Тема №9. Проектирование турбинной ступени и ее расчет по среднему диаметру

Данный расчет является первым этапом проектирования ступени и, по существу, предварительным.

Ниже будет показано, что за счет центробежных сил, которые отбрасывают поток от корневого сечения к периферийному, параметры рабочего тела по высоте ступени могут существенно меняться (изменяются условия течения). Поэтому обычно расчет начинается с расчета по среднему диаметру, т.к. параметры потока на среднем диаметре наиболее близки с среднемассовым.

Цель расчета по среднему диаметру состоит в определении основных геометрических размеров ступени, предварительной оценке её мощности и КПД, построении хода процесса расширения рабочего тела в h,S - диаграмме.

В ходе расчета по среднему диаметру, как будет показано ниже, закладывается, прежде всего, экономичность ступени за счёт выбора характеристик ступени близких к оптимальным.

При расчете ступени следует считать заданными:

- расход и начальные параметры рабочего тела и , а также скорость и направление потока на входе в ступень ;

- частоту вращения ротора , об/мин;

- теплоперепад, приходящийся на ступень , или параметры рабочего тела на выходе из ступени и .

Целый ряд параметров должен быть выбран конструктором на основании опыта проектирования, имеющегося технического задания, производственных возможностей производства и т.д.:

- степень реактивности ступени на среднем диаметре;

- коэффициенты скорости и ;

- угол выхода потока из соплового аппарата .

Если расчет проводится для одной из промежуточных ступеней, то она должна рационально вписываться в проточную часть всей турбины.

Более детально расчет ступени рассматривается в ходе курсового проектирования. Здесь нет смысла повторять все этапы расчета. Поэтому остановимся на некоторых моментах, которые будут определять основные характеристики ступени.

Выбор степени реактивности

Как мы уже знаем, все ступени принципиально делятся на активные и реактивные.

Турбины также могут быть активными или реактивными.

Выбор степени реактивности ступени предопределяет конструкцию ступени (и турбины в целом), её мощность и экономичность.

Каждый из этих типов турбин имеет свои конструктивные особенности и требует соответствующей технологической оснастки для производства. По этой причине совмещение этих конструкций в условиях одного завода – явление крайне редкое.

Таким образом, выбор степени реактивности ступени – это выбор типа ступени, которые предопределяет конструкцию всей турбины.

Активные ступени проектируются со степенями реактивности на среднем диаметре 0,05…0,25.

Активные ступени, хотя и имеют более низкую экономичность по сравнению с реактивными, но обладают своими преимуществами: срабатывают больший теплоперепад, позволяют выполнять роторы дисковой конструкции и т.д. Активные ступени с постоянной по высоте реактивностью до сих пор используются преимущественно в цилиндрах высокого и среднего давления (ЦВД и ЦСД) паровых турбин.

Реактивные ступени (степень реактивности r 0,25…0,50) имеют более высокую экономичность. В настоящее время имеется тенденция к более широкому использованию реактивного облопачивания как в газовых, так и в паровых турбинах.

При выборе значения степени реактивности на среднем диаметре необходимо учитывать, что в корневом сечении её значение не должно быть меньше 0,03 - 0,05. При меньшем значении не исключено, что при отклонениях при изготовлении лопаток, а также при работе на нерасчетном режиме, в таких каналах будет иметь место отрицательная степень реактивности, которая сопровождается обратными токами в ступени и резким ростом потерь.

Выбирая степень реактивности, следует иметь ввиду, что с ростом степени реактивности растет конфузорность рабочих каналов, а значит улучшаются условия обтекания рабочих решеток. Однако за счет увеличения теплоперпада на рабочую решетку возрастают перетечки пара через радиальный зазор, что снижает эффективность ступени.

С ростом степени реактивности возрастает осевое усилие на лопатки и диски, что делает необходимым выполнение роторов барабанного типа.

Кроме того, реактивные ступени срабатывают теплоперепад меньше, чем ступени активные, поэтому число ступеней в реактивных турбинах больше в 1,5-2 раз, что значительно удорожает себестоимость турбоагрегата.

Выбор угла выхода потока из сопел

Угол выхода потока рабочего тела из сопел, как правило, изменяется в диапазоне = 11 - 25°.

При выборе угла выхода потока из сопловой решетки следует иметь в виду, что уменьшение угла позволяет увеличить высоту лопаток, что при малой высоте лопаток сопровождается уменьшением потерь в лопаточных каналах. С другой стороны, уменьшение угла (особенно при < 11^о) ведет к увеличению потерь в осевом зазоре между сопловыми и рабочими решетками, так как увеличивается путь протекания пара в зазоре и увеличивается снос потока к периферии. Поэтому существует понятие некоторого эффективного угла выхода .

При малых объёмных расходах рабочего тела, когда для повышения экономичности стремятся увеличить высоты лопаток, значения принимаются минимально возможными (11 - 14°). В остальных случаях могут быть приняты более высокие значения .

Выбор характеристического коэффициента

После выбора степени реактивности, угла выхода потока из сопловой решетки и коэффициентов скоростей оптимальное значение характеристического коэффициента может быть подсчитано по известной формуле:

.

В чем же может заключаться выбор характеристического коэффициента?

Во многих случаях ступени срабатывают не оптимальный теплоперепад, а увеличенный. Делается это, как правило, с точки зрения технологичности и прочности: при срабатывании большого теплоперепада температура рабочего тела падает более существенно, что позволяет использовать в последующих ступенях более дешевые материалы, позволяет снизить количество ступеней турбины. Применительно к газовым турбинам срабатывание больших теплоперепадов в первых ступенях позволяет не выполнять последующие ступени охлаждаемыми.