Парциальный подвод пара. Пример расчета двухвенечной ступени

В ступенях паровых турбин с малым объемным пропуском пара, когда выходные площади решеток малы, применяется парциальный подвод пара. Парциальный подвод пара характерен также для регулирующих ступеней турбин. Парциальный подвод означает, что в ступени пар проходит через решетки не но всей окружности.

Доля окружности, занятой каналами сопловых лопаток, через которые проходит пар, называется степенью парциальности

и работу ступени. Динамические усилия, действующие на рабочие лопатки в ступени с парциальным подводом пара, настолько велики, что расчетные напряжения на изгиб

Это приводит к то-

  и тем самым повышает концевые потери в рабочих решетках.

, то каналы рабочих лопаток при вращении диска

попеременно то заполняются струей протекающего пара, то выходят из парового потока и проходят путь в нерабочем ; паровом пространстве камеры ступени; при этом рабочая ; решетка, работая как вентилятор, захватывает и перемещает ; пар, заполняющий камеру ступени, что сопровождается затратой энергии.   

  определить как мощность вентилятора, то

—кольцевая площадь рабочих лопаток, свободная от подвода пара; А -коэффициент пропорциональности.

, получаем

Коэффициент к зависит от геометрических характеристик ступени. Влиянием сжимаемости и числа Ке при подсчете вентиляционных потерь, как правило, можно пренебрегать.

как показали опыты, значительное снижение потерь на ; вентиляцию может быть достигнуто, если на участке (1-е),

где нет подвода пара, лопатки закрыть защитным кожухом, как это, например, показано на рис. 4.4. В этом случае лопатки входят во взаимодействие с небольшой массой пара, заполняющего кожух, и затрата энергии на вращение уменьшается. Потери на вентиляцию в полностью или частично открытых колесах в 2—3 раза выше, чем в колесах, прикрытых защитным кожухом. Кроме того, на вентиляционные потери влияют относительные величины ширины лопаток В2й и осевого зазора 5//2.

, найдем относительные потери на

(4.9)

вентиляцию:

где къ=0,065.

В ступенях скорости потери от вентиляции возникают не только в первом, но и в последующих рядах рабочих лопаток. Поэтому в формулу (4.9) введено т — число венцов в ступени скорости.

, то потери от вентиляции можно подсчитать по формуле

Помимо вентиляционных потерь в ступенях с парциальным подводом пара возникают дополнительные потери на концах дуг сопловых сегментов.

  (1 — е), в пределах которой нет подвода парового потока к лопаткам, в каналах рабочей решетки организованное течение прекращается и в них остается застойный пар. При подходе лопаточных каналов, заполненных таким паром, к потоку, вытекающему из соплового сегмента, энергия струи частично расходуется на ускорение массы застойного пара. С другой стороны, при выходе лопаточного канала из-под струи парового потока равномерность потока нарушается, что связано с дополнительной потерей энергии.

Схематически это можно представить следующим образом (рис. 4.5). Канал рабочей решетки входит в активную зону за время (2/и (где г —шаг рабочей решетки); при этом поток у вогнутой поверхности профиля пройдет путь н^ 1гщ в то время как в том же канале на спинке профиля еще сохраняется как бы застойная зона. Такое постепенное проникновение активной струи в заполняющую канал застойную зону связано с потерями энергии.

При выходе каналов рабочих решеток из активного потока возникает аналогичная картина. Разница лишь в том, что у спинки профиля активный поток пара сохраняется, в то время как на вогнутой поверхности движение продолжается лишь по инерции. Кроме указанных потерь на концах дуг подвода пара возникают также потери от утечки и от подсоса (эжекции) пара. Струя, выходящая из крайнего соплового канала, отклоняется по направлению вращения колеса, как бы прилипая к стенке.

Измерения показывают, что в зазоре за точкой М поток движется параллельно плоскости выходных кромок сопловой решетки, т. е. имеют место значительные утечки пара, минующего каналы рабочей решетки. Эти утечки в парциальной ступени тем больше, чем выше была принята расчетная реактивность. Поэтому значительная степень реактивности при парциальном подводе резко снижает экономичность ступени и не применяется при проектировании таких ступеней.

У входного конца соплового сегмента на радиальной границе парового потока происходит эжекция пара из зазора, что также связано с дополнительными потерями. Для

сокрашения этих потерь все же оказывается целесообразным даже в парциальной ступени применять небольшую расчетную реактивность (р = 0,02 -г- 0,06).

Указанные выше условия на входе в дугу соплового сегмента и выходе из нее приводят к тому, что в крайних сопловых каналах поток в значительной степени искажается по сравнению с основным потоком, что вызывает в них рост потерь. Все рассмотренные потери связаны между собой.

где В2, В2 и /2, Г2 — ширина и высота первого и второго (в ступени скорости) рядов рабочих решеток; /—число нар концов сопловых сегментов (число групп сопл).

  т. е. потери по краям сегментов

Для одновенечной ступени в числителе выражения (4.10) остается только первое слагаемое. Таким образом, при парциальном подводе пара КПД ступени снижается на величину

  расчетных значений относительного лопаточного КПД активной ступени гол, взятые из рис. 3.6 и 3.29 и подсчитанные в предположении

  потери при парциальном

  с учетом этих потерь.

, оказывается

I

оптималь-

=0,42. Следовательно, при заданной окружной скорости располагаемый теплопе-репад в этом случае следует выбрать на 25% большим, чем при полном подводе пара. Очевидно, что чем больше потери от парциальности, тем меньше оптимальное отношение скоростей. С учетом потерь на трение диска (см. § 4.1) оптимальное отношение скоростей будет еще меньшим (рис. 4.6).

. Эта задача может быть решена на основании следующих соображений.

, при которой суммарные потери имеют наименьшее значение, является оптимальным и обеспечивает наибольший КПД ступени г|0,.

Решение этой задачи можно найти аналитически.

Потери в сопловой и рабочей решетках для одновенечной ступени можно записать так:

Потери в зависимости от высоты решетки могут быть выражены суммой, например

—концевые потери, т. е, потери, вызванные конечной высотой решетки (аг—опытный безразмерный коэффициент, который может быть взят из аэродинамических характеристик решеток).

Тогда сумма потерь в ступени, зависящих от высоты лопаток / или от степени парциальности е, запишется следукшг. м образом:

Имея в виду, что при изменении парциальности е произведение е1х остается постоянным, и считая также остальные величины не зависящими от е, можно, продифференцировав уравнение (4.12) по е> приравняв полученное выражение нулю и решив его относительно е, найти оптимальную парциальность, при которой сумма потерь ступени имеет минимум.

Произведя необходимые вычисления, найдем оптимальную парциальность

для двухвенечных ступеней скорости

  (4.14а)

Здесь 11 — в м.

, то следует принять

=0,8-^0,97 в зависи-

мости от конструкции сопловых коробок (см. рис. 4.32).

На рис. 4.7 для примера представлены графики отдельных составляющих потерь в ступени с парциальным подводом в зависимости от степени парциальное™. Из этих графиков видно, что в зоне оптимальной степени парциальное™ ( 1||Т кривая КПД ступени довольно пологая. Поэтому часто, выбирая е, отклоняются от значения еОП1ч чтобы повысить надежность

лопаток и учесть требования унификации с другими турбинами. В частности, для промежуточных ступеней турбины при оптимальных значениях степени парциальное™ еО11т>0,7 обычно принимают полный подвод пара, чтобы снизить динамические напряжения в рабочих лопатках. При этом можно уменьшить хорду профиля и тем самым компенсировать снижение КПД ступени за счет отклонения от еопт.

Если в ступени предпринимаются специальные меры для уменьшения концевых потерь в решетках (см. § 2.4), то коэффициенты в формулах (4.14) и (4.14а) увеличиваются и оптимальная слепень парциальноети возрастает.