Визначення параметрів робочого тіла за регулюючим ступенем на номінальному режимі роботи турбіни

Розрахунковий режим регулюючого ступеня вибирають із умови роботи турбіни в змінному режимі. Як правило, це режим часткового навантаження, що становить приблизно , де  - ефективна потужність на валу в розрахунковому режимі . У режимах часткових навантажень перепад на регулюючий ступінь збільшується, а на ступені тиску зменшується. Тому намагаються спрацювати цей перепад з максимально можливим ККД і всі основні характеристики цього ступеня (кути решітки, площі прохідних перетинів, висоти лопаток і відношення ) повинні відповідати режиму часткового навантаження турбіни.

Тоді в номінальному режимі роботи турбіни регулюючий ступінь буде працювати при підвищених відносинах  і при інших параметрах за нею.

Прийнявши середній діаметр ступеня, як у прототипу, знайдемо окружну швидкість на середньому діаметрі , :

 

,

 

де  - середній діаметр ступеня, 0,87 ;

 - частота обертання ротора.

163,908 .

Швидкість , , і теплоперепад , , знаходять за формулами:

 

,

 

де  для двохвінцевого ступеня можна прийняти рівним 0,25

910,600 ;

 

,

 

414,596 .

По розташовуваному перепаду  на регулюючий ступінь можна визначити тиск за ним на його розрахунковому режимі й всі параметри ізоентропійного розширення:

,

3049,9096 ;

2,151 .

 

Задавшись орієнтовно відносним внутрішнім ККД регулюючого ступеня на його розрахунковому режимі, можна визначити його використаний теплоперепад , :

 

,

 

де 0.75

310,947 .

І тоді дійсний стан пари за регулюючим ступенем у режимі часткових навантажень турбіни:

 

,

3153,645 ;

,

6,951 , 0,131 , 344,064 .

 

Всі наступні ступені тиску повинні бути спроектовані й розраховані так, щоб їх максимальний ККД був реалізований у режимі номінального навантаження . Для цього необхідно визначити параметри за регулюючим ступенем на номінальному режимі роботи турбіни. При зміні навантаження на турбіну відбувається зміна витрати через проточну частину, яку можна вважати пропорційним зміні навантаження:

 

 

Тиск у камері регулюючого ступеня на номінальному режимі роботи турбіни розраховуємо по формулі Флюгеля, записаної для відсіку проточної частини, що складається із ступенів тиску:

 

,

 

де  й  - витрати відповідно на частковому й номінальному режимах роботи турбіни, ,

 

 

 і  - тиск за регулюючим ступенем відповідно на

цих режимах, ,

 і  - температура за регулюючим ступенем, ,

 і  - тиск за турбіною на цих режимах, .

Для конденсаційних турбін тиск за турбіною значно менше тиску в голові машини й тому відношенням  у формулі Флюгеля можна зневажити:

 

 

Оскільки разом з тиском за регулюючим ступенем у змінному режимі міняється й температура, то в рівнянні два невідомих; у першому розрахунку можна прийняти:

 

 

У цьому випадку

 

,

 

і по знайденому тиску визначаємо температуру в камері регулюючого ступеня на номінальному режимі (рис. 2.1):

 

.

 

У другій спробі слід уточнити тиск  із урахуванням отриманої температури .

У підсумку одержуємо:

2,688 , 344,064

Знаючи тиск за регулюючим ступенем на номінальному режимі , визначаємо тепломісткість за регулюючим ступенем при ізоентропному розширенні в ньому , :

 

3115,771 .

 

і перепад на регулюючий ступінь у номінальному режимі роботи турбіни , :

,

348,821 .

 

Відношення  на номінальному режимі роботи турбіни, що є розрахунковим для ступенів тиску, знаходимо з виразу:

 

,

0,196.

 

Для визначення інших параметрів за регулюючим ступенем необхідно обчислити її ККД на номінальному режимі, що можна зробити за графіком [1].

0,743.

Використаний теплоперепад регулюючого ступеня на номінальному режимі , , буде таким:

 

,

259 ,

 

і тоді

 

,

3205,593 ;

6,901 .

 

Ця точка і є точкою початку процесу розширення в ступенях тиску на номінальному режимі роботи турбіни.

 

Розрахунок ступенів тиску

Оскільки проектування в бакалаврському проекті ведеться на базі турбіни-прототипу, то при розподілі теплоперепаду по ступенях середні діаметри й висоти лопаток на першому етапі розрахунку приймаються такими, як у турбіні-прототипі.

Спочатку визначаємо ступінь реактивності на середньому радіусі ступеня по залежності, отриманої для закону закручення соплового апарата

 

 

Коренева реактивність приймається в інтервалі , причому менші значення  відповідають коротким лопаткам, а більші — довгим. Значення кута  приймається в діапазоні від 10 до 20° з аналогічною зміною по проточній частині.

Знаходимо значення  залежно від  :

 

,

 

тут  0,97.

По відношенню  й окружній швидкості ,  обчислюємо швидкість , :

 

,

 

і розташовуваний теплоперепад ентальпії на ступінь по загальмованих параметрах  , :

 

 

Значення адіабатичного перепаду ентальпій на ступінь менше, ніж розташовуваний на величину, еквівалентну енергії з вихідною швидкістю попереднього ступеня , :

 

 

Коефіцієнт втрат з вихідною швидкістю  для активних ступенів можна прийняти рівним .

У загальному випадку

 

 

Тут  - коефіцієнт використання вихідної швидкості. Він залежить від конструктивних особливостей проточної частини. Для першого ступеня відсіку , для післявідбірних ступенів  і тільки для ступенів, розташованих безпосередньо один за одним можна прийняти .

Тоді

 

,

 

де  - розташовуваний теплоперепад попереднього ступеня.

Сума адіабатичних теплоперепадів становить теплоперепад у проточній частині ступенів тиску:

 

 

З іншого боку, розташовуваний теплоперепад на ступені тиску може бути визначений за допомогою коефіцієнта повернення теплоти :

 

,

,

 

де - ізоентропний теплоперепад ступенів тиску (див. рис. 2.1), ,

 - число ступенів тиску,

0.85,

 в області перегрітої пари.

Якщо сума адіабатичних перепадів на ступені не дорівнює тепло перепаду, що мається у розпорядженні, визначеному за коефіцієнтом повернення тепла, то варто ввести корективи в проточну частину машини. Якщо різниця

 

порівняно з теплоперепадом на ступінь, то можна змінити число ступенів, якщо вона менше, те можна змінити або відношення , або діаметри ступенів (однієї або групи).

Домігшись дотримання рівності  починаємо будувати процес розширення в ступенях тиску в  діаграмі. Для цього спочатку будуємо наближену політропу розширення, з'єднуючи прямою точку  із точкою  яка визначає параметри пари за турбіною. Починаючи з першого ступеня, послідовно для кожного із ступенів знаходимо статичний тиск за ступенем й інші параметри стану пари. Для цього визначаємо ентальпію за ступенем як різницю ентальпії перед ступенем й її адіабатичним перепадом:

 

,

.

 

а в точці перетинання відповідної ізобари й політропи розширення в турбіні всі інші параметри за щаблем -  (рис 2.2).

Результати розрахунку зводимо в таблицю 2.1.

 

Параметр	Номер ступеня
	2	3	4	5	6
Середній діаметр Dср, м	873	876	880	884	890
Кореневий діаметр Dк, м	844	844	844	844	844
Коренева степінь реактивності ρк	0,05	0,055	0,06	0,065	0,07
Коефіцієнт швидкості сопів φ	0,97	0,97	0,97	0,97	0,97
Кут виходу пари із сопел α1ср, град	10	10,5	11	11,5	12
Степінь реактивності на середньому діаметрі ρср	0,107	0,117	0,129	0,140	0,155
Відношення U/Cф	0,486	0,488	0,491	0,494	0,497
Окружна швидкість U, м/с	164,47	165,03	165,79	166,546	167,67
Швидкість Сф, м/с	338,15	337,88	337,66	337,475	337,37
Перепад по загальмованих параметрах h0^*,кДж/кг	57,175	57,082	57,008	56,945	56,911
Коеф. використання вихідної швидкості γ	0	0	1	0	1
Адіабатичний перепад на ступінь h0, кДж/кг	57,175	57,082	53,012	56,945	52,924

 

Параметр	Номер ступеня
	7	8	9	10	11
Середній діаметр Dср, м	922	930	936	950	988
Кореневий діаметр Dк, м	902	902	902	902	928
Коренева степінь реактивності ρк	0,075	0,08	0,085	0,09	0,095
Коефіцієнт швидкості сопів φ	0,97	0,97	0,97	0,97	0,97
Кут виходу пари із сопел α1ср, град	12,5	13	13,5	14	14,5
Степінь реактивності на середньому діаметрі ρср	0,111	0,129	0,143	0,170	0,190
Відношення U/Cф	0,483	0,487	0,491	0,498	0,503
Окружна швидкість U, м/с	173,705	175,212	176,34	178,98	186,139
Швидкість Сф, м/с	359,560	359,537	359,50	359,75	370,337
Перепад по загальмованих параметрах h0^*,кДж/кг	64,642	64,633	64,621	64,713	68,575
Коеф. використання вихідної швидкості γ	0	1	0	1	0
Адіабатичний перепад на ступінь h0, кДж/кг	64,642	60,108	64,621	60,189	68,575

 

Параметр	Номер ступеня
	12	13	14	15	16	17
Середній діаметр Dср, м	1036	1102	1171	1258	1316	1374
Кореневий діаметр Dк, м	955	982	1013	1024	1024	1024
Коренева степінь реактивності ρк	0,1	0,105	0,11	0,115	0,12	0,125
Коефіцієнт швидкості сопів φ	0,97	0,97	0,97	0,97	0,97
Кут виходу пари із сопел α1ср, град	15	15,5	16	16,5	17	17,5
Степінь реактивності на середньому діаметрі ρср	0,220	0,268	0,308	0,380	0,429	0,471
Відношення U/Cф	0,511	0,527	0,542	0,572	0,595	0,617
Окружна швидкість U, м/с	195,18	207,61	220,61	237,007	247,93	258,86
Швидкість Сф, м/с	381,66	393,68	407,37	414,610	417,01	419,57
Перепад по загальмованих параметрах h0^*,кДж/кг	72,834	77,493	82,978	85,951	86,949	88,020
Коеф. використання вихідної швидкості γ	1	1	0	0	0	0
Адіабатичний перепад на ступінь h0, кДж/кг	68,033	72,395	82,978	85,951	86,949	88,020

 

Рисунок 2.2 – Визначення параметрів пари за ступенями тиску