Потери энергии от влажности пара и неучтенные потери

а) Потери энергии от влажности пара

В корабельных турбинах часть ступеней (последних) работает в области влажного пара (так, для ГТЗА-615 на номинальном режиме работы образуется 8000 кг/ч воды). Это вызывает дополнительные потери энергии, которые обусловлены следующими основными факторами:

- затратой кинетической энергии парового потока на разгон и перенос капель воды, имеющих меньшую скорость, чем частицы пара;

- торможением рабочего венца при ударе капель воды о выпуклую поверхность рабочих лопаток;

- переохлаждением пара и появлением скачков конденсации;

- уменьшением массы пара, производящего полезную работу, ввиду его конденсации.

При движении влажного пара в направляющей решетке капли воды под действием центробежных сил отбрасываются к вогнутой поверхности лопаток (рис.54), где образуется водяная пленка. Скорость движения этой пленки значительно меньше скорости паровой среды. Частицы воды подхватываются и дробятся ядром потока, скорость их увеличивается, на что затрачивается часть кинетической энергии потока. В рабочей решетке частицы воды, кроме того, под действием центробежных сил от вращения рабочих лопаток отбрасываются к периферии лопаток (рис.55), что также вызывает потери энергии.

Выходя из направляющей решетки, капли воды имеют значительно меньшую скорость С_1в, чем скорость паровой фазы С₁. С учетом переносной окружной скорости рабочего венца направление относительного движения капель (угол β_1в) существенно отличается от направления парового потока (угол β₁). Капли воды ударяют в выпуклую поверхность рабочих лопаток и тормозят вращение рабочего венца (рис.56).

Ввиду большой скорости движения парового потока в проточной части турбины расширение пара происходит очень быстро, что вызывает его переохлаждение – такое состояние пара, когда температура его становится меньше температуры насыщения, соответствующей местному давлению. Это явление характерно для ступеней, работающих в области влажного пара. Переохлаждение пара – это неравновесное состояние, за которым следуют так называемые скачки конденсации, сопровождаемые резким выделением теплоты парообразования и изменением других параметров пара, что возмущает паровой поток и вызывает дополнительные термодинамические потери энергии.

Величина потери от влажности пара учитывается коэффициентом потери ς. Экспериментально установлено, что 1% влаги уменьшает КПД ступени примерно на 1%. Установлено также, что коэффициент потери от влажности зависит от режима работы турбины и может быть определен по экспериментальной формуле

(2.8.8)

где х – степень сухости пара за рабочим венцом;

С_ф– фиктивная скорость парового потока, соответствующая теплоперепаду .

(2.8.9)

Удары капель о спинки лопаток в районе входных кромок вызывают их эрозию (механическое разрушение – язвины), что понижает их прочность, увеличивает шероховатость поверхности, изменяет форму профилей и каналов и увеличивает потери. Заметно эрозия проявляется при влажности пара 6–7% и прогрессирует при дальнейшем увеличении влажности. Допустимая влажность пара в области последней ступени турбины 10–12%. Потеря от влажности определяется по формуле

q_{x =} ζ_{x Lu} (2.8.9)

Для уменьшения влажности в районе последних ступеней турбин, работающих в области влажного пара, имеются специальные влагоулавливающие устройства – кольцевые камеры в корпусе турбины за рабочими лопатками (рис.57). Влага под действием центробежных сил отбрасывается к периферии лопаток и попадает в кольцевые камеры, которые в нижней своей части имеют отверстия для отвода воды в конденсатор (в область отработавшего пара). Такие влагоулавливающие устройства уменьшают влажность пара на 25–30%. Уменьшение влажности в некоторых турбинах производится путем подвода перегретого пара к ступеням, работающим на влажном. Например, в турбинах второго поколения перегретый пар из камеры думмиса подводится через специальные трубы к последним ступеням. Кроме того, для направления и более полного удаления влаги используются канавки вдоль профильной части рабочих лопаток, а сопловые (направляющие) лопатки последних ступеней турбины могут выполняться полыми с отсосом влаги через специальные сверления в корпусе в выхлопную полость турбины.

Для более полного удаления влаги в турбинах, все ступени которых работают в области влажного пара (для установок с ППУ кипящего типа), возможна установка выносных сепараторов.

Для защиты лопаток от эрозии, наряду с влагоулавливающими устройствами, производят упрочнение спинок лопаток в районе входных кромок рабочих лопаток (рис.58), наиболее подверженных эрозии. В отечественном турбостроении широкое распространение получил метод электроискрового упрочнения. На поверхность лопатки наносится тонкий слой износоустойчивого металла от электродов, например, сплав Т15К6 (79% – карбида вольфрама, 6% – кобальта, 15% – карбида титана). Эрозионная стойкость поверхности лопатки при этом повышается в 7–8 раз.

При эксплуатации турбоагрегатов снижение температуры пара перед маневровым устройством является причиной повышения влажности пара в проточной части турбины. Область влажного пара распространяется на большее число ступеней, происходит интенсивный эрозионный износ поверхностей лопаток. Кроме того, снижение температуры пара перед маневровым устройством и повышение влажности пара в ступенях может вызвать вибрацию турбины и повреждение лопаточного аппарата.

б) Неучтенные потери

Под неучтенными потерями понимают совокупность потерь энергии, составляющих разность расчетного значения КПД ступени и полученного во время испытаний.

Практика показывает, что КПД ступени, полученный расчетным путем, обычно оказывается на 2–3% выше, чем КПД, полученный опытным путем при испытании ступени. Это несоответствие опытных и расчетных данных объясняется, в основном следующими факторами:

- нестационарность потока на входе в лопаточный венец, наблюдаемая в реальной турбинной ступени и не учитываемая при определении аэродинамических характеристик решеток в обычных условиях на неподвижных моделях;

- трехмерный характер течения среды в пограничном слое на лопатках при вращении ротора;

- конструктивными особенностями ступени (наличие перекрышей и др.);

- неравномерность полей скоростей в близи торцевых стенок на входе в реальный лопаточный венец;

- некоторые различия в течении в плоских и кольцевых решетках и др.

Естественно, что оценка неучтенных потерь энергии носит весьма приближенный характер и в отдельных случаях может рассматриваться как некоторый «запас» по экономичности ступени, закладываемый в расчет.

Коэффициент неучтенных потерь оценивается в пределах ς_н =0,02…0,03.

Неучтенные потери определяются по формуле

q_н = ς_нL_и (2.8.10)

Таким образом, в общем случае, в сумму внутренних потерь, не учитываемых КПД на окружности, должны быть включены следующие потери

(2.8.11)

В частном случае отдельные составляющие этой суммы будут равны нулю.