2.5.Определение числа нерегулируемых ступеней и их теплоперепадов. Оценка эффективных углов последних ступеней отсеков

Расчет сводится к выбору закона изменения корневого диаметра отсеков турбины, определению числа ступеней в каждом отсеке, их средних диаметров и теплоперепадов.

Одно из главных требований к проточной части – обеспечение плавности корневого и периферийного обводов во избежание неоправданных потерь. Как правило, турбины проектируются по выбранному закону изменения корневых диаметров ступеней, а не средних. На практике распространены три закона изменения корневого диаметра:

1. постоянство d_k (d_k = const) во всех ступенях турбины, рис.5, форма 4;

2. понижение d_k по потоку пара, рис.5, форма 2;

3. повышение d_k, рис.5, форма 1.

Кроме того, d_k может изменяться по отсекам турбины (формы 3,5). Одноцилиндровые конденсационные турбины малой мощности обычно проектируются с d_k = const в ЧВД и ЧСД и d_k = varia в ЧНД. Постоянство корневого диаметра в ЧВД и ЧСД позволяет унифицировать хвостовое крепление лопаток и обточку дисков ротора. При одинаковых (U/Ca)_к и ρ_тк в корневых сечениях это способствует также унификации профилей лопаток. В результате снижается стоимость турбины. В ЧНД корневой диаметр может изменяться по любому закону. Понижение корневого диаметра по потоку пара позволяет уменьшить угол раскрытия периферийного обвода проточной части и улучшить его обтекание. Так спроектированы, например, ЦНД турбин ХТЗ К-300-240, К-500-60/1500 и др., а также некоторые одноцилиндровые конденсационные турбины малой мощности. Проектирование с повышающимся корневым диаметром обусловливает более крутое раскрытие периферийного обвода проточной части. Так спроектирован, например, ЦНД турбин К-800-240 ЛМЗ и др. Но при очень крутом раскрытии может возникать отрыв потока от периферийного обвода.

2.5.1. Предварительный расчет чвд

Проектирование ЧВД (ЦВД или турбины с противодавлением) начинается с определения средних диаметров первой и последней нерегулируемых ступеней отсека. В первых нерегулируемых ступенях главной задачей является обеспечение достаточной высоты лопаток (l₁, l₂ > 12мм) и по возможности полного подвода пара (е = 1), чему способствует уменьшение диаметра. Но снижение диаметра сопровождается общим снижением теплоперепадов, что приводит к увеличению числа ступеней и удорожанию турбины. Поэтому в первых ступенях турбин малой мощности иногда приходится использовать парциальный подвод пара (е < 1).

Диаметр первой ступени можно оценить, используя примеры турбин подобного типа или следуя конкретному прототипу [1]. В упрощенной постановке его можно принять несколько меньше диаметра регулирующей ступени:

где ∆d = 50-100 мм. Обычно

Степень реактивности первой ступени задается в интервале ρ_т = 0,05-0,10, угол α_1эф = 11-12⁰, φ = 0,93-0,96, μ = 0,96-0,98. Тогда оптимальное отношение скоростей:

Т еплоперепад первой ступени, кДж/кг:

Теоретическая скорость истечения из сопловой решетки, м/с:

где - теплоперепад сопловой решетки.

Площадь проходного сечения сопловой решетки, м²:

где V_1t - удельный объем пара за сопловой решеткой, определяется при построении процесса расширения в первой ступени; μ₁ - коэффициент расхода сопловой решетки, первоначально принимается μ₁ = 0,97 с последующим уточнением.

Высота сопловой решетки, м:

.

Для обеспечения приемлемой высоты ≥ 12 мм и полного подвода пара (е = 1) можно в разумных пределах снизить диаметр ступени или увеличить отношение U/Ca. В турбинах очень малой мощности для обеспечения приемлемой высоты лопаток приходится не только принимать минимально допустимые значения углов α_1эф = 8 -10^о_, но и использовать парциальный подвод пара, принимая е < 1.

Высота рабочей решетки, м:

где ∆=∆1+∆2 – суммарная перекрыша, табл.2.

Корневой диаметр первой ступени:

Корневой диаметр, как уже упоминалось выше, целесообразно принимать постоянным во всех ступенях ЧВД, т.е. = const.

Средний диаметр последней ступени ЧВД определяется по упрощенному уравнению неразрывности:

где - искомые значения среднего диаметра и высоты лопаток последней ступени; - удельные объемы за первой и последней ступенями отсека ЧВД, рис.1; е¹ и е^z – степень парциальности первой и последней ступени ЧВД соответственно.

В этом уравнении два неизвестных. Выразив средний диаметр последней ступени через корневой диаметр и высоту лопаток:

получают квадратное уравнение с одним неизвестным, из которого определяют . Затем находят . Если в первой ступени степень парциальности е < 1, то в последней ступени ее следует увеличить по возможности до е = 1. Но разность высот лопаток первой и последней ступеней отсека должна быть такой, чтобы обеспечить во всех ступенях необходимые перекрыши (табл. 2). Иначе следует несколько увеличить и .

Степень реактивности последней ступени:

где = 0,03-0,05 - степень реактивности в корневом сечении.

Угол принимается в диапазоне 11 - 12⁰.

Отношение скоростей:

После определения среднего диаметра и отношения (U/Ca)_opt последней ступени ЧВД целесообразно произвести для нее предварительную проверку ожидаемых углов. Это поможет вовремя выявить ошибки и в расчетах, и в определении параметров. Проверка производится в следующем порядке:

Здесь принимается = 0,97, = 0,94, = 0,97.

В ЧВД следует иметь углы α_1эф не менее 8⁰, а β_2эф - 12⁰. При этом удается подобрать профили лопаток из атласа МЭИ (Приложение 6). Иначе надо изменить размеры последней ступени и повторить расчет.

Затем определяется число ступеней ЧВД и их теплоперепады. Для этого используется расчетно-графический способ, рис.6. Отложив на диаграмме базу произвольной длины, обозначающую длину проточной части ЧВД, откладывают по краям базы в масштабе отрезки и , и а также и и соединяют их концы прямыми линиями. Проводят также линию = const. Разделив базу диаграммы на 4 равные части, получают пять условных ступеней, для каждой из которых определяют по диаграмме средний диаметр и U/Ca. После этого определяют теплоперепады ступеней:

Затем находят среднеарифметический теплоперепад одной ступени ЧВД:

и число ступеней:

Здесь - теплоперепад нерегулируемых ступеней ЧВД, кДж/кг; q - коэффициент возврата тепла:

где - для перегретого пара, - для влажного пара, - для насыщенного и влажного пара; Z - число ступеней ЧВД; Обычно q = 0,02-0,03.

Найденное значение Z округляют до ближайшего целого числа ступеней и делят базу диаграммы на (Z -1). Определив по диаграмме средние диаметры и U/Ca этих ступеней, вычисляют их теплоперепады от статических параметров:

Для первой нерегулируемой ступени К₀ = 1, для промежуточных ступеней К₀ = 0,92-0,96.

Затем находят сумму теплоперепадов всех ступеней, которую сравнивают с известным располагаемым теплоперепадом нерегулируемых ступеней ЧВД с учетом возврата тепла:

Для соблюдения этого равенства необходимо найти невязку теплоперепада каждой ступени,

и откорректировать значения теплоперепадов ступеней:

Если число ступеней Z получается намного выше, чем у прототипа, его целесообразно сократить. Это можно обеспечить увеличением диаметра первой нерегулируемой ступени (а следовательно и последней) и снижением фактического значения (U/C_a)_факт по сравнению с (U/C_a)_opt. Затем повторяют расчет по вышеприведенной методике.

Рисунок 6 – Диаграмма для определения числа ступеней