Последние ступени конденсационных турбин при переменных режимах работы

Последние ступени конденсационных турбин с точки зрения переменного режима работы находятся в особых условиях. С одной стороны, давление пара Р₂ за этими ступенями, определяемое давлением в конденсаторе Р_к зависит от многих факторов: расхода пара, температуры и расхода охлаждающей воды, загрязнения трубок конденсатора и.т.д. Другай важной особенностью последней ступени является максимальная из всех ступеней турбин верность и в связи с этим наибольшее расхождение в параметрах потока в корневой и периферийной зонах, наибольшее изменение по высоте профилей рабочих лопаток.

Предполагаем, что при изменении давления отработавшего пара расход его остается неизменным. Вначале проанализируем с качественной точки зрения изменения, которые будут происходить в ступени при изменении давления на выходе из нее.

Если в решетках последней ступени не возникает критической скорости, то изменение давления за ступенью будет отражаться также и на давление перед ступенью. Начиная с режима, когда при понижении давления в одной из решеток последней ступени будет достигнута скорость звука, дальнейшее понижение давления отработавшего пара не будет влиять на давления и скорости пара во всех решетках, расположенных вверх по потоку отэтого критического сечения.

На рисунке показаны треугольники скоростей последней ступени при различном давлении отработавшего пара.

Звездочкой отмечена критическая относительная скорость выхода пара W*₂ из рабочей решетки. При повышении противодавления уменьшаются не только скорости при выходе из ступени, но и скорости пара при выходе из сопловой решетки. Треугольники скоростей, отвечающие этому случаю, имеют индекс 1.

При понижении давления ниже критического треугольник входа остается неизменным, а скорость W₂ начинает превышать критическую за счет расширения пара в косом срезе рабочей решетки. Это сопровождается отклонение пара в косом срезе рабочей решетки. По мере понижения противодавления можно достигнуть предельного расширения в косом срезе, после чего последующее расширение будет происходить за ступенью турбины, при этом прекращается рост проекции W₂cosβ₂ c понижением давления Р₂, а следовательно прекращается также и увеличение мощности последней ступени.

Если при изменении давления Р₂ критическая скорость сначала возникает в выходном сечении сопловой решетки, то здесь расширение будет также происходить в косом срезе и сопровождаться отклонением струи пара. После достижения критической скорости W*₂ в выходном сечении рабочей решетки дальнейшее понижение давления за ступенью не вызовет изменения давления в зазоре между сопловой и рабочей решетками и не будет влиять на скорость выхода из рабочей решетки. Этому случаю отвечают треугольники на рисунке

и - докритическое течение

и - критическое течение на выходе из сопловой решетки

и - предельное расширение в косом срезе сопловой решетки и достижение критической скорости на выходе из рабочей решетки

и - предельное расширение в косом срезе рабочей решетки

и - промежуточное значение при расширении в косом срезе рабочей решетки.

Очевидно, что при понижении давления за ступенью и неизменном расходе пара усилие R_u, передаваемое на лопатки ступени, возрастает лишь до тех пор, пока растет сумма проекций скоростей

После того, как исчерпается возможность расширения в косом срезе рабочей решетки, дальнейшее понижение Р₂ будет вызывать лишь увеличение осевой составляющей R_a, в то время как R_u, а следовательно, и мощность ступени будут сохраняться неизменными.

Т.о. при заданном расходе пара каждая ступень при понижении противодавления способна увеличивать мощность не беспредельно, а только до вполне определенного уровня.

Представленные на рисунке треугольники скоростей последней ступени, построенные для G = const и Р₂ = Vаr, могут в равной мере относится и к изменению расхода пара G = Vат и к одновременному изменению G и конечного давления Р₂, т. е. в общем случае к изменению объемного пропуска пара Gυ₂ = Vаr.

Пока процесс расширения мы рассматривали для среднего диаметра ступени. При этом, как было показано ранее, скорость W_2t (при закрутке лопаток) увеличивалась с ростом объемного расхода пара.

Рассмотрим теперь, как будет меняться эта скорость по высоте рабочей лопатки при изменении Gυ₂. Обычно в ступенях большей верности скорость W_2t у корня существенно меньше, чем у периферии. В ступенях, рассчитанных на умеренные значения С₂, относительная скорость выхода из рабочей решетки в прикорневой зоне W_2t < а₂, а у периферии W_2t > а₂. В сильно нагруженных ступенях при расчетном режиме относительные скорости на выходе из рабочей решетке по всей высоте превышают критические. В последнем случае увеличение Gυ₂ и, следовательно, увеличение скорости W_2t не приведет к изменению скоростей и углов потока на входе в рабочую решетку, также как и на входе в ступень. Т.о. изменение режима в этом случае скажется только на обтекании косого среза рабочей решетки. Поскольку расход пара определяется параметрами потока в минимальном (горловом) сечении, а эти параметры при W_2t > а₂ не будут меняться, то, следовательно, распределение расхода по высоте ступени также не изменится.

Если же Gυ₂ уменьшится, то уменьшатся скорости W_2t по всей высоте ступени. Так как наименьшие значения скорости W_2t соответствуют корневой зоне, то именно в этой зоне обтекание рабочей решетки раньше, чем в других сечениях по высоте, будет происходить с дозвуковыми скоростями W_2t < а₂. В этой зоне произойдет изменение давления перед рабочей решеткой. При этом, очевидно, изменится градиент давления по радиусу dP₁ / dr за сопловой решеткой. Этот градиент давления dP₁ / dr определяется углом выхода потока из сопловой решетки. Изменение dP₁ / dr по сравнению с расчетным возможно при соответствующем изменении меридиональных линий тока в корневой зоне, а вслед за этим и в других, расположенных выше участках ступени. Меридиональные линии тока в рабочей решетке будут отклоняться от оси ступени (см. рисунок).

Поскольку для корневой зоны при W_2t < a₂ будут меняться Р₁, С₁ и W₁, то также будут меняться условия обтекания рабочей решетки. К тому же в корневой зоне каналы рабочей решетки имеют наименьшую конфузорность (из-за наименьшей реакции ρ_к) и наименьший поворот потока. При нерасчетных углах входа β₁ коэффициент расхода μ₂ этой части рабочей решетки будет уменьшаться. Вследствие этого поток пара, выходящий из сопловой решетки, будет стремиться в верхние участки рабочего колеса, где из-за большой конфузорности и меньшей чувствительности сечений рабочих решеток к изменению угла входа условия обтекания более благоприятны.

Все это приводит к перераспределению расходов пара по высоте, увеличению удельного расхода в периферийной части и сокращению его в корневой, что подтверждается опытными данными.

На рисунке для одной из ступеней с d/l = 2,8 для разных значений относительного объемного припуска пара показано распределение по высоте осевых составляющих выходных скоростей С_2а. Поскольку удельный объем пара примерно постоянен по высоте, то изменение

одновременно характеризует изменение удельного расхода пара .

Чем меньше объемный пропуск пара через ступень, тем резче сказывается это перераспределение удельных расходов пара и при определенном режиме, на рисунке при , за ступенью скорость С_2а, а значит и расход пара в корневой зоне становятся равными нулю, т.е. в корневой зоне из рабочей решетки пар не выходит. Происходит отрыв потока в радиальном направлении от корневого обвода рабочей решетки. С уменьшение зона корневого отрыва, т.е. той части выходного сечения ступени, где нет выхода пара, увеличивается. Это отчетливо видно из рисунка.

Более того чем меньше , тем выше по потоку происходит обратное, сильно завихренное движение пара. При очень малых значениях это обратное движение может, как показали опыты ВТИ, даже проникнуть через последнюю ступень в предыдущие ступени. Физически этот отрыв объясняется существенно диффузорным характером потока в этой зоне, когда кинетической энергии частиц пара в пограничном слое уже недостаточно для преодоления повышения давления.

Резкое изменение условий течения, начавшееся с корневой зоны, нарушает расчетную схему обтекания и во всей ступени. В периферийной зоне, где обычно каналы рабочих лопаток слабоконфузорны, а сама решетка весьма чувствительна к изменению режима, также обнаруживается вихревое движение пара. Это завихрение (по опытам ВТИ и ХПИ) начинается в зазоре ступени или далее в сопловой решетке.

Очевидно, что такой сугубо нерасчетный характер течения пара в ступени, сопровождающийся вихревым движением, существенно снижает экономичность ступени.

Изменение к.п.д. и , располагаемого теплоперепада и внутренней мощности Р_i последней ступени с d/l = 2,6 в зависимости от объемного пропуска пара.

С уменьшением к.п.д. ступени резко падает даже становиться отрицательны. При этом ступень уже не вырабатывает полезной мощности, а отнимает ее от других ступеней турбины. Согласно опытным данным, граница холостого хода, т.е. и Р_i = 0, соответствует режиму = 0,53, когда располагаемый теплоперепад ступени еще довольно высок и составляет 59 кДж /кг.

Отрыв потока в корневой зоне и вихревые движения в корневом и периферийном участках ступени, как показали исследования, не стационарны. Они создают дополнительные пульсации потока, оказывающие существенное влияние на динамическую надежность рабочих лопаток. Экспериментально обнаружено, что с уменьшением , несмотря на значительное снижение изгибающих усилий R, действующих на рабочие лопатки последней ступени, динамические напряжения в них увеличиваются, что может вызвать поломки лопаток.

В связи с тем, что тенденция увеличения мощностей паровых турбин неизбежно приводит к росту относительной высоты лопаток l/d и тем самым к большей разнице по высоте в характеристиках потока и к большим напряжениям в лопатках, то еще при проектировании ступени нужно принять необходимые меры к обеспечению ее надежной работы.

С одной стороны, желательно повышать вибрационную надежность рабочих лопаток, применяя соответствующие материалы для них, а так же увеличивая кратность ближайшей резонансной зоны.

В ряде случаев при эксплуатации турбины не разрешается длительное время работать при существенно пониженных значениях , а также при значительном ухудшении вакуума. Особенно неблагоприятен срыв вакуума, т.е. внезапное повышение давления Р_к, когда кратковременно, но существенно возрастают динамические напряжения в лопатках. Опыт эксплуатации ряда турбин показал, что при этом иногда происходят поломки лопаток последних ступеней.

Однако существуют и другие пути стабилизации режима работы последней ступени при пониженных объемных расходах пара:

1. Увеличение корневой реакции ступени. При этом, с одной стороны, ступень оказывается менее чувствительной к изменению режима (см. ранее о реактивности ступени); с другой стороны, увеличивается конфузорность корневой зоны рабочей решетки. Последнее в сочетании с увеличением расчетного входного угла β₁₀ снижает чувствительность обтекания решетки к изменению угла β₁ и других условий течения на входе.

2. Увеличение расчетного располагаемого теплоперепада ступени. Чем больше располагаемый теплоперепад ступени и, следовательно, ее мощность, тем при меньшем значении будет работать ступень при режиме холостого хода, крайне неблагоприятного с точки зрения неустановившихся процессов обтекания и динамических напряжений.

3. Распределение расходов пара по высоте ступени, обеспечивающее меньшую разницу в относительных скоростях выхода W₂ при переходе от корневого сечения к периферийному. Для этого удельный расход пара от корня к периферии должен уменьшаться.

Следует отметить, что предполагаемые меры непосредственно или косвенно сказываются на экономичности ступени при расчетном режиме и, как правило, приводят к ее снижению. Это объясняется следующим:

а) увеличение теплоперепада обычно означает, что отношение скоростей в ступени меньше оптимального;

б) чем больше теплоперепад последней ступени, тем больше отношение удельных объемов пара ха ней и за предпоследней ступенью и, следовательно, тем больше разница в высотах рабочих лопаток этих ступеней. При большой разности этих высот последнюю ступень приходится выполнять с неблагоприятно крутым наклоном меридионального периферийного обвода;

в) распределение расходов пара по высоте лопатки, отклоняющееся от постоянства удельного расхода увеличивает потери с выходной скоростью, что может заметно снизить экономичность всей турбины;

г) увеличение степени реакции в корневом сечении ступени во многих случаях вследствие уменьшения угла поворота потока в корневой части рабочей решетке снижает моменты инерции и сопротивления профиля лопатки в этой зоне. Это в свою очередь, требует увеличения хорды профиля, что приводит к уменьшению относительного шага решетки ниже оптимального значения и к увеличению концевых потерь.

Т.о. выбор основных характеристик последней ступени, должен приводиться, исходя из комплекса требований – обеспечения надежности, повышения экономичности при расчетном и нерасчетных режимах работы.