Двухвенечная турбинная ступень

Если скорость потока за рабочими лопатками активной ступени велика, то для использования кинетической энергии рабочего тела устанавливают еще один или два венца рабочих лопаток и между ними располагают дополнительные направляющие аппараты, в которых поток не расширяется или расширяется незначительно.

Подобные ступени носят название ступеней скорости. В зависимости от числа рядов рабочих лопаток различают двух- и трехвенечные ступени скорости.

Рис. 1.3. Двухвенечная ступень скорости

 

На рис. 1.3 схематически показана двухвенечная ступень скорости. Здесь же даны графики изменения давления и скорости потока вдоль проточной части. Как видно, имеется только один сопловой аппарат 1, в котором рабочее тело сильно расширяется и приобретает очень большую скорость. В дальнейшем при прохождении через лопаточный аппарат его давление не изменяется.

На рабочих лопатках 4 и 3 происходит преобразование кинетической энергии потока в механическую энергию ротора и соответственно уменьшение скорости потока.

Промежуточный направляющий аппарат 2 служит лишь для поворота потока; некоторое падение скорости в нем объясняется наличием потерь.

 

В двухвенечной ступени пар с начальными параметрами и скоростью поступает в каналы соплового аппарата – , где происходит его расширение. При расширении пара его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом абсолютная скорость потока пара на выходе из соплового аппарата увеличивается до значения , а давление снижается до величины .

После выхода из соплового аппарата поток пара направляется на рабочие лопатки первого ряда – .

При обтекании паром рабочих лопаток и повороте его в межлопаточных каналах на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Расширения пара на рабочих лопатках не происходит, его давление остается постоянным, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины .

В направляющих лопатках – , следующих за первым рядом рабочих лопаток, происходит поворот потока пара (без расширения) и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки второго ряда – . При этом из-за потерь энергии происходит некоторое снижение абсолютной скорости пара на выходе из неподвижного ряда лопаток до величины .

В межлопаточных каналах рабочих лопаток второго ряда – расширения пара и изменения его давления не происходит, кинетическая энергия пара окончательно преобразуется в механическую работу, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины .

Так как процесс расширения пара в двухвенечной ступени происходит только в сопловом аппарате, то весь располагаемый теплоперепад срабатывается в соплах: .

На диаграмме теоретический процесс расширения пара в соплах показан линией .

Из-за наличия потерь энергии действительный процесс расширения пара протекает по линии . Дальнейшее преобразование энергии пара на рабочих и направляющих лопатках происходит изобарно.

 

Рис. 45. Принцип действия двухвенечной турбинной ступени.

Точки на диаграмме соответствуют:

 

	–	параметрам пара за соплами при теоретическом расширении пара;
	–	действительным параметрам пара на выходе из соплового аппарата;
	–	действительным параметрам пара на выходе из первого ряда рабочих лопаток;
	–	действительным параметрам пара на выходе из неподвижного ряда направляющих лопаток;
	–	действительным параметрам пара на выходе из второго ряда рабочих лопаток;
	–	действительным параметрам пара на выходе из двухвенечной ступени.

 

Рассмотренные двухвенечные турбинные ступени называют ступенями скорости из-за того, что при течении потока пара в каналах лопаток не происходит изменения его давления, а изменяется только скорость потока.

Ступени скорости способны срабатывать значительные теплоперепады с относительно высоким КПД. По этой причине двухвенечные турбинные ступени часто применяют в турбоприводах вспомогательных механизмов, в качестве турбин заднего хода и первой регулировочной ступени главных турбин.

В более редких случаях нашли применение трехвенечные ступени скорости, состоящие из соплового аппарата, трех рядов рабочих лопаток, расположенных на одном диске, и двух неподвижных рядов направляющих лопаток, расположенных между рабочими.

Принцип действия их аналогичен рассмотренной выше двухвенечной ступени скорости: пар полностью расширяется в сопловом аппарате и затем последовательно проходит через ряды рабочих и направляющих лопаток.

Трехвенечные ступени скорости способны срабатывать еще бóльшие значения теплоперепадов и (при определенных условиях) с еще бóльшим значением КПД, чем двухвенечные.

Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота устройства и небольшие размеры. Существенным недостатком – относительно низкий КПД.

Многоступенчатые турбины.

 

Несмотря на простоту устройства, одноступенчатые турбины не получили большого распространения из-за невозможности достигнуть высокого КПД при больших перепадах давления, а также вследствие большой частоты вращения вала и невозможности получения значительных мощностей.

В судовых условиях одноступенчатые турбины применяют лишь для привода вспомогательных механизмов.

 

Чтобы избежать большой частоты вращения и окружных скоростей и сохранить наивыгоднейшие отношения между окружной скоростью рабочих лопаток и скоростью потока, современные турбины выполняют многоступенчатыми — со ступенями давления, ступенями скорости и различными комбинациями этих ступеней.

Схема активной турбины с тремя ступенями показана на рис. 1.4; здесь же дана схема изменения давления и скорости потока. Ротор турбины 5 состоит из трех дисков, откованных заодно с валом, и вращается в опорных подшипниках 1; осевое усилие воспринимается упорным подшипником 2.

В месте выхода вала из корпуса установлены наружные уплотнения 3. Сопла первой ступени расположены в корпусе турбины 4, сопла второй и третьей ступеней — в диафрагмах 6.

Во избежание протечек пара в месте прохода вала в диафрагмах установлены уплотнения (внутренние).

 

Рабочее тело, частично расширившись в соплах первой ступени, попадает на ее рабочие лопатки и отдает им кинетическую энергию; при этом давление остается постоянным по обе стороны диска, а скорость уменьшается.

После первой ступени рабочее тело поступает в сопла второй ступени, где происходит дальнейшее его расширение и увеличение скорости, затем на рабочие лопатки второй ступени и т. д.

Рис. 1.4. Схема активной турбины с тремя ступенями

 

Таким образом, расширение рабочего тела осуществляется в три приема, на трех ступенях, благодаря чему эта турбина более экономична, чем одноступенчатая.

В турбинах со ступенями давления объем пара по мере его расширения возрастает, поэтому высоту сопл и рабочих лопаток от ступени к ступени постепенно увеличивают.

По способу подвода пара к первым ступеням турбины разделяются на однопроточные (пар по проточной части движется в одном направлении) и двухпроточные, с расходящимся или встречным движением пара.

Схема реактивной турбины с однопроточным движением пара представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема реактивной турбины с однопроточным движением пара

 

В качестве первой ступени (регулировочной) служит двухвенечная ступень скорости 1. В корпусе турбины 2 укреплены неподвижные направляющие лопатки 3.

На барабанном роторе 4 размещены рабочие лопатки 5. В месте выхода вала из корпуса установлены уплотнения 6.

Ротор вращается в опорных подшипниках 7.

После регулировочной ступени пар проходит через реактивную проточную часть, расширяясь как на направляющих, так и на рабочих лопатках.

Разность статических давлений пара перед рабочими лопатками и за ними, а также сила взаимодействия потока со стенками лопаток создают осевое усилие, которое стремится сдвинуть ротор в сторону движения пара. Для разгрузки этого усилия у реактивных турбин установлен разгрузочный поршень — так называемый думмис 9.

Принцип его действия заключается в том, что пространство перед ним сообщается с полостью отработавшего пара или ступенью низкого давления.

Создается разность давлений, действующая в сторону, обратную направлению движения пара.

Благодаря такому устройству частично снимается осевое усилие, приложенное к ротору и воспринимаемое упорным подшипником 8.

Использование активной ступени или двухвенечной ступени скорости в качестве первой ступени реактивной турбины позволяет достигнуть более экономичного количественного регулирования мощности и уменьшить габариты турбины.

Турбины, состоящие только из ступеней скорости, не нашли применения в качестве главных, несмотря на такие преимущества, как малая масса и габариты.

Причиной является меньшая экономичность ступеней скорости по сравнению со ступенями давления.

 

Многоступенчатые турбины конструктивно могут исполняться активными (рис. 46. а), реактивными (рис. 46. б) и сочетающими в себе как активные, так и реактивные ступени – турбины смешанного типа (рис. 47).

С точки зрения надежности и экономичности бесцельно искать преимущества и недостатки одного типа турбин перед другим.

Активная ступень, при прочих равных условиях, способна сработать вдвое больший теплоперепад, чем реактивная.

Поэтому при одинаковых начальных и конечных параметрах пара активная многоступенчатая турбина будет иметь вдвое меньшее число ступеней, чем реактивная, что значительно сокращает длину ротора и массогабаритные показатели турбины.

Но при этом длина активной ступени несколько больше, чем реактивной.

Роторы активных турбин в силу своей конструкции имеют меньшую массу, поэтому маневренные качества активных турбин выше, чем реактивных.

 

Но барабанные роторы реактивных турбин более просты и технологичны в изготовлении, хотя имеют худшие массогабаритные показатели, допускают более медленный прогрев при пуске и менее надежны при резкой смене режимов работы.

В активных турбинах подвод пара производится через сопловый аппарат, разделенный на несколько групп. Как правило, каждая группа сопл имеет индивидуальный подвод пара, что облегчает регулирование мощности и числа оборотов турбины.

 

Чисто реактивные турбины выполняются только с полным подводом пара по всей окружности, что существенно затрудняет процесс регулирования мощности.

По этой причине в реактивных многоступенчатых турбинах в качестве первой ступени часто применяют одно- или двухвенечную активную регулировочную ступень с сопловым подводом пара.

 

Применение двухвенечной регулировочной ступени позволяет сработать значительный теплоперепад уже в первой ступени турбины, и тем самым уменьшить общее число ступеней турбины и снизить параметры пара перед последующими ступенями.

Конструктивные особенности и характер изменения давлений и скоростей пара в многоступенчатых турбинах показаны на рис. 46.

 

Рис. 46. Многоступенчатые паровые турбины:

а – активная; б – реактивная.

 

1 – сопловые (направляющие) лопатки; 2 – рабочие лопатки;

3 – диски; 4 – диафрагмы;

– корпус турбины; – ротор; – входной патрубок; – выхлопной патрубок; – носовые уплотнения;

– кормовые уплотнения; – думмис;

– уплотнения думмиса.

– начальное и конечное значения давления пара;

– начальная и конечная скорости пара.

 

Рис. 47. Проточная часть многоступенчатой комбинированной активно-реактивной турбины (с двухвенечной регулировочной активной ступенью)

– рабочие лопатки; – направляющие лопатки; – двухвенечная регулировочная ступень; – корпус турбины; – думмис; – уплотнение думмиса; – носовое уплотнение.

 

Разделение потоков пара.

В ступенях паровой турбины происходит расширение пара и увеличение его объема. Для обеспечения нормального расширения пара проходное сечение проточной части от ступени к ступени должно увеличиваться. Соответственно, от ступени к ступени, возрастают длины рабочих и направляющих лопаток.

Если сопла и рабочие лопатки первых ступеней паровых турбин имеют высоту 10 ÷ 20мм, то высота рабочих и направляющих лопаток последних ступеней может достигать 400 ÷ 500мм у судовых турбин, и до 1200мм у стационарных турбин. С увеличением длины рабочих лопаток возрастают нагрузки, действующие на них при вращении ротора.

Большие нагрузки и значительные механические напряжения, возникающие в лопатках последних ступеней турбин, предполагают применение материалов повышенной прочности для их изготовления.

Вместе с тем, длина лопаток последних ступеней определяет диаметр ротора и корпуса турбины и, соответственно, ее массогабаритные показатели.

Одним из способов уменьшения длины лопаток последних ступеней является разделение потоков пара. Турбины с разделением потоков пара называются двухпроточными.

При разделении потока пара на две части вдвое сокращается объем пара, проходящий через каждую проточную часть. При этом вдвое сокращается длина лопаток последних ступеней турбины.

Двухпроточные турбины (рис. 50) могут выполняться со сходящимися потоками пара, когда пар движется со стороны подшипников к центральной части ротора, и с расходящимися потоками пара, когда пар движется от центральной части ротора к подшипникам.

Двухпроточные турбины имеют еще одно существенное преимущество: так как потоки пара в проточных частях направлены в противоположные стороны, то осевые усилия, воздействующие на ротор в каждой проточной части, взаимно уравновешиваются, и в таких турбинах нет необходимости в применении дополнительных устройств разгрузки ротора от осевых сил.

Однако применение двухпроточной схемы увеличивает длину ротора турбины и длину турбоагрегата в целом.

 

Рис. 50. Схема двухпроточной реактивной паровой турбины с расходящимися потоками пара.