3. Детальный расчет проточной части

3.1. Детальный расчет регулирующей ступени

Методики детального расчета одновенечной и двухвенечной ступеней изложены в приложениях 1,2.

Проходная площадь сопловых решеток определяется по-разному в зависимости от числа Маха:

при M_1t > 1

при M_1t < 1

Здесь параметры перед ступенью определяются по диаграмме, рис.1. Коэффициенты скорости и расхода решеток определяются по рис.7,8,9. или по формулам:

= 0,980 – 0,009 b₁/l₁;

= 0,957 – 0,011 b₂/l₂;

= 0,982 – 0,005 b₁/l₁;

= 0,965 – 0,015 b₂/l₂;

Рисунок 7 – Коэффициенты скорости сопловой и рабочей решеток

Рисунок 8 – Коэффициенты расхода для перегретого пара

Рисунок 9 – Влияние влажности на коэффициент расхода

При сверхзвуковом истечении необходимо учитывать отклонение потока в косом срезе по формуле Бэра. При этом все параметры следует определять очень точно, иначе можно получить абсурдные значения угла отклонения.

В современных турбинах применяются только цилиндрические бандажи, поэтому высоты рабочих и поворотных лопаток определяются по высоте сопловых с учетом перекрыш, рис.10:

где - суммарная перекрыша, табл.2.

По найденным высотам вычисляются эффективные углы, град:

Профили лопаток выбираются по числу Маха и углам входа-выхода потока (см. Приложение 6). Хорды сопловых, рабочих и поворотных лопаток принимаются по прототипу. Лопаточный КПД η_ол определяется двумя способами: через потери энергии и по треугольникам скоростей. После определения дополнительных потерь от парциальности, трения, утечек и влажности вычисляется относительный внутренний КПД η_oi. Одновременно с расчетом строится процесс расширения с учетом всех потерь, рис.12.

Проточная часть, треугольники скоростей и тепловой процесс одновенечной ступени приведены на рис. 13,14,15, а двухвенечной ступени - на рис. 10,11.

Рисунок 10 – Проточная часть двухвенечной ступени

Рисунок 11 – Треугольники скоростей двухвенечной ступени

Рисунок 12 – Тепловой процесс одновенечной ступени

Рисунок 13 – Тепловой процесс двухвенечной ступени

Рисунок 14 – Проточная часть одновенечной ступени

3.2. Детальный расчет нерегулируемых ступеней

В курсовом проекте выполняется детальный расчет пяти ступеней турбины: первых двух (включая регулирующую) и последних трех. Методика расчета одновенечной ступени приведена в приложении 1.

По мере расчета ступеней строится реальный процесс расширения турбины в H-S диаграмме. Расчет промежуточных ступеней кроме первой нерегулируемой производится от параметров торможения, т.е. с учетом кинетической энергии потока на выходе из предыдущей ступени. При этом располагаемый теплоперепад ступени от параметров торможения (т.е. с учетом энергии выходной скорости из предыдущей ступени):

,

где h₀ - располагаемый теплоперепад от статических параметров, найденный в предварительном расчете, кДж/кг; С₀ - абсолютная скорость на входе в ступень (С₂ на выходе из предыдущей ступени), м/с; - коэффициент использования этой скорости, ≈ sin²α₂ ≈ 0,8-1,0. На рис.13 изображен тепловой процесс ступени. Точка А₂ соответствует состоянию пара перед следующей ступенью.

Особенностью расчета промежуточных ступеней является то, что высоты лопаток не вычисляются по уравнениям неразрывности, а определяются по найденным в предварительном расчете размерам - средним и корневым диаметрам:

где d_ср и d_k - средний и корневой диаметры ступеней, определяются по диаграмме, рис.6; - суммарная перекрыша, табл.2.

В свою очередь, эффективные углы решеток определяются по найденным размерам лопаток:

Профили лопаток выбираются по углам входа - выхода потока и числам Маха (Приложение 6). Для сопловых лопаток это α₀, α_1эф и М_1t, для рабочих - β₁, β_2эф и М_2t. Хорды сопловых лопаток могут составлять мм, рабочих лопаток мм. Нередко принимают одинаковые хорды , а также по отсекам (ЧВД, например). При выборе хорды следует опираться на прототип. На чертеже прототипа выбирается ступень с близкими размерами и для нее определяются соотношения хорды и высоты b₁/l₁ и b₂/l₂. Принимая эти же соотношения, по известным высотам l₁ и l₂ рассчитываемой ступени определяют их хорды b₁ и b₂.

Число лопаток должно быть целым. Поэтому принятые значения хорды b и шага t в дальнейшем корректируются. Проточная часть ступени приведена на рис. 14. Коэффициенты скорости φ, ψ и коэффициенты расхода μ₁ и μ₂ в последних ступенях ЧНД определяются с учетом влияния влажности:

= 0,980 – 0,009 b₁/l₁;

= 0,957 – 0,011 b₂/l₂;

= 0,982 – 0,005 b₁/l₁;

= 0,965 – 0,015 b₂/l₂;

;

;

Y = .

Здесь Х₁, Х₂ – степень сухости за сопловой и рабочей решетками ступени.

Относительный лопаточный КПД определяется по располагаемой энергии двумя способами:

Здесь ∆h_с, ∆h_л – потери в сопловой и рабочей решетках; ∆h_вс - потеря с выходной скоростью;

Е₀ = /2000 + h₀ - ∆h_вс = - ∆h_вс - располагаемая энергия ступени, кДж/кг; ∆h_вс - потеря с выходной скоростью; = 0,8-1,0 - коэффициент использования выходной скорости в последующей ступени. Для последней ступени турбины или цилиндра = 0. Для первой ступени ЧВД = 0. Значения КПД, вычисленные двумя способами, не должны отличаться более, чем на 1,5%. После определения дополнительных потерь на трение диска, от парциальности, от утечек и от влажности вычисляется относительный внутренний КПД ступени:

В ступенях с полным подводом пара (e = 1) отсутствует потеря от парциальности , а в ступенях, работающих в области перегретого пара, отсутствует потеря от влажности .

В конечном итоге определяется полезно использованный теплоперепад и внутренняя мощность ступени:

По мере расчета строится реальный процесс расширения ступени с учетом всех потерь, рис.12. К расчету каждой ступени прилагается эскиз теплового процесса со значениями основных параметров пара и треугольники скоростей, построенные в масштабе, рис.12,15.