Многоступенчатые турбины

Для привода генераторов электрического тока большой мощности применяют паровые

турбины высокой экономичности. Такие турбины выполняются многоступенчатыми.

Принципиальное различие между многоступенчатыми активными и реактивными турбинами, которое было очень заметным в первый период развития турбостроения, впоследствии значительно сгладилось и многие современные паровые турбины часто выполняются с активными ступенями в области повышенного давления пара и с реактивными ступенями в части низкого давления.

Тем не менее, по конструктивным признакам разделение между активными и реактивными турбинами во многих случаях сохранилось до сих пор.

Также сохранились и некоторые особенности в методах проектирования тех или других турбин. Поэтому в дальнейшем мы оставим условное деление между активными и реактивными турбинами. Однако, говоря о турбинах активных, будем допускать в них и ступени, работающие со значительной степенью реакции. Под реактивными подразумеваются турбины, имеющие в большинстве ступеней реакцию ρ=0,5.

На рисунке показана конструктивная схема проточной части многоступенчатой активной турбины.

На общем валу посажены ряд дисков 1, на периферии которых располагаются рабочие лопатки. Диски разделены диафрагмами 2, в которых установлены сопловые лопатки 3. В сопловых решетках происходит расширение пара. Элемент турбины, состоящий из диафрагмы и последующего диска с рабочими лопатками, образующими рабочую решетку, представляет ступень активной турбины. Диафрагмы двух соседних ступеней образуют камеру, в которой располагается диск, несущий рабочую решетку.

Во многих турбинах применяется сопловое парораспределение. При этом первая ступень при изменении пропуска пара работает с изменяющейся парциальностью и в этом отношении отличается от последующих ступеней турбины. Такая ступень называется регулирующей ступенью и выполняется при относительно малых расчетных перепадах тепла в виде одновенечной активной ступени, при значительных теплоперепадах – в виде двухвенечной ступени скорости.

В многоступенчатой турбине полный располагаемый перепад тепла от начального состояния пара до давления в выходном патрубке распределяется между последовательно расположенными ступенями турбины. Т.о., каждая из ступеней перерабатывает лишь часть общего теплоперепада, приходящегося на всю турбину.

На рисунке представлены графики изменения давления пара и скоростей парового потока по отдельным ступеням активной турбины. Подводимый к турбине пар протекает через стопорный и регулирующие клапаны. Это течение сопровождается потерями, так что давление пара Р₀ перед сопловой решеткой регулирующей ступени несколько ниже (на 4-6 %), чем давление перед стопорным клапаном турбины. В сопловой решетке первой ступени пар расширяется от давления Р₀ до давления Р₁,за счет чего скорость при истечении из сопловой решетки возрастает до С₁.

Основная часть кинетической энергии парового потока преобразуется при протекании рабочей решетки регулирующей ступени в энергию вращения ротора турбины, так что при выходе из рабочих лопаток паровой поток имеет уже незначительную скорость С₂. Т.о., расширение пара продолжается в последующих ступенях до тех пор, пока не будет достигнуто давление Р_к в выходном патрубке турбины. В ступенях высокого и среднего давления активной турбины обычно допускается невысокая степень реакции. В ступенях низкого давления реакция увеличивается.

Линия ав в диаграмме на рисунке показывает изменение вращающего момента на валу турбины. Моменты, передаваемые диском каждой последующей ступени, суммируются с крутящими моментами предыдущих ступеней, так что величина моментов постепенно возрастает и суммарный момент М соответствует суммарной мощности Р, которую причастоте вращения ω турбина передает ротору, соединенного с ней генератора электрического тока

Р = 10^-3М·ω кВт

Небольшой отрицательный момент на переднем конце вала определяется затратой мощности на привод масляного насоса, расположенного в картере переднего подшипника.

На рисунке показан в is диаграмме процесс расширения пара в многоступенчатой активной турбине. Процесс состоит из последовательных процессов отдельных ступеней, причем конечное состояние предыдущей ступени является начальным для следующей. Ступени низкого давления предполагаются выполненными со значительной реакцией на среднем диаметре.

По мере расширения пара и понижения его давления растут удельные объемы пара. Для пропуска возрастающих объемов приходится постепенно от ступени к ступени увеличивать проходные сечения сопловых и рабочих решеток, что в основном достигается увеличением диаметров ступеней и высот лопаток.

При большом числе ступеней приходится размещать их в двух или нескольких цилиндрах.

На рисунке показана конструктивная схема проточной части реактивной турбины. Если в реактивной турбине применено сопловое парораспределение, то первая (регулирующая) ступень выполняется активной. Активная одновенечная регулирующая ступень показана и на рисунке.

В реактивных турбинах за регулирующей ступенью помещаются реактивные ступени, которые выполняются всегда с полным подводом пара. Если в активных турбинах малой мощности можно применять парциальный подвод пара в первых нерегулируемых ступенях, то для реактивных турбин такая возможность исключается.

Рабочие лопатки реактивных ступеней устанавливаются непосредственно на барабане, а сопловые лопатки крепятся в корпусе турбины или в обоймах.

Расположение сопловых лопаток в диафрагмах, а рабочих на дисках в реактивной турбине привело бы к большим осевым усилиям, действующим на ротор, увеличению осевых габаритов турбины и ее удорожанию.

На рисунке приведены графики изменения давлений и скоростей пара в реактивной турбине.

На рисунке построен процесс расширения пара в реактивной турбине в is диаграмме.

Поскольку расширение пара происходит как в сопловых, так и рабочих решетках, то изменение состояния пара при его расширении изображается непрерывной плавной кривой. В связи с большими значениями u/С₁ реактивные ступени при той же окружной скорости u перерабатывают меньший теплоперепад, чем активные, и число их в многоступенчатой турбине больше.

Разбивка общего теплоперепада между отдельными ступенями, которая осуществляется в многоступенчатых турбинах, создает ряд преимуществ, позволяющих достигнуть высокого к.п.д. всей многоступенчатой турбины.

Основные преимущества многоступенчатой турбины заключается в следующем:

С применением значительного числа ступеней можно для каждой ступени выбрать небольшой теплоперепад, чтобы даже при умеренных окружных скоростях рабочих лопаток обеспечить значение u/С₁, при которых к.п.д. отдельных ступеней достигают максимума.

Уменьшение скорости истечения пара и связанное с этим уменьшение диаметра ступени (при заданной частоте вращения) приводит к увеличению высоты сопловых и рабочих лопаток или к увеличению степени парциальности в тех ступенях, которые работают с малыми объемными расходами пара, как, например, ступени, расположенные в области значительных давлений пара, где удельные объемы пара невелики. В связи с этим даже при мощностях турбины 4000-6000 кВт и частоте вращения n = 50 с^-1 во всех ступенях турбины, за исключением регулирующей, обычно, удается обеспечить степень парциальности, равную единице, и достаточную высоту сопловых и рабочих лопаток.

В регулирующей ступени степень парциальности не достигает единицы, так как наличие стенок, отделяющих одну сопловую группу от другой, заставляет сохранять промежутки между сопловыми группами, уменьшающие степень парциальности. Даже если пар в регулирующей ступени подводится по всей окружной скорости, степень парциальности в ней составляет не более 0,8-0,96.

Достижение полной парциальности и достаточной высоты лопаток нерегулируемых ступеней многоступенчатых турбин является очень существенным фактором повышения к.п.д. турбины.

При удачном очертании проточной части кинетическая энергия потока пара, покидающего ступень турбины, может быть частично или полностью использована в последующей ступени. Т.о., выходная скорость полностью теряется обычно лишь в регулирующей и последних ступнях турбины и ее отдельных цилиндров.

Потеря энергии в каждой ступени турбины, как это видно из is диаграммы на рисунках, вызывают повышение температуры пара перед последующими ступенями. Это обстоятельство приводит к тому, что фактический располагаемый теплоперепад для какой-либо промежуточной ступени, например, теплоперепад h₀₃ для третьей ступени, взятый между изобарами р’ и р”, несколько превышает тепловой перепад h’₀₃ между теми же изобарами, взятый по основной изоэнтропе. Т.о., потери в предыдущей ступени вызывают увеличение перепада тепла в последующих ступенях

В результате сумма располагаемых тепловых перепадов в многоступенчатой турбине, работающей с потерями, больше, чем располагаемый теплоперепад, взятый для всей турбины по основной изоэнтропе Н₀.

Возможность частичного использования потерь предыдущих ступеней в последующих ступенях также является существенным преимуществом многоступенчатой турбины.

- В многоступенчатой турбине могут быть выполнены отборы пара для регенеративного подогрева питательной воды, что позволит существенно повысить экономичность теплового цикла.

- За счет малых скоростях течения пара падают потери на лопатках и в соплах

- При малых теплоперепадах возможно применение суживающихся сопел, в которых поток более устойчив.

Недостатки:

- Из-за малых скоростей высоты сопел и рабочих лопаток возрастают, а это приводит к снижению концевых потерь.

- Снижение u приводит к снижению потерь на трение.

Наряду с этим в многоступенчатой турбине возникают дополнительные потери, которые не имеют в этих турбинах существенного значения. Так, например, потери от перетекания пара, которыми можно пренебрегать в одноступенчатых турбинных, в многоступенчатых турбинных сказываются иногда довольно сильно.

Поскольку давление в камере регулирующей ступени выше атмосферного, часть пара, вышедшего из сопловых групп регулирующей ступени, вытекает через уплотнения из камеры ступени и не принимает участия в работе последующих ступеней. Кроме того, утечка пара происходит также через уплотнения промежуточной диафрагмы, так что не все количество пара, идущего к последующим ступеням турбины, проходит через сопла диафрагмыи приобретает в них кинетическую энергию. В ступенях, работающих с реакцией, возникает также утечка пара через радиальные зазоры рабочих лопаток. Наличие этих утечек может привести к значительному снижению к.п.д. ступени, особенно в тех ступенях, которые работают с небольшими объемными пропусками пара. При правильном выборе конструкции удается снизить эти добавочные потери и обеспечить в многоступенчатой турбине высокий к.п.д.

Теория одноступенчатой активной и одноступенчатой реактивной турбины целиком применима и к расчету многоступенчатых турбин. Однако имеются и некоторые особенности, требующие специального учета (коэффициент возврата тепла, использование выходных скоростей и т.д.). Кроме того в многоступенчатых турбинах несколько усложняется зависимость к.п.д. η_u и η_i от скоростей С₁ и u.