Коэффициент полезного действия ступени при изменении режима ее работы

Изменение режима ступени влияет на ее экономичность. Это влияние зависит от расчетных параметров ступени, т.е. отношения скоростей , реакции ρ₀ и отношения давления , от подбора решеток и других геометрических и конструктивных характеристик ступени

Если ступень проектировалась так, чтобы в расчетных условиях обеспечить максимально возможный к.п.д. η_oi, то, естественно, что изменение режима должно привести к снижению к.п.д. Однако по условиям технико-экономической оптимизации и унификации, требованиям малого изменения к.п.д. в широком диапазоне нагрузок ступень может проектироваться и на условиях, не соответствующих наивысшему к.п.д. В этом случае отклонение от расчетного ретржима могут привести и к повышению экономичности.

Представим относительный внутренний к.п.д. η_oi, ступени через отдельные потери, отнесенные к располагаемому теплоперепаду ступени

(1)

Рассмотрим раздельно влияние отношения скоростей , отношения давлений .

1. Влияние отношения скоростей на к.п.д. ступени η_oi. при = const

Изменение отношения скоростей при = const., например, при постоянном

теплоперепаде и переменной частоте вращения, сказывается на к.п.д. ступени вследствие:

а) изменения потери с выходной скоростью за счет изменения угла α₂ и, следовательно,

величины С₂. Если ступень спроектирована на α₂₀ = 90^о, то как уменьшение, так и увеличение в равной мере скажется на , т.к.при α₂₀ = 90^о С₂ = min.

Однако часто, особенно при небольшой мощности, ступени проектируются на угол

α₂₀ < 90°, что объясняется уменьшением оптимального отношения скоростей за счет дополнительных потерь и упрощением при этом конструкции турбины. В этом случае понижение скажется на больше, чем такое же повышение . Изменение же вызовет соответствующее изменение в зависимости от . На рисунке представлена зависимость отдельных составляющих потерь и относительно лопаточного к.п.д. ступени от изменения отношения скоростей при = const для активной ступени с

На рисунке та же зависимость для реактивной ступени с

Относительная потеря с выходной скоростью (кроме ступеней низкого давления) примерно равна: и, следовательно, меньше при малых значениях угла α₁ и большей степени реакции

б) изменение угла входа в рабочую решетку β₁ и влияния его на потери в рабочей решетке.

Как уже отмечалось, с изменением отношения изменяется величина и направление относительной скорости входа потока в рабочее колесо (т.е. W₁ и β₁).

Потери в активной ступени будут меняться в большей мере, чем в реактивной. Это объясняется, во-первых, разным влиянием изменения на ρ (для различных расчетных степеней реакции влияние изменения различно), во-вторых, большим влиянием изменения угла β₁ при малых β₁₀, приемлемых активным ступеням. Особенно велико влияние уменьшения угла β₁ на в ступени с короткими лопатками из-за существенного увеличения концевых потерь в рабочей решетке.

Кроме того, изменение вызывает соответствующее изменение конфузорности течения в рабочих решетках. При β₁₀ < 90° уменьшение приводит к снижению реакции и уменьшению конфузорности. При ρ < 0 поток в рабочей решетке становится диффузорным, что особенно неблагоприятно. Вследствии этих причин уменьшение в большей мере, чем увеличение , сказывается на потере , которая при этом возрастает. С увеличением потеря может даже сократиться.

в) изменения потерь в сопловой решетке за счет изменения теплоперепада ее .

Чем больше , тем больше ρ и, следовательно, меньше .

г) изменение потерь трения диска , пропорциональных .

д) изменение потерь от утечек , косвенно зависящих через реакцию от . В ступенях активного типа увеличение реакцию, как отмечалось ранее, в случае, если β₁₀ < 90°. При этом в ступенях относительно небольшой высоты будет возрастать утечка над рабочими лопатками. В ступенях умеренной и большой верности, наоборот, у периферии угол β₁₀ > 90° и увеличение или почти не скажется на реакции у периферии, или даже приведет к некоторому ее снижению.

е) изменение потерь, связанных с парциальным подводом пара. Эти потери зависят от , увеличиваясь с ростом отношения скоростей.

ж) изменения потерь от влажности.

Как было показано ранее, эти потери возрастают с ростом отношения , вызванным увеличением частоты вращения.

Результаты расчетов и опытов показывают, что при прочих равных условиях и изменении отношения скоростей к.п.д. реактивных ступеней меняется меньше. Чем активных.

2. Влияние отношения давлений на к.п.д. ступени .

При неизменном отношении скоростей = const (например, при одновременном увеличении теплоперепада и частоты вращения) изменение отношения давлений в ступени вызывает изменение относительного внутреннего к.п.д. ступени .

а) изменение потерь при обтекании решеток в зависимости от числа М₁ (число Маха в сопловой решетке) и М₂ (число Маха в рабочей решетке). Особенно ощутимо это изменение, если из докритического режима течение в одной из решеток переходит в критический, и наоборот. Критический режим течения в рабочей решетке встречается обычно лишь в ступенях большой верности – последних ступенях конденсационных турбин. В других же ступенях влияние в основном сказывается на потерях в сопловой решетке. В ступенях активного типа влияние потерь в сопловой решетке на к.п.д. существенно больше влияния потерь в рабочей решетке, ввиду того, что . В связи с этим практически влияние М₁ на определяет и изменение к.п.д. ступени.

б) изменение реакции ступени и вследствие этого перераспределение теплоперепадов между решетками, изменение угла β₁, потерь от утечки и.т.д. Как указывалось ранее, влияние этого фактора практически ощутимо при больших теплоперепадах и больше в активных ступенях, нежели в реактивных.

В различных ступенях изменение по разному сказывается на к.п.д. . В первую очередь это определяется подбором решеток в ступени. В связи с этим некоторые ступени специально проектируются на повышение теплоперепада.

3. Влияние числа Рейнольдса на к.п.д. ступени .

Влияние числа Рейнольдса сказывается на режиме течения в сопловой и рабочей решетках, а, следовательно, и на к.п.д. ступени. В общем случае с уменьшением числа Рейнольдса ( - хорда профиля сопловой лопатки на среднем диаметре, - вязкость пара за ступенью) и соответственно уменьшением чисел Re₁ и Re₂ к.п.д. ступени снижается. Однако практически влияние чисел Re обнаруживается при Re < (1÷5)·10⁵. Влияние числа Рейнольдса на потери зависит от режима пограничного слоя, шероховатости обтекаемой поверхности решеток, наличия или отсутствия отрыва. В сильно конфузорном потоке влияние числа Re оказывается меньшим, чем в потоке с малыми скоростями. На рисунке показаны экспериментальные зависимости относительного внутреннего к.п.д. от числа Re_ф.

1 – ступень с ; .

2 - ступень с ; .

3 - ступень с ; .

Дополнительные потери в ступени также зависят от числа Re_ф. в первую очередь это потери от трения диска, поскольку коэффициент трения главным образом и определяется числом Re. В какой-то мере зависят от числа Re и потери от утечек, так как коэффициенты расхода в зазорах также зависят от соответствующего числа Re.