Особенности работы многоступенчатых турбин

Многоступенчатые турбины имеют некоторые особенности работы, отсутствующие у турбин одноступенчатых.

1. Использование скоростной энергии выхода потока из предыдущей ступени при входе в последующую.

Выходя из межлопаточных каналов предыдущей ступени поток имеет какую-то абсолютную скорость выхода с_2пр (рис. 48) и обладает определенным запасом кинетической энергии .

Эта кинетическая энергия добавляется к той, которая получается в сопловых каналах последующей ступени за счет перепада давлении Р₀ – Р₁.

В результате, скорость потока на выходе из сопловой решетки последующей ступени будет функцией двух факторов с₁ = f (P₀ – P₁; c_2пр) т.е., увеличивается по сравнению с вариантом, когда скорость с₁ определяется только по теплоперепаду, обусловленному перепадом давлений.

Для полного использования выходной энергии предыдущей ступени необходимо, чтобы вход потока в сопловые каналы последующей был плавным, безударным. Если же это не обеспечивается, то часть кинетической энергии в результате удара о входную кромку сопловых перегородок и возникающих завихрений превращается в тепловую.

В реальных условиях во многих случаях удается использовать только часть выходной кинетической энергии предыдущей ступени , где l – коэффициент использования выходной энергии, а остальная её часть превращается в тепло.

В идеальных условиях при хорошо спроектированной проточной части l = 1. Иногда же, при определенной конфигурации проточной части, сохранить скорость потока с_2пр и его направление не удается; тогда l = 0.

Использование выходной энергии предыдущей ступени невозможно (l = 0) в следующих случаях:

1. в первой ступени турбины; если турбина многокорпусная, то в первой ступени каждого корпуса;

2. в активных ступенях, имеющих парциальный впуск пара, если степень парциальности увеличивается от ступени к ступени;

3. во всех ступенях, идущих вслед за большим скачком среднего диаметра облопатывания;

4. в ступенях, перед которыми имеется большой аксиальный зазор, используемый для отбора пара или же впуска пара в турбину извне.

В общем случае l = 0,5.

Располагаемый теплоперепад данной ступени с учетом использования выходной энергии предыдущей определится из выражения

а построение процесса (для активной ступени) дано на рис. 49.

Получая приращение располагаемой энергии, рассматриваемая ступень, однако, теряет свою выходную энергию – как в виде кинетической, так и тепловой.

Все изложенное выше относительно использования выходной энергии одинаково относится как к активным, так и реактивным многоступенчатым турбинам.

2. "Возвращенное" тепло в многоступенчатых турбинах

Как известно, изобары на диаграмме h – s не параллельны друг другу а расходятся в сторону увеличения энтропии (рис. 50).

Поэтому располагаемый теплоперепад между двумя одними и теми же изобарами при сдвиге действительного процесса вправо от основной адиабаты увеличивается. В результате, сумма располагаемых теплоперепадов отдельных ступеней всегда больше располагаемого теплоперепада турбины в целом.

; и т.д.

т.е.

Увеличение фактического располагаемого теплоперепа­да оценивается "коэффициентом возвращенного тепла" R.

Оценка коэффициента возвращенного тепла для уже построенных паровых турбин показывает, что R = 1,03 ¸ 1,08.

Данный коэффициент увеличивается:

1. с увеличением степени расширения в турбине,

2. с увеличением потерь энергии в отдельных ступенях турбины, т.е. со снижением КПД турбины,

3. с увеличением числа ступеней в турбине,

4.с увеличением начального давления пара.

3. Характеристический коэффициент (характеристика) многоступенчатой турбины

В многоступенчатых турбинах, так же, как и в одноступенчатых, существует зависимость КПД от соотношения скоростей, но она значительно сложнее.

Соответствующие выражения были предложены двумя различными авторами и носят их имя:

Характеристика Стодола

Характеристика Парсонса

В этих выражениях в числителе – сумма квадратов окружных скоростей на среднем диаметре облопатывания всех ступеней (от 1 до n).

В знаменателе – общий располагаемый теплоперепад, определяющий скорости истечения пара с поправкой на реальность процесса (R).

Характеристика Стодола – это осредненная величина характеристики всех ступеней данной турбины.

Таким образом, характеристика X₁ многоступенчатой турбины связана с характеристиками отдельных ступеней турбины и, следовательно, с КПД всей турбины в целом

В зависимости от степени реактивности ступеней существует наивыгоднейшее значение характеристик X₁ и X, обеспечивающее наивысший КПД.

Данные коэффициенты позволяют ориентировочно судить о степени совершенства турбины.

Далее, если необходимо спроектировать турбину с наивысшим КПД, для которой заданы параметры пара и осредненная степень реакции по ступеням, то принимая оптимальную характеристику Х₁ можно найти значение , а следовательно, при некотором выбранном значении средней окружной скорости u и нужное число ступеней в турбине.

И еще, если две турбины примерно одинаковой мощности и одинаковой осредненной степени реакции в ступенях, имеют одинаковые характеристики, то, независимо от числа ступеней в этих турбинах и окружных скоростей, их окружные КПД будут равны. При этом распределение теплоперепадов между ступенями не имеет значения.

Общие выводы по многоступенчатым турбинам

Применение многоступенчатых турбин приводит к повышению их КПД по следующим причинам:

1. В каждой ступени может быть выдержано наивыгоднейшее значение характеристики X₁, обеспечивающее получение максимального окружного КПД,

2. Небольшие теплоперепады в каждой ступени позволяют применять сходящиеся сопла, имеющие меньшие потери, более простые в технологическом отношении и работающие устойчиво на переменных режимах,

3. Выходная скорость из каждой ступени (кроме последней) не является потерянной, а может быть использована в последующей ступени, повышая тем самым общий КПД турбины,

4. Наличие потерь энергии в данной ступени частично компенсируется увеличением действительных располагаемых теплоперепадов следующих ступеней за счет "возвращенного тепла", что также повышает общий КПД турбины.