Выбор типа регулирующей ступени и её теплоперепада

В турбинах с сопловым парораспределением первая ступень, работающая с изменяющейся степенью парциальности при изменении расхода пара, называется регулирующей. Сопла регулирующей ступени объединены в группы, расположенные в сопловых коробках. Каждая сопловая коробка сообщается со своим регулирующим клапаном. Обычно турбина имеет четыре регулирующих клапана, следовательно, четыре сопловых коробки, четыре группы сопел. При сопловом парораспреде-лении регулирующие клапаны работают последовательно, поэтому по мере открытия или прикрытия клапанов изменяется число активных сопел, следовательно, изменяется степень парциальности ступени. И даже при всех полностью открытых клапанах степень парциальности регулирующей ступени меньше единицы за счет промежутков между сопловыми коробками. Регулирующая ступень конструктивно отделена от последующих ступеней. Это обеспечивает интенсивное перемешивание пара и относительно равномерное распределение его по окружности последующих ступеней, что способствует их нормальной работе. На регулирующую ступень назначается повышенный теплоперепад. Регулирующие ступени могут иметь один или два ряда рабочих лопаток. Отсюда их название: одно- или двухвенечные. Каждый тип имеет свои достоинства и недостатки. Одновенечная ступень при расчетном режиме имеет более высокий КПД (η_oi= 0,78–0,82), чем двухвенечная, но при частичных нагрузках её КПД падает более интенсивно. КПД двухвенечной ступени ниже (η_oi = 0,75–0,78), но устойчивее при частичных нагрузках. Двухвенечная ступень способна переработать значительно более высокий теплоперепад, чем одновенечная, что позволяет снизить число нерегули-руемых ступеней турбины, упростить её конструкцию, а также снизить утечку пара через переднее концевое уплотнение. Высокий теплоперепад двухвенечной ступени способствует увеличению удельного объема пара в первых нерегулируемых ступенях, что обеспечивает увеличение высоты лопаток и степени парциальности. А это, в свою очередь, повышает КПД этих ступеней. Кроме того, высокий теплоперепад двухвенечной ступени обеспечивает снижение температуры пара, что позволяет применять более дешевые стали для головной части турбины. С другой стороны, высокий теплоперепад, назначаемый на двухвенечную ступень с пониженным КПД, приводит к некоторому снижению КПД всей турбины. Для одновенечных ступеней со средним диаметром 1,0–1,1 м оптимальное значение тепло-перепада составляет 80–120 кДж/кг, а для двухвенечных – 150–250 кДж/кг.

Тип регулирующей ступени, а, следовательно, и теплоперепад, выби-раются в зависимости от типа и назначения проектируемой турбины. Турбина большой мощности, которую целесообразно использовать как базовую, должна иметь максимальный КПД на расчетном режиме. Для неё следует выбирать одновенечную регулирующую ступень, хотя это приве-дет к некоторому усложнению и удорожанию конструкции. Турбина малой мощности может проектироваться как полупиковая, или пиковая. Здесь большое значение имеет устойчивость её КПД при нерасчетных режимах и более низкая стоимость. Поэтому для такой турбины следует выбирать двухвенечную ступень [1, 2]. На практике двухвенечные ступени приме-няются в турбинах малой мощности, в турбинах с противодавлением и с регулируемыми отборами пара.

Для выбранного типа регулирующей ступени задаются характерис-тическим отношением скоростей U/C_a (отношением окружной скорости к фиктивной), которое определяет уровень КПД проектируемой ступени. Для одновенечных ступеней его оптимальное значение обычно составляет (U/C_a)_opt = 0,4–0,43, а для двухвенечных – (U/C_a)_opt = 0,26–0,33 (бóльшие значения – для мéньших теплоперепадов ). Парциальный подвод, а также малая высота лопаток несколько снижают (U/C_a)_opt.

Выбранный теплоперепад регулирующей ступени откладывается на диаграмме H–S от точки (рис. 2, 3), после чего оцениваются размеры ступени в следующем порядке:

фиктивная скорость, м/с:

;

окружная скорость, м/с:

;

средний диаметр ступени, м:

,

где n = 3000 об/мин.

Минимальное значение d^рс = 0,8 м, максимальное – 1,1 м; если диаметр выходит из этого интервала, следует перезадаться теплоперепадом или значением (U/C_a)_opt;

теплоперепад сопловой решетки, кДж/кг:

где ρ_Т – суммарная степень реактивности; для одновенечных ступеней ρ_Т = 0,03–0,07, для двухвенечных – ρ_Т = 0,06–0,12;

абсолютная теоретическая скорость истечения из сопел, м/с:

проходная площадь сопловой решетки, м²:

где – удельный объем за сопловой решеткой регулирующей ступени, м³/кг, рис. 3; μ₁ – коэффициент расхода сопловой решетки, первоначально принимается μ₁ = 0,97;

произведение степени парциальности и высоты сопловых лопаток, м:

где эффективный угол сопловой решетки принимается α_1эф= 11–12 º;

степень парциальности:

где a = 0,5 для одновенечной ступени и 0,33 – для двухвенечной;

высота сопловых лопаток, м:

.

Минимально допустимые значения высоты лопаток мм, степени парциальности e^min = 0,2. Если найденные значения l₁ и e_opt окажутся меньше минимально допустимых, следует снизить теплоперепад и повторить расчет. Если же теплоперепад достиг минимального уровня 65–70 кДж/кг, то для обеспечения приемлемых размеров следует снизить отношение U/C_a по сравнению с (U/C_a)_opt. При этом КПД регулирующей ступени также несколько снизится.