Вопрос № 314 Почему в одной ступени турбины нельзя переработать весь ее теплоперепад с достаточной степенью эффективности?

В современных паротурбинных установках ТЭС и АЭС располагаемый теплоперепад тур­бины составляет 1000—1600 кДж/кг. Создать экономичную одноступенчатую турбину при таких теплоперепадах и достигнутом в насто­ящее время уровне прочности металлов не­возможно. Действительно, скорость пара на выходе из сопл одноступенчатой турбины в этих условиях составит 1500—1700 м/с. Для экономичной работы одноступенчатой турби­ны необходимая окружная скорость лопаток на среднем диаметре при оптимальном отношении скоростей u/с_ф = 0,65 должна составить 1000—1100 м/с. Обеспечить прочность ротора и лопаток при таких окружных скоростях практически невозможно. Кроме того, число М в потоке пара в этом случае составит 3,0— 3,5, что приведет к большим волновым поте­рям энергии в потоке. Поэтому все крупные паровые турбины для энергетики и других от­раслей народного хозяйства выполняют мно­гоступенчатыми.

Вопрос № 315 Что такое явление возврата теплоты? Чем характеризуется?

Одним из преимуществ многоступенчатой турбины является использование части потерь энергии предыдущих ступеней для получения полезной работы в последующих ступенях. Потери энергии в ступени переходят в тепло­ту и повышают энтальпию пара за ступенью. В области перегретого пара это приводит к повышению температуры пара за ступенью, а в области влажного пара к увеличению степени сухости пара х. За счет повышения температуры или степени сухости пара теплоперепад ступени увеличивается по сравнению с теплоперепадом этой ступени, отсчитанным по основной изоэнтропе идеального расшире­ния пара в турбине. Из рис. 4.2 видно, что H₀^II>(H^II)’, H₀^III>( H₀^III)' и т. д. Это повы­шение теплоперепадов, как известно, вы­зывается расхождением изобар в h, s-диаграмме в направлении увеличения энтропии.

Таким образом, если суммировать теплоперепады ступеней H₀^I , H₀^I , H₀^III и т. д., то их сумма окажется больше теплоперепада турбины по основной изоэнтропе H₀, т. е.

.

Здесь Q — возвращенная теплота потерь энергии ступеней, которая увеличивает распо­лагаемую энергию ступеней многоступенча­той турбины по сравнению с одноступенчатой. Подсчитаем КПД многоступенчатой тур­бины в предположении, что она состоит из ступеней с одинаковым КПД η_oi^ст:

, (4.2)

или Здесь q_t = Q/H₀ — коэф­фициент возврата теплоты. Из рис. видно, что за счет явления воз­врата теплоты внутренний относительный КПД турбины повышается по сравнению с внутренним относительным КПД одиночной ступени. Это увеличение КПД определяется коэффициентом возврата теплоты, который изменяется в пределах от 0,02 до 0,10 в зави­симости от H₀, числа ступеней и КПД.Для турбины, процесс в h, s-диаграмме и число ступеней которой известны, коэффициент возврата легко определяется непосредст­венным суммированием теплоперепадов. Для приближенных оценок су­ществует ряд методов расчета коэффициента возврата теплоты турбины. Один из методов основан на оценке возвращенной теплоты с помощью h, s-диаграммы (рис. 4.4). Если предположить, что в турбине с бесконечно большим числом ступеней действительный процесс протекает по линии 0—2, то сумма располагаемых теплоперепадов всех ступеней, должна находиться между теплоперепадами, определяемыми по отрезкам 0-2t и 0'-2. Теплоперепад равный 0'-2, соответствует гипотетическому случаю, когда температура пе­ред первой ступенью повышается за счет энергии потерь всех ступеней турбины. Так как общая энергия потерь от ступени к сту­пени нарастает практически линейно, то реальная сумма теплоперепадов определяет­ся изоэнтропой а-b, проходящей через сере­дины отрезков 2t-2 и 0-0'. Таким образом, коэффициент возврата теплоты при бесконеч­ном числе ступеней турбины может быть оп­ределен по формуле . При конечном числе ступеней коэффици­ент возврата уменьшается, так как теплоперепад первой ступени не увеличивается за счет возврата теплоты. Поэтому возвращен­ная теплота Q при конечном числе ступеней уменьшается до значения, которое можно оп­ределить, используя рис. 4.4: Q = H₀^сb-(H₀- H₀^I).

Так как при одинаковых теплоперепадах на всех ступенях H₀^cb = H₀^{ab и} то коэффициент возврата при конечном чис­ле ступеней можно представить в виде