Глава 2. Характеристики и некоторые вопросы работы основного оборудования тэс при переменных режимах

2.1. Методы оценки к.П.Д. Проточной части турбин при переменных режимах

При переменных режимах происходит перераспределение дав­лений и теплоперепадов по ступеням турбины, изменяются рас­ход пара, режимные параметры (М, Rе и др.), аэродинамические характеристики решеток и к. п. д. ступеней.

К. п. д. ступени при переменных режимах изменяется в основном за счет потерь на входе в решетки как сопловых, так в осо­бенности рабочих лопаток, определяемых углом атаки, и потерь с выходной скоростью. Влияние чисел Rе и М, степени и масштаба турбулентности набегающего потока и состояния поверхности про­филя сказывается в меньшей степени. Удачным параметром, харак­теризующим профильные потери при ударном входе потока в ре­шетку, является комплекс [33]. Многочислен­ные данные как для плоских решеток, так и для вращающихся моделей попадают на единую параболическую кривую .Зависимость для плоских решеток при различном отно­сительном радиусе входной кромки r/b приведена на рис. 2.1 [33]. Как видно, для профилей с утолщенной входной кромкой, менее чувствительных к углу атаки, зависимость профильных потерь от комплекса у сохраняет свой характер, но становится более пологой.

Основной характеристикой турбинной ступени при переменных режимах является отношение скоростей и/с₀, причем связь во всех случаях носит параболический характер (здесь

— окружной к. п. д. ступени с полной потерей выходной-ско­рости; и — окружная скорость на среднем диаметре ступени; с₀— условная скорость, соответствующая всему срабатываемому в сту­пени перепаду тепла Н₀, т. е. . Обобщение опытных данных для активных ступеней с цилиндрическими лопатками, имеющими аэродинамически отработанные профили, с радиальными уплотнениями и оптимальными перекрышами приведено на рис. 2.2 и описывается уравнением [20]

(2.1)

где и/с₀—оптимальное отношение скоростей, при котором лопа­точный к. п. д. ступени с бесконечно длинными лопатками дости­гает максимального значения ; коэффициент учитывает влияние на к. п. д, конечной высоты лопаточного аппарата(a₁~ 0,003).

Зависимость (2.1) дает удовлетворительную точность в диа­пазоне изменения u/с₀ = 0,35—0,55. В более широком диапазоне режимов работы ступени уравнение (2.1) может быть использо­вано лишь для грубо приближенной оценки к. п. д.

Рис 2.1. Обобщенные характеристики профильных потерь энергии в решетках.

Рис 2.2. Изменение в зависимости от отношения u/c₀ и высоты сопловых лопаток l_c для активных ступеней.

В ступенях с длинными закрученными лопатками и трехмерным пространственным течением среды зависимость к. п. д. от режимных параметров является более сложной. В частности, в ступенях части низкого давления турбин более значительным оказывается влияние чисел Rе, М, и уже при небольшом увели­чении и/с₀ по сравнению с расчетным значением растет нерав­номерность потока и возникает корневая зона отрывного течения пара. Достаточно точно к. п. д. таких ступеней при переменных режимах может быть определен только на основании опытных исследований.

Реактивные решетки (р = 0,5) имеют конкруентные профили ( ) и менее чувствительны к изменению угла входа потока. Зависимость, для реактивных ступеней более пологая, чем для активных.

Для оценки экономичности турбинного отсека из нескольких ступеней при переменных режимах можно воспользоваться раз­личными характеристиками. Наиболее удачными из них являют­ся объемный расход пара практически однозначно опреде­ляющий к. п. д. группы ступеней с неразрывным течением (при отсутствии промежуточных отборов пара) и приведенное отно­шение скоростей [27]

где — сумма квадратов окружных скоростей на среднем диа­метре отдельных ступеней; Н₀ — располагаемый перепад энтальпий на отсек, Дж/кг.

Опыт показывает, что зависимость к. п. д. турбинного отсека, работающего на сухом паре, (с учетом потери выходной ско­рости последней ступени) от (u/с₀)_пр носит параболический харак­тер, как и для отдельной ступени, но имеет свои особенности. Различие в экономичности многоступенчатых отсеков и одиночных ступеней обусловлено рядом факторов. Наряду с положительным влиянием частичного использования выходной энергии промежу­точных ступеней сказываются неоднородность и нестационарность потока, уменьшающие к. п. д. На характеристики многоступенчатых отсеков существенно влияет также распределение теплоперепадов между отдельными ступенями. Влияние числа Re в группе ступеней сказывается в меньшей степени, чем в одиночной, и зона автомодельности смещается в сторону меньших его значений. Влияние геометрических параметров ступени на к. п. д. примерно одинаково как для одиночных ступеней, так и для групп их, причем с уве­личением веерности решеток (уменьшением отношения ) зависи­мость становится более крутой. Как и в случае одиночных ступеней, к. п. д. отсека является более пологой функцией для реактивных турбин, чем для активных.

Для сравнения экономичности турбинного отсека при пере­менных режимах удобно воспользоваться относительной величи­ной приведенного отношения скоростей

где Н₀, — располагаемый теплоперепад для группы ступеней при рассматриваемом и оптимальном режимах работы.

Анализ исследований, а также данных турбостроительных заво­дов показывает, что в первом приближении зависимость выражается уравнением

(2.2)

где а — некоторый постоянный коэффициент, изменяющийся для различных отсеков в пределах 0,75—1,5 [27].

Рис. 2.3. Зависимость к.п.д. ЧНД и отсека ступеней № 17-19 (б) турбины ПТ-25-90/10 (с учетом потерь с выходной скоростью последней ступени) от рас­полагаемого теплоперепада.

Уравнением (2.2) удобно пользоваться, при оценке экономич­ности работы отсеков ступеней при разных режимах в условиях эксплуатации, а также при расчете переменных режимов вновь проектируемых турбин. В этом случае конструктивные характе­ристики отдельных ступеней, как правило, еще не известны, и применение обычных методов расчета к. п. д. затруднительно. В сравнительных расчетах, когда важна не абсолютная величи­на к. п. д., а относительное изменение его на переменных режи­мах, в первом приближении можно принять а = 1.

Зависимость к. п. д. некоторых отсеков от располагаемого пере­пада энтальпии Н₀, по опытным данным [27], и сравнение опытных

Рис. 2.4. Располагаемый перепад тепла на ЧНД турбин ПТ-25-90/10 (а) и ПТ-12-90/10 (б) при полностью открытой поворотной диафрагме в зависимости от объемного расхода пара:

данных с расчетами по уравнению (2.2) приведены на рис. 2.3. Как видно, погрешность зависимости (2.2) составляет примерно 5%. Оптимальный режим групп ступеней, соответствующий значениям не всегда совпадает с расчетным (по конструктивным условиям выполнения отсека), а к. п. д. в области режимов, близ­ких к оптимальному, является весьма пологой функцией распо­лагаемого теплоперепада. Поэтому значение коэффициента а сле­дует устанавливать по экспериментальным материалам, причем необходимы данные хотя бы по двум режимам.

Погрешность уравнения (2.2) увеличивается с ростом влия­ния плотности пара на потери трения и вентиляции, особенно в случае появления отрывного течения, и с выходом решеток из ав­томодельной зоны по числу Не. Однозначность зависимости (2.2) также нарушается в результате влияния влажности пара.

В ходе испытаний турбин [27] получены характеристики групп ступеней в области больших и/с_а. При режимах со значениями Н₀ > Н_о^opt следует ожидать более интенсивную зависимость к. п. д. от параметра (u/c₀) . Это можно объяснить большим влиянием по­ложительных углов атаки на профильные потери, чем отрицатель­ных, что и подтверждается данными, приведенными в работе [33]. Более точно к. п. д. турбинного отсека при изменении режима работы может быть определен с помощью поступенчатого расче­та, методика которого изложена в работах [1, 71, 84]. В таких расчетах следует использовать результаты продувки плоских ре­шеток для определения потерь в них при нерасчетных углах входа.

Достаточно «универсальным» параметром для турбинного отсека является объемный расход пара Gv₂, так как он опреде­ляет скорости истечения из решеток, а значит, и срабатываемый в них перепад тепла H₀. Экспериментальная зависимость H₀ = f(Gv₂) приведена на рис. 2.4. Как видно, точки, соответствую­щие разным массовым расходам пара, попадают на единую кри­вую. Поэтому с учетом уравнения (2.2) в первом приближении (если пренебречь влиянием плотности пара и чисел Re и М) зави­симость использованного перепада тепла для группы ступеней, работающих на сухом паре, от объемного расхода пара Нi =f(Gv₂) будет также однозначной. Этой зависимостью можно воспользоваться для приближенной оценки экономичности турбин при переменных режимах.