Предварительный расчет ЧВД
ЧВД всегда проектируется с постоянным корневым диаметром dk = const. Проектирование начинается с определения средних диаметров первой и последней нерегулируемых ступеней отсека. В первых нерегулируемых ступенях главной задачей является обеспечение доста-точной высоты лопаток (l2 ≥ 12мм) и по возможности полного подвода пара (е = 1), чему способствует уменьшение среднего диаметра. Но умень-шение диаметра сопровождается общим снижением теплоперепадов, что приводит к увеличению числа ступеней и удорожанию турбины. Поэтому в первых ступенях турбин малой мощности нередко приходится исполь-зовать парциальный подвод пара (е < 1).
Одновременно с расчетом строится процесс расширения ЧВД. Точка А1 на рис. 4 соответствует состоянию за регулирующей ступенью, рис. 3. Особое внимание необходимо уделять тщательному определению пара-метров пара по H–S диаграмме. Лучше всего их определять с помощью электронных таблиц или подпрограмм.
Диаметр первой ступени можно оценить, используя примеры турбин подобного типа или следуя конкретному прототипу [1, 2]. В упрощенной постановке его можно принять несколько меньше диаметра регулирующей ступени:
где ∆d = 50–100 мм. Обычно 
= 0,8–1,0 м.
Степень реактивности первой ступени задается в интервале ρТ = 0,05–0,10; угол α1эф= 10–11º; коэффициенты скорости и расхода сопловой решетки φ = 0,93–0,96, μ1 = 0,96–0,98. Тогда оптимальное отношение скоростей:
.
Теплоперепад первой ступени, кДж/кг:
.
Теоретическая скорость истечения из сопловой решетки, м/с:
где 
– теплоперепад сопловой решетки.
Рис. 4. Процесс расширения ЧВД
Площадь проходного сечения сопловой решетки первой ступени, м2:
где 
– удельный объем пара за сопловой решеткой, определяется при построении процесса расширения первой нерегулируемой ступени ЧВД, рис. 4; μ1 – коэффициент расхода сопловой решетки, первоначально принимается μ1 = 0,97.
Высота сопловой решетки, м:
.
Здесь степень парциальности подбирается такой, чтобы обеспечить высоту 
≥ 12 мм.
Высота рабочей решетки, м:
,
где ∆=∆1 + ∆2 = 3 мм – суммарная перекрыша.
Корневой диаметр первой ступени, м:
.
Корневой диаметр, как уже упоминалось выше, принимается постоянным во всех ступенях ЧВД, т. е. 
= const.
Средний диаметр последней ступени ЧВД определяется по упрощен-ному уравнению неразрывности:
где 
– искомые значения среднего диаметра и высоты лопаток последней ступени; 
– удельные объемы за первой и последней ступенями отсека ЧВД, рис. 4; е1 и еz – степень парциальности первой и последней ступеней ЧВД соответственно. Если в первой ступени степень парциальности е1 < 1, то в последней ступени ее следует увеличить по возможности до еz = 1; удельные объемы пара следует определять очень точно, лучше по электронным таблицам или подпрограммам, так как от этого зависят размеры лопаток.
В этом уравнении два неизвестных: средний диаметр 
и высота 
. Средний диаметр выражается через известный корневой диаметр и высоту лопаток:
.
Подставив это выражение в предыдущую формулу, получают квад-ратное уравнение уже с одним неизвестным, . Найдя высоту , опреде-ляют средний диаметр по вышеприведенной формуле. Разность высот лопаток первой и последней ступеней отсека 
и должна обеспечить во всех ступенях необходимые перекрыши (табл. I.1). Иначе следует несколько увеличить найденные размеры последней ступени и .
Степень реактивности последней ступени:
,
где 
= 0,03–0,05 – степень реактивности в корневом сечении.
Угол 
принимается в диапазоне 11–12º.
Отношение скоростей:
.
Затем определяется число ступеней ЧВД и их теплоперепады. Для этого используется расчетно-графический способ, рис. 5. Отложив на диа-грамме базу произвольной длины, условно обозначающую длину проточ-ной части ЧВД, откладывают по краям базы в масштабе отрезки и , 
и 
а также 
и 
. Концы отрезков соединяют пря-мыми линиями. Проводят также линию dк= const. Разделив базу диаграм-мы на 4 равные части, получают пять условных ступеней, для каждой из которых определяют по диаграмме значения средних диаметров 
и 
. По ним определяют теплоперепад для каждой ступени, кДж/кг:
.
Затем находят среднеарифметический теплоперепад одной ступени ЧВД:
и число ступеней:
Здесь 
– теплоперепад нерегулируемых ступеней ЧВД, кДж/кг, рис. 2, 4; q – коэффициент возврата тепла, первоначально принимается q = 0,02–0,03.
После первоначального определения числа ступеней коэффициент возврата тепла уточняется по формуле:
где kt = 4,8·10–4 – для перегретого пара, 2,8·10–4 – для влажного пара и 3,2·10–4 – для насыщенного и влажного пара.
С использованием найденного коэффициента возврата тепла число ступеней уточняется по вышеприведенному выражению. Значение Z округляют до ближайшего целого числа и делят базу диаграммы на (Z – 1) частей. Определив по диаграмме значения средних диаметров и 
для этих ступеней, вычисляют их теплоперепады:
.
Для первой нерегулируемой ступени k0 = 1, для промежуточных ступеней k0= 0,92–0,96. Затем находят сумму теплоперепадов всех ступеней 
, которую сравнивают с известным располагаемым тепло-перепадом нерегулируемых ступеней ЧВД с учетом возврата тепла:
Чтобы обеспечить равенство левой и правой части, определяют невязку теплоперепада для каждой ступени:
и корректируют теплоперепады каждой ступени:
Если число ступеней ЧВД Z получается намного выше, чем у про-тотипа, его целесообразно сократить. Для этого можно увеличить диаметр первой нерегулируемой ступени, что, естественно, приведет к увеличению диаметров всех ступеней и увеличению их теплоперепадов. Более простой способ – это снижение фактического значения (U/Ca)факт для всех ступеней по сравнению с оптимальным (U/Ca)opt (рис. 5). Конечно, это приведет к некоторому снижению КПД ступеней. Но для турбин малой мощности снижение числа ступеней, а значит, снижение стоимости обычно важнее максимального КПД. Затем повторяют определение числа ступеней по вышеприведенной методике.
Рис. 5. Диаграмма для определения числа ступеней