Влияние влажности пара на кпд ступени

В конденсационных 1р(ншцх с высокими начальными параметрами пара последние ступени работают в области ниже липни насыщения, т. е. рабочей средой в них является влажный пар. В турбинах насыщенного и слабоперегретого пара, применяемых на АЭС, число ступеней, работающих влажным паром, существенно больше. Имеются турбины (насыщенного пара и без промежуточного перегрева), в которых во всех ступенях пар влажный.

Исследования, проводившиеся как в экспериментальных турбинах, так и на электростанциях, показали, что при работе влажным паром экономичность ступеней снижается. Это объясняется следующими причинами:

увеличением потерь энергии в решетках, рассмотренным в §2.8;

потерями энергии на разгон влаги в зазоре в связи с меньшей скоростью влаги, особенно крупнодисперсной, и трением между паром и жидкой фазой;

  влага попадает на

, ударяя о спинку профиля

и тем самым оказывая тормозящее действие на лопатку, т. е. уменьшая полезную работу ступени. Эта гипотеза подтверждается как специальными опытами, так и косвенно, следами эрозионного разрушения на этой части лопатки (см. § 5.2);

дополнительными потерями во вращающейся рабочей решетке, связанными с сепарацией водяной пленки, отбрасыванием

влаги, увеличением концевых потерь в периферийной зоне и т. д.

В ступенях, где организована специальная сепарация влаги, неизбежен унос из ступени вместе с влагой и части пара. Если этот унос производится из сопловой решетки или за ней, т. е. до рабочего колеса, то в данной ступени уменьшается полезная работа и, следовательно, снижается КПД.

с,вл разность КПД ступени, работающей перегретым и влажным паром, т. е.

Доля отдельных составляющих потерь в общем снижении КПД при работе влажным паром различна и зависит от многих физических и геометрических факторов. Однако в большинстве случаев в ступенях многоступенчатых турбин решающими являются потери на торможение и на разгон крупнодисперсной влаги.

р а расширение заканчивается ниже

линии насыщения, то влияние влаги на интегральные характеристики ступении и ее КПД определяется неравновесным характером процесса. Тогда согласно формулам (2.80)—(2.82)

Если процесс расширения начинается в области слегка влажного пара (уо>0,01), то в формулах (4.41) и (4.42)

  (рис. 4.22, а); если перед ступенью пар

Если пар на входе в ступень влажный 00> 0,01-^0.02), то в сопловой решетке па стенках профиля образуется водяная пленка. Эта пленка, стекая с выходных кромок сопловых лопаток, разрывается, уносится паром по направлению к рабочим лопаткам, причем в закрученном потоке часть влаги стремится к периферии. Жидкую фазу, поступающую на рабочее колесо, можно условно разделить па несколько фракций:

а)             влага, в основном мелкодисперсная, вместе с паром проходящая через рабочую решетку почти без соприкосновения с лопатками и направляемая далее в следующую ступень или патрубок;

  частично отбрасываемая обратно в осевой зазор к сопловым лопаткам в направлении к периферии, откуда снова попадает па рабочие лопатки, и т. д. Эта влага . при ударе о поверхность лопаток отбрасывается в поток в виде мелких капель и образует пленку, частично сепарируемую благодаря центробежной силе, частично срываемую с выходных кромок рабочих лопаток.

  профилей, меридиональных обводов решетки, зазоров, наличия бандажей, проволочных связей и т. д.

правило, сильно искажает картину распределения влаги за ступенью, представленную. например, на рис. 4.23,

Обычно наибольшая степень влажности оказывается, например, за последней ступенью ЦНД в зоне 0,5 0,8 по высоте (см. ниже, рис. 5.7). В проточной части турбины и в отдельных ее ступенях имеются места повышенной влажности и существенно повышенной ее дисперсности (В и Г на рис. 4.23). Это места, где влага находится в виде струй, пленок, срывающихся с поверхностей обтекания; это следы за проволочными связями, в зоне периферийного меридионального обвода, особенно если его форма аэродинамически неблагоприятна.

Понятие круп под и сне репой влаги также не является абсолютным и зависит от ряда факторов, в частности от давления пара. Обычно считают, что в ступенях низкого давления паровых турбин крупными являются капли с </>5н-10мкм, а при давлении />>0,5 МПа с <:/> 10^-20 мкм. Дело в том, что в зависимости от давления меняется отношение плотностей пара и воды, межкапельпые расстояния и другие физические характеристики влажного пара.

Как указывалось (см. § 2.8), условно можно принять, что в ускоряющихся потоках крупной является влага, движущаяся с коэффициентом скольжения V < 0,8.

При большом коэффициенте скольжения V разница в скоростях пара и влаги и, следовательно, в углах входа на рабочие лопатки Рх и $^ окажется не столь велика и капли влаги, попадая на поверхность рабочих лопаток, не только не будут тормозить, а наоборот, могут увеличивать полезную

работу, совершаемую в ступени, хотя КПД ступени будет все же ниже, чем при работе перегретым паром. Конечно, в действительности на лопатки будут попадать капли не только разного размера, но и с разным коэффициентом скольжения V. Поэтому детальный расчет потерь от торможения требует разделения влаги на несколько групп.

Представим мощность торможения в ступени на основании уравнения Эйлера (см. §3.1):

—окружные составляющие скоростей крупнодисперсной влаги на выходе из сопловой решетки и ступени; сЮ*л— элементарный расход влаги на входе в рабочую решетку и соответственно на выходе из нее.

возрастет и расчет даст завышенные значения

, получим

  I

, получим

  подсчитываются по известному закону распределения влажности и составляют х = 0,6 -~ 1, где меньшее значение относится к последним ступеням турбины, а большее к коротким лопаткам.

, на теоретическую мощность ступени

,

получим приближенное выражение для коэффициента потерь в ступени за счет торможения:

  I

Относительные потери от разгона в осевом зазоре зависят главным образом от коэффициента скольжения ч = с /с и степени влажности ух

Если считать, что потери от разгона крупных капель в осевом зазоре, между решетками и от торможения являются основными в снижении КПД ступени при работе ее влажным паром, то

где к{ и к2—коэффициенты, согласно (4.47) и (4,48) зависящие от многих факторов и обычно определяемые из опытов.

т. е. когда согласно (4.47) потери

  можно использовать полуэмпирическую формулу МЭИ

и приближенно может быть принят равным

В свою очередь значение ХКр зависит от многих геометрических и режимных характеристик проточной части. Для многоступенчатых турбин ^кр можно оценить по формуле [48]

=3); р0 — давление пара перед ступенью, МПа.

  . С другой стороны, па экономичности по-разному отражается первичная (образовавшаяся в предыдущих ступенях) и вторичная влажность, образовавшаяся за счет расширения пара в данной ступени. Капли вторичной влаги имеют размер, на несколько порядков меньший, чем капли первичной влаги. Отставание капель влаги от скоростей парового потока тем меньше, чем меньше размер капель. Все это говорит о том, что потери, вызванные первичной влагой, больше, чем потери, вызванные влагой, только что образовавшейся.

Для предварительных расчетов проточной части, работающей влажным паром, широко распространена оценочная формула потерь от влажности

Уо и У г— влажность пара перед и за рассматриваемой группой ступеней или ступенью. Коэффициент а в зависимости от конкретных характеристик ступеней принимается а = 0,4 ч- 0,9.

Так же как и другие дополнительные потери — от трения диска, от парциального подвода, от утечек, потери от влажности снижают оптимальное отношение скоростей, при которой полный относительный внутренний КПД ступени достигает максимального значения.

Для уменьшения потерь от влажности, существенно снижающих экономичность ступени и турбины в целом, принимаются специальные меры, которые можно разделить на три группы:

1) уменьшение видимой, так называемой диаграммной влажности. Для того в турбинах электростанций, работающих на органическом топливе, наиболее эффективно повышение начальной температуры и применение промежуточного перегрева пара. Как было показано в § 1.3, при этом одновременно повышается КПД цикла. Ограничение в повышении начальной температуры пара и температуры промежуточного перегрева связано с необходимостью применять для котельной установки, трубопроводов к турбине и для турбины дорогие материалы, часто пониженной надежности, с усложнением установки, с некоторым снижением ее маневренности из-за большего времени, требуемого для пуска энергоблока, и т. п.

В турбинах, рассчитанных для работы с водоохлаждаемыми реакторами АЭС и с нового типа реакторами на быстрых нейтронах (см. § 1.6 и 10.3), применяется внешняя сепарация влаги, промежуточный перегрев пара, а также изредка переход от насыщенного к слабоперегретому пару на входе в турбину. Последнее зависит от конструкции реактора и парогенератор-ной установки. Применение сепаратора и непосредственно за ним промпароперегревагеля усложняет и удорожает турбинную установку из-за больших размеров этих аппаратов и выполнения их из качест венной стали.

Несмотря на все эти трудности современные паровые турбины большой мощности, работающие на электростанциях с органическим топливом, а также турбины, устанавливаемые на АЭС с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами и реакторами на быстрых нейтронах, всегда выполняются с промежуточным перегревом пара. Турбины АЭС с водоохлаждаемыми реакторами имеют внешнюю сепарацию; как правило, предусматривается также промежуточный перегрев пара;

уменьшение фактической влажности, в первую очередь круииодисперсной, за счет влагоудаления из проточной части турбины, в том числе из турбинных решеток. При этом надо учитывать, что удаление влаги практически неизбежно сопровождается отсосом какой-то части пара, которая тем самым не совершает полезной работы в следующей решетке или в последующих ступенях. В связи с этим желательно удаляемую влагу направлять в систему регенеративного подогрева питательной воды, сочетая влагоудаление с отборами пара. В этом случае энергия удаляемого с влагой пара полезно используется. В отдельных случаях применяется нагрев сопловых лопаток и тем самым испарение влаги, образовавшейся на их поверхности;

уменьшение вредного влияния влаги, которого можно добиться правильным проектированием ступени и выбором оптимального отношения скоростей, рациональным выбором решеток, перекрыш, зазоров, учетом особенностей течения влажного пара при расчете ступени.

Как указывалось, всевозможные срывные и вихревые потоки з решетках и в ступени в целом, ведущие к снижению КПД ступени, работающей перегретым паром, стимулируют увеличение потерь от влажности. Поэтому для уменьшения этих дополнительных потерь необходимо, или по крайней мере желательно: оптимизировать решетки применительно к заданным условиям обтекания; при транс- и сверхзвуковых скоростях, как правило, сопровождающихся отрывом пограничного слоя, повышенной пульсацией потока, применять специального типа решетки; сокращать концевые потери в решетках; стремиться к плавному очертанию меридиональных обводов; избегать проволочных связей и т. п.

Одним из методов снижения потерь от влажности является увеличение осевого зазора между сопловыми и рабочими лопатками, что ведет к выравниванию потока при входе на рабочее колесо и тем самым уменьшению потерь в нем, включая потери на торможение. Правда, за счет выравнивания потока и дополнительного разгона, проходящего на большом расстоянии, уменьшается кинетическая энергия потока на входе в рабочую решетку. Поэтому как для однофазного потока. так и для влажного пара с каждой ступени существуют оптимальное соотношение размеров и оптимальный осевой зазор. Опыты показали, что зависимость КПД ступени от осевого зазора во многих случаях очень полога.

К сожалению, пока еще не накоплен достаточный экспериментальный материал и не решен ряд теоретических задач движения влажного пара в турбинной ступени, чтобы количественно оптимизировать турбинную ступень, работающую влажным паром. Пока приходится обходиться учетом качественного влияния ряда режимных и геометрических факторов на экономичность влажнопаровой ступени.

Двухфазность рабочей среды сказывается не только на КПД ступени и коэффициентах расхода ее решеток, но и на степени реактивности. Ступень, рассчитанная для работы перегретым паром, при влажном паре имеет повышенную степень реактивности. Этот вопрос рассматривается в.