью с2 пар поступает во второй ряд направляющих лопаток. Здесь снова происходят его расширение и возрастание скорости до с1. На рабочих лопатках второй ступени скорость пара вновь падает до с2 и т.д.



Рис. 9 Реактивная турбина

Объём пара по мере понижения его давления возрастает, поэтому приходится постепенно увеличивать длину лопаток, чтобы получить увеличивающиеся сечения междулопаточных каналов. Начиная с того места, где длина лопаток получается уже достаточно большой, увеличен диаметр барабана, на котором они закреплены. Это позволяет увеличить суммарное сечение каналов не за счет высоты лопаток.

При прохождении пара от одного конца турбины до другого давление его падает от давления при входе в турбину до противодавления конденсатора. Так как на каждом ряде лопаток возникает осевое усилие и имеется разность давлений, действующая на кольцевые уступы барабана, то в общем на вал турбины передается значительное осевое давление, направленное в сторону выпуска пара. Поэтому реактивные турбины приходится снабжать для компенсации осевого усилия турбины специальными разгрузочными приспособлениями, в данном случае это разгрузочного поршня 8. Пространство перед разгрузочным поршнем соединено посредством трубопровода 9 с выпускным патрубком турбины, вследствие чего давление на поршень с одной стороны больше, чем с другой, и он испытывает усилие, направленное в сторону переднего подшипника турбины. Это уравновешивает осевое давление, возникающее в проточной части и направленное в сторону выпуска пара.

Турбины с одними только реактивными ступенями в настоящее время не строят. Обычно прибегают к комбинированию активной части высокого давления с реактивными ступенями.

Для рассмотренных машин термин «реактивная турбина», является условным и применяется по укоренившейся традиции. На самом же деле она работает примерно на 50% по реактивному принципу и на 50% ? по активному.

Отношение доли располагаемого теплоперепада рабочих лопаток h2 к общему теплоперепада ступени (через h1 обозначается доля теплоперепада направляющих лопаток) называется степенью реактивности ступени

Таким образом, для каждой ступени рассмотренной реактивной турбины , так как перепад тепла делится примерно поровну между направляющими и рабочими лопатками. Для чисто активной турбины = 0, так как весь перепад тепла превращается в кинетическую энергию в соплах.

2.9 Преобразование энергии в турбинной ступени

Под турбинной ступенью понимается совокупность неподвижного ряда сопловых лопаток, в каналах которых ускоряется поток пара, и подвижного ряда рабочих лопаток, в которых энергия движущегося пара преобразуется в механическую работу.

В каналах сопловых лопаток пар расширяется от давления перед сопловыми лопатками ро до давления в зазоре между сопловыми и рабочими лопатками р1. На выходе из сопловых лопаток пар приобретает в процессе расширения скорость с1, направленную под углом к вектору окружной скорости рабочих лопаток. Направление потока под углом задается соответствующей формой и установкой сопловых лопаток.

Рис. 10 Проточная часть ступени и развёртка цилиндрического сечения

На рис.10. представлен схематический чертеж турбинной ступени в продольном разрезе вдоль оси ротора и развертка цилиндрического сечения по диаметру d.

Рабочие лопатки перемещаются перед соплами с окружной скоростью и. Значение этой скорости зависит от диаметра d, на котором расположены рабочие лопатки, и от частоты вращения ротора п. На входе в рабочие лопатки пар в относительном движении перемещается с относительной скоростью w1.

Вектор относительной скорости , определяется геометрическим вычитанием из абсолютной скорости окружной скорости . Векторы , и скоростей образуют треугольник скоростей на входе в рабочие лопатки (входной треугольник).

Угол между векторами относительной и окружной скоростей обозначают Направление входных кромок рабочих лопаток при изготовлении определяется направлением относительной скорости, т.е. углом .

При течении в каналах рабочих лопаток происходит дальнейшее расширение пара от давления р1 до давления р2 за рабочими лопатками, а также поворот потока. За счет поворота потока в каналах рабочих лопаток создается активная часть усилия, а за счет ускорения потока в каналах рабочих лопаток - реактивная часть усилия, действующего на рабочие лопатки.

На выходе из каналов рабочих лопаток относительная скорость рабочего тела обозначается и определяется кинетической энергией в относительном движении на входе в каналы рабочей решетки и энергией при расширении рабочего тела от давления р1 до давления р2. Сложив векторы относительной и окружной скоростей, получим вектор абсолютной скорости

Угол вектора скорости c направлением, обратным обозначают , а его значение определяется формой профиля рабочей лопатки. Угол вектора скорости с направлением, обратным обозначают . Треугольник скоростей, образованный векторами , и называют выходным.

Рис. 11 Тепловой процесс ступени на h-s диаграмме



Процесс течения пара в турбинной ступени изображен на рис.11 в h-s ?диаграмме.

Расширение рабочего тела в сопловых каналах ступени от состояния перед ступенью, определяемого точкой 0, до точки 1t соответствует теоретическому процессу течения в соплах. Реальный процесс в соплах сопровождается потерями энергии ?Hс, которые в виде теплоты вновь возвращаются в поток и повышают энтальпию за соплами. Действительное состояние рабочего тела за соплами изображается точкой 1.

Разность энтальпий составляет располагаемую энергию в соплах, которая преобразуется в кинетическую энергию скорости потока на выходе из сопл при истечении без потерь энергии. С учётом начальной скорости потока co перед входом в сопла конечная теоретическая скорость на выходе из сопел составит

,

Действительная скорость истечения из-за потерь энергии в соплах меньше и равна

,

где - коэффициент потерь.

Теоретический процесс расширения рабочего тела в рабочих лопатках изображается линией от точки 1 до точки 2t, разность энтальпий этих точек обозначается Нор и называется располагаемым теплоперепадом рабочих лопаток. С учётом потерь энергии в рабочих лопатках ?Hp процесс завершиться в точке 2.

По аналогии с формулой (2) получим выражение для определения теоретической скорости потока в относительном движении на выходе из рабочих лопаток

,

Действительная скорость на выходе из рабочих лопаток будет меньше :

где - коэффициент потерь скорости на рабочих лопатках.

Значения абсолютной скорости с2 угла определяют из геометрических характеристик выходного треугольника.

Рис. 12 Треугольники скоростей турбиной ступени

Изображенные на рис.10 треугольники скоростей на входе и выходе из рабочих лопаток при расчете турбинной ступени обычно совмещают вершинами в одну точку (рис.12). Для построения треугольников скоростей угол вектора скорости выбирают в интервале от 11 до 250. Окружную скорость рабочих лопаток рассчитывают по формуле

где d - средний диаметр ступени, м; n - частота вращения ротора, с-1.

Из геометрических характеристик входного треугольника скоростей определяют относительную скорость и угол , из выходного треугольника - абсолютную скорость с2 и угол б2.

2.10 Определение размеров соплового канала

Сопла в паровых турбинах устанавливают под некоторым углом к плоскости вращения турбинного диска, вследствие чего в выходной части сопла образуется косой срез. Процесс расширения пара в соплах с косым срезам при нкр отличается от процесса расширения в прямых соплах и имеет следующие особенности.

Рис. 13 Истечение пара в косом срезе сопла

Расширение пара от начального состояния до происходит на участке сопла до минимального выходного сечения так же, как и в суживающемся сопле без косого среза. Следовательно, в минимальном выходном сечении сопла (сечение 1-2 на рис.13) устанавливается критическое давление и получается критическая скорость истечения пара . Расширение пара от до с последующим приращением скорости от до происходит уже в пределах косого среза сопла.

В точке 1 сечения сопла 1-2 струя пара, покидая кромку сопла, попадает в пространство с давлением и следовательно давление пара здесь понижается внезапно. На участке же 2-3 косого среза расширение пара от до происходит постепенно, что сопровождается возрастанием скорости до и отклонением потока на некоторый угол щ от оси сопла.

В паровой турбине сопловые каналы располагаются по окружности против рабочих лопаток ротора. Если сопла расположены по всей длине окружности и пар поступает сразу на все рабочие лопатки, то такой подвод пара к турбине называется полным. Если же сопла расположены на части длины окружности, то такой подвод пара к ступени называют парциальным.

Отношение длины дуги т, занятой соплами, к длине окружности называют степенью парциальности впуска пара

,

где d - средний диаметр венца ступени.

Геометрические параметры горловины сопла находятся из уравнения неразрывности потока

,

где - расход пара через сопло, кг/c; удельный объём пара в выходном сечении, м3/кг; проходное сечение горла сопла, м2; действительная скорость пара в выходном сечении сопла, м/с; и - соответственно ширина и высота горла сопла, м; - число сопловых каналов.

Исходя из того, что в плоскости косого среза выходная ширина сопла , а степень парциальности впуска пара составляет уравнение неразрывности приводится к виду

Из последнего уравнения имеем



или

Уравнения (10) позволяют определить основные размеры соплового аппарата. Так как все величины в уравнениях кроме и известны из теплового расчета, то, принимая , определяем или, задаваясь , подсчитываем .

2.11 Определение размеров рабочих лопаток

Входная высота лопатки (рис.14) делается несколько больше высоты сопла. Для коротких лопаток принимается на 2-4 мм больше, чем Для длинных лопаток разница между и составляет 4 мм и даже больше.

Рис. 14 Схема турбинной ступени

Выходное сечение каналов рабочих лопаток в направлении, перпендикулярном к направлению потока пара, определяется из уравнения

,

где - удельный объем пара по выходе из рабочих лопаток.

Это выходное сечение лопаток в плоскости вращения диска составит.

С другой стороны, величину можно выразить следующим образом

,

где d -диаметр рабочих лопаток по средней окружности; - выходная высота лопатки.

При полном подводе пара, что всегда имеет место в реактивной ступени, .

По условиям плавности проточной части не следует допускать большой разницы между высотами и .

2.12 Потери в ступенях турбины

Рабочий процесс турбины сопровождается рядом потерь, вызывающих увеличение расхода тепловой энергии на получение механической работы.

Различают потери внутренние, влияющие на состояние пара и внешние - не влияющие. К первой группе относятся потери: впуска пара в турбину, на сопротивление движению потока пара; с выходной скоростью; на трение и вентиляцию; через внутренние зазоры; от влажности пара. Ко второй группе относятся потери: механические и от утечек пара через концевые уплотнения вала.

Потери давления при впуске пара. Перед вступлением в сопла первой ступени турбины свежий пар должен пройти через стопорный и регулирующий клапаны и каналы в корпусе турбины. Сопротивление на этом пути вызывает некоторое снижение давления пара перед соплами по сравнению с давлением его перед стопорным клапаном турбины. При этом энтальпия пара остается неизменной, но уменьшается располагаемый перепад тепла.

Потери от сопротивления движению потока пара по проточной части турбины обусловлены трением частиц пара о стенки межлопаточных каналов и друг о друга. В результате абсолютная скорость выхода пара становиться ниже теоретической, а следовательно, часть кинетической энергии струи теряется. Работа трения приводит к повышению теплосодержания пара на величину соответствующую потере кинетической энергии.

При тепловых расчётах эти потери учитываются с помощью известных поправочных коэффициентов ц (фи) для сопловых каналов (ц=0,95-0,96) и ш (пси) для каналов рабочих лопаток (ш=0,8-0,97).

Выходная потеря, вызванная тем, что в реальных условиях пар по выходе из турбины обладает еще некоторой абсолютной скоростью, а следовательно, и кинетической энергией, которая уже не может быть использована. Эта потеря в конденсационных турбинах обычно составляет от 2 до 4% располагаемого перепада тепла всей турбины.

Вентиляционные потери и потери от трение дисков о пар. Первая из этих потерь имеет место главным образом в первых степенях турбины, где удельный объем пар еще невелик и впуск пара приходится делать парциальным т.е. не по всей окружности диска, а только в части её. При вращении диска лопатки, проходя промежутки между соплами, подсасывают пар из зазора и перекачивают его с одной стороны диска на другую, действуя как вентилятор, на что бесполезно затрачивается известная работа.

Вторая потеря обусловливается тем, что диск при своем вращении захватывает прилетающие к его поверхности частицы пара и ускоряет их движение, на что также затрачивается некоторая работа. Обе потери вызывают повышение теплосодержания отработавшего пара.

В ступенях с парциальным подводом пара, кроме вентиляционных потерь, имеют место потери на выколачивание, связанные с тем, что при подходе к соплам рабочих лопаток, каналы между которыми заполнены неработающим паром, нужно, прежде всего, затратить какую-то энергию рабочей струи на выталкивание из каналов и ускорение этого пара.

Определение величин этих потерь производится при тепловом расчёте турбины по формулам.

Потери пара через внутренние зазоры между диафрагмами и валом (у активных турбин), через зазоры между рабочими лопатками и корпусом турбины и между направляющими лопатками и телом ротора (у реактивных турбин).

Пар, протекающий через зазоры, частично или полностью не используется для совершения работы, что ухудшает КПД турбины. Для турбин высокого давления эти потери имеют особенно большое значение и могут оказываться решающими для экономичности турбины.

Потери от влажности пара. В соплах и лопатках тех ступеней турбины, которые работают влажным паром, происходят добавочные потери, вызываемые главным образом действием содержащихся в паре капелек воды. Образно это можно представить так: капельки в момент их зарождения (переход пара из сухого насыщенного во влажное состояние) имеют примерно такую же скорость, как и струя пара, затем частицы влаги начинают отставать от частиц пара, вследствие чего в струе возникают внутреннее трение и удары и скорость её снижается. Уменьшение кинетической энергии струи сопровождается повышением теплосодержания пара, так как работа, затраченная на трение и удары, превращается в теплоту. Кроме того, меньшая скорость частиц воды приводит к ударам капелек о спинки лопаток, производящим непосредственно тормозящее действие.

Механические потери, к которым относятся трение в подшипниках и затрата энергии на привод регулирующего механизма, масляных насосов, гидравлических концевых уплотнений и редуктора (если они имеются). Механические потери практически не зависят от нагрузки турбины и сохраняют свою полную величину при вращении на холостом ходу.

Утечки пара из турбины через концевые уплотнения неизбежны, но минимальны, что достигается большим числом гребешков лабиринтных уплотнений. При этом концевое уплотнение организуется так, чтобы исключить попадание пара в машинный зал даже в самых малых количествах, за счёт отсасывания проникающего пара с помощью эжектора.

2.13 Маслоснабжение турбины

В системах регулирования турбин в качестве рабочей жидкости использовалось исключительно минеральное масло нефтяного происхождения, что даёт возможность объединить маслоснабжение систем регулирования, защиты и смазки агрегата.

Система маслоснабжения в значительной мере определяет надежность работы турбины, так как даже кратковременное прекращение подачи масла к подшипникам может привести к аварии, а оставить без масла систему регулирования - значит потерять управление турбиной.

Система маслоснабжения современных турбин основывается на главном масляном насосе центробежного типа, который соединяется непосредственно с валом турбины.

Для создания давления в системе регулирования при пуске турбины предусмотрен пусковой масляный насос, который приводится в действие от отдельного электродвигателя. По мере повышения частоты вращения турбины главный масляный насос выходит на рабочий режим и пусковой насос может быть остановлен.

2.14 Регулирование мощности турбины

Система подачи пара в турбину называется системой парораспределения, или просто парораспределением. Конструктивно парораспределение реализуется с помощью регулирующих клапанов. При изменении степени их открытия изменяется площадь для прохода пара и, следовательно, его расход. При частичном открытии регулирующего клапана происходит дросселирование пара, что приводит к уменьшению теплоперепада проточной части турбины. Таким образом, при регулировании мощности клапанами происходит изменение и расхода пара, и теплоперепада проточной части турбины.

Для современных турбин в основном используют два вида парораспределения: дроссельное и сопловое.

При дроссельном парораспределении (рис.15) весь пар, подводимый к турбине, после дросселирования в одном или нескольких одновременно открывающихся регyлирующих клапанах подаётся в общую сопловую камеру. Из этой камеры пар поступает к соплам первой ступени, выполненной, как правило, с полным подводом пара. Таким образом, характерным признаком дроссельного парораспpeделения является отсутствие в турбине первой специально выделенной ступени, в которой изменяется степень парциальности. При дроссельном пapopaспределении пар к первой ступени подводится по всей окружности.

Рис. 15 Схема дроссельного парораспределения



Рис. 16 Схема соплового паро- распределения

Достоинством дроссельного парораспределения являются его простота, высокая экономичность при полном открытии клапанов и высокая надежность рабочих лопаток первой ступени из-за подвода пара по всей окружности.

При сопловом парораспределении увеличение расхода пара через турбину достигается последовательным открытием регyлирующих клапанов, каждый из которых подводит пар к своей группе сопел, расположенных в одной сопловой коробке, занимающей часть окружности.

Схема соплового парораспределения показана на рис.16. По мере открытия клапана 1 в нем происходит процесс дросселирования точно такой же, как и при дроссельном парораспределении. Однако, при его полном открытии давление за ним практически совпадает с давлением до него, и потери, связанные с дросселированием, исчезают. Затем (или несколько раньше) начинает открываться регулирующий клапан 2, в нем будет происходить дросселирование. Таким образом, при сопловом парораспределении дросселированию подвергается только та часть пара, которая проходит через частично открытый клапан.

Характерным констpyктивным признаком соплового пapораспределения является наличие регулирующей ступени, т.е. выделенной ступени с изменяющейся степенью парциальности.

Главное преимущество соплового парораспределения - сохранение высокой экономичности при отклонении режима работы от номинального.