Что такое степень реактивности

Степень реактивности турбинной ступени

Отношение располагаемого теплоперепада Н_0Р к сумме располагаемых теплоперепадов сопловой и рабочей решеток называют степенью реактивности ступени:

. (4.16)

Чем выше степень реактивности ступени, тем больше ускоряется поток в рабочей решетке и, следовательно, относительная скорость w₂ увеличивается по сравнению с w₁. Ступень сr=0называютчистоактивной. В этой ступени отсутствует расширение потока в рабочей решетке (р₁=р₂), а процесс преобразования кинетической энергии среды в механическую работу осуществляется только за счет поворота потока в каналах рабочей решетки (рис. 4.6). Другими словами, создание подъемной силы здесь является единственным источником формирования окружного усилия R_u на рабочих лопатках и крутящего момента М_кр на диске ротора. Профили сопловых и рабочих лопаток такой ступени существенно отличаются друг от друга. Как правило, чисто активные ступени не используются в паровых турбинах. Обычно турбинные ступени имеют некоторую положительную реактивность для обеспечения конфузорности течения в каналах рабочей решетки, что позволяет снизить потери энергии.

В ступенях с r>0 кроме активной составляющей окружного усилия R_акт формируется и его реактивная составляющая R_реак(за счет расширения пара в рабочей решетке, когда р₂

Рис. 4.6. Особенности треугольников скоростей, формы проточной части турбинных решеток и процессов расширения в них для различных степеней реактивности турбинных ступеней

Дата добавления: 2017-06-13 ; просмотров: 7308 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Теория газотурбинных двигателей

3. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ ГАЗА В ТУРБИНЕ

В главе рассматриваются следующие вопросы:
— назначение газовой турбины в ТРД;
— схема и принцип действия осевой газовой турбины;
— окружное усилие, эффективная работа газа, кпд и мощность турбины;
— основные параметры, определяющие мощность тур­бины;
— совместная работа турбины и компрессора в ТРД;
— многоступенчатые турбины и особенности работы тур­бин двухвальных двигателей;
— выходные устройства ВРД.

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ В ТРД

Газ, обладающий значительной потенциальной энергией, из камеры сгорания поступает я турбину.
Газовая турбина представляет собой лопаточную маши­ну, преобразующую энергию сжатого и нагретого в камерах сгорания газа в механическую работу на валу. В ТРД турбина служит для вращения ротора компрессо­ра и всех обслуживающих агрегатов: топливных, масляных, гидравлических насосов и др.
В сравнении с другими двигателями, преобразующими энергию газа в механическую работу, газовая турбина имеет ряд преимуществ:
— возможность получения больших мощностей в одном агрегате при малых габаритах и весе;
— высокий кпд, что обусловлено хорошей аэродинамикой проточной части и отсутствием крутых поворотов потока;
— простота и надежность конструкции.
Турбины классифицируют по направлению движения по­тока газа, по числу ступеней и другим признакам.
По направлению движения потока газа турбины могут бытьрадиальными, когда поток движется от центра к пери­ферии вдоль радиуса элементов турбин, и осевыми, у которых поток движется вдоль оси турбины.
В ТРД применяются осевые турбины.
—По числу ступеней турбины ТРД выполняются одно, двух или много ступенчатыми в зависимости от величины степени расширения газа в турбине.
Классификация турбин по другим признакам рассматри­вается в следующем параграфе.

3.2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТУПЕНИ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

3.3. ОКРУЖНОЕ УСИЛИЕ, ЭФФЕКТИВНАЯ РАБОТА ГАЗА, КПД И МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

а). Определение величины окружного усилия Р_u.
Величину силы Р_u можно получить на основании изве­стной теоремы технической механики: «Изменение количест­ва движения секундной массы газа в направлении вращения рабочего колеса (окружном направлении) равно секундно­му импульсу силы, действующей в этом же направлении».
Для составления уравнения количества движения постро­им совмещенный план скоростей ступени турбины (рис. 29).

в). К п д турбины.

3.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

Основными параметрами, определяющими мощность тур­бины являются:
— секундный весовой расход газа Gг;
— обороты ротора турбины n;
— температура газа перед турбиной Тз*;
— степень реактивности турбины ρ.

а). Секундный весовой расход газа Gг.
Величину секундного расхода газа можно определить из уравнения неразрывности учитывая, что в сопловом ап­парате обычно устанавливается критический перепад дав­лений или близкий к нему.
Это означает, что в узком (критическом) сечении СА (fкр) устанавливается критическая скорость Скр, рав­ная местной скорости звука а. Уравнение для этого слу­чая запишется в виде:

где γкр —удельный вес газа в критическом сечении СА [кГ/м3].
Известно, что
, а

Так как давление и температура газа в критическом сечении СА Ркр и Ткр пропорциональны давлению Рз и темпе­ратуре газа Тз на входе в турбину, то можно написать:
или

.
Таким образом, при постоянной температуре газа перед турбиной Тз расход газа Gг определяется величиной давления газа Рз перед нею. Увеличение давления газа Рз ведет к увеличению расхода газа и мощности турбины;

б). Обороты ротора турбины n.

Величина температуры газа перед турбиной ограничи­вается прочностью лопаток турбины. В современных двигате­лях она равна Тз* = 1100—1300°К.

г). Степень реактивности турбины ρ.

Степень реактивности турбины характеризует распреде­ление работы расширения газа между сопловым аппаратом и рабочим колесом турбины.
Степенью реактивности турбины называется отношение адиабатической работы расширения газа в рабочем колесе Lадрк к адиабатической работе расширения газа в ступени турбины L_адрасш.
.
Величина степени реактивности турбины может изме­няться от 0 до 1, т. е.
0 NК;
3. Режим торможения уменьшения оборотов двигателя), когда Nт 3

Источник

ПОНЯТИЕ О РЕАКТИВНОСТИ ТУРБИНЫ

В активной турбине ускорение газов, преобразование давления и температуры в скорость происходят только в кана­лах соплового аппарата. Давление газов здесь до и за турбиной одинаково. Вращение колеса активной турбины происходит только за счет поворота газовых струй в каналах колеса.

Рис. 31. К понятию о реактивности турбины

Степень использования тепловой энергии газа в колесе реактивной турбины показывает степень ее реактивности; обозначается греческой буквой ρ (ро).

Степень реактивности (в процентах) приближенно определяется по уравнению:

где Т_а — температура газа за сопловым аппаратом; Т₄ — температура газа за колесом турбины; Т₃ — температура газа перед сопловым аппаратом тур­бины.

В турбинах турбореактивных двигателей степень реак­тивности по среднему радиусу лежит в пределах ρ = 30— 45%.

Турбины, имеющие реактивность до 20%, все же назы­вают активными.

КРУЧЕНИЕ ЛОПАТОК

Реактивные газовые турбины имеют длинные крученые, лопатки, которые характеризуются тем, что сечения их по высоте смещены (повернуты, закручены) друг относительно друга. При этом профиль лопаток от сечения к сечению меняется.

На рис. 32 показаны сечения лопаток соплового аппарата и рабочего колеса на периферии (у вершины лопаток) — сплошной линией, и у корня — пунктиром.

При течении газа по каналам колеса у частиц газа воз­никают центробежные силы, стремящиеся переместить частички газа от корня лопатки к ее вершине. Возникает воз­можность течения частичек газа по радиусу в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом. Это радиальное перетекание газа является дополнительной потерей энергии в турбине.

Для устранения радиального перетекания газов действие центробежных сил уравновешивается разностью давлений газов по высоте лопатки — давление газов увеличивается от корня к вершине лопатки.

Рис. 32. Сечение лопаток у корня и к вершины. Рис. 33. Силы, действующие на объем газа в зазоре турбины.

На рис. 33 изображен небольшой объем газа, движуще­гося в зазоре между сопловым аппаратом и колесом. На этот объем газа снизу действует давление Ри центробежная сила, возникшая от вращения этого объема газа. Чтобы этот объем газа не мог перемещаться от корня лопаток к вер­шине, давление сверху должно быть больше давления снизу. Избыток давления сверху ΔРуравновешивает центробеж­ную силу.

Увеличение давления по высоте лопатки достигается за счет различного распределения перепада давлений между сопловым аппаратом и колесом. Общий перепад давления, срабатываемый в каждом сечении, остается постоянным по высоте лопаток.

В корневом сечении турбины примерно треть общего пе­репада давления срабатывается в каналах соплового аппа­рата, а остальная часть перепада давления в каналах рабо­чего колеса.

Изменяя профиль лопаток по высоте и поворачивая про­фили друг относительно друга (закручивая лопатку), изме­няют форму каналов между лопатками соплового аппарата и рабочего колеса. Этим изменением формы каналов по вы­соте добиваются того, что доля перепада давления, срабатываемого в сопловом аппарате, уменьшается.

Следовательно, изменением формы каналов по высоте добиваются того, что газы, выходящие из соплового аппа­рата, имеют большее давление у вершины и меньшее у корня лопаток.

Увеличение давления газов в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом и соответствующее этому увеличению уменьшение скорости течения газов показаны на рис. 34. Это увеличение давления достигнуто за счет круче ния (крутки) лопаток соплового аппарата; оно предохраняет газы от перетекания в радиальном направлении в зазоре.

Рис. 34. Изменение скорости и давления газов по высоте лопаток турбины

Круткой рабочих лопаток добиваются того, что в каналах рабочего колеса срабатывается оставшаяся доля перепада давления после соплового аппарата, поэтому давление за рабочим колесом по высоте лопаток остается постоянным.

Примерное изменение параметров газа в реактивной турбине (на среднем радиусе) показано на рис. 35.

Рис. 35. Изменение параметров газа в элементах газовой турбины

ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА

Для получения хорошей экономичности турбореактивные двигателей приходится применять компрессоры, имеющие высокие степени сжатия.

Для возможности использования всего давления, создаваемого современными осевыми компрессорами, применяются двухступенчатые газовые турбины. Двухступенчатая турбина имеет последовательно чередующиеся два сопловых аппарата и два ряда рабочих лопаток.

Двухступенчатая турбина имеет следующие преимущества перед одноступенчатой:

— позволяет преобразовывать в механическую работу более высокие перепады давлений; в каждой ступени исполь­зуется меньший перепад давления и температур; следовательно, скорости течения газов будут меньшие, благодаря этому потери в турбине уменьшаются и коэффициент полез­ного действия двухступенчатой турбины будет более высоким;

— небольшие перепады давлений в ступенях позволяют применить сужающиеся каналы сопловых аппаратов, кото­рые вполне удовлетворительно работают на всех режимах (числах оборотов) двигателя.

К недостаткам двухступенчатых турбин относятся:

— конструктивная сложность и большой вес;

— первая ступень работает при более высоких темпера­турах, нежели последующие, поэтому требуется надежное охлаждение ее, что увеличивает потери тепла;

— большая сложность в производстве.

На рис. 36 показана схема двухступенчатой осевой реак­тивной газовой турбины и графики изменения давления, тем­пературы и скорости газов в ее элементах.

На рабочих лопатках первой ступени вследствие умень­шения абсолютной скорости движения газа, падения его дав­ления и температуры возникает окружное усилие, вращающее колесо.

В сопловом аппарате второй ступени продолжается падение давления и температуры и происходит вторичный разгон потока газа. Полученная скорость используется в рабочих лопатках второй ступени, где за счет ее уменьшения и дальнейшего падения давления и температуры тоже возникает окружное усилие.

В двухступенчатой реактивной турбине падение давления и температуры газа, приходящееся на каждую ступень, значительно меньше, чем в одноступенчатой турбине. Поэтому потери энергии в ней имеют сравнительно небольшую величиy.

Источник

Степень реактивности

Ступенью турбины называется ряд сопел и один диск с рабочими лопатками. Ступени, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, получили название активных ступеней.

Ступени турбины, в которых расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока происходят примерно одинаково в каналах сопловых и рабочих лопаток, получили название реактивных ступеней.

Степенью реактивности турбины называется отношение располагаемого теплоперепада на рабочих лопатках Dh_л к общему располагаемому теплоперепаду Dh_т :

Современные паровые турбина выполняют с определенной степенью реактивности, т.е часть ступеней, работающих в области высоких давлений, выполняют активными, а последующие ступени – реактивными.

1.10 Тепловая схема

7 – электрический генератор;

8 – обессоливающая установка;

9 – конденсатные насосы;

10 – сальниковые подогреватели:

11 – турбоприводы питательных насосов;

12 – конденсатор турбопривода;

13 – расширительный бак;

14 – переключающий насос;

15 – подвод свежего пара;

16 – на промперегрев;

17 – после промперегрева;

19 – на подогрев воздуха;

20,21 – из уплотнений;

22 – на сушку топлива;

23 – на разогрев растопочного мазута;

26 – после подогрева воздуха;

27 – после сушки топлива;

28 – в бак низших точек;

29 – в парогенератор;

30 – добавок химочищенной воды;

31 – охлаждающая вода в конденсаторы

1.11 Описание работы турбины

Парораспреде­ление сопловое. Свежий пар подается к четы­рем параллельно включенным стопорным клапанам, расположенным по два с каждой сто­роны. К коробкам стопорного клапана приварены по две коробки регулирующих клапанов. От регулирующих клапанов по вось­ми трубам пар направляется к четырем паро­впускным патрубкам, приваренным к наруж­ному корпусу ЦВД и имеющим подвижное соединение с сопловыми камерами, вваренными во внутренний корпус ЦВД. Три сопловых сегмента включаются одновременно, обеспечи­вая расход пара для мощности, равной 0,85 Р ном _э.

Пар в ЦВД подается в среднюю часть цилиндра и проходит последовательно одновенечную регулирующую ступень и 5 ступеней активного типа, диафраг­мы которых расположены во внутреннем кор­пусе. Затем пар поворачивает на 180°, омы­вает внутренний корпус и проходит еще 6 ступеней, диафрагмы которых расположены в наружном корпусе ЦВД. Все рабочие лопат­ки турбины, кроме регулирующей ступени, имеют переменный по высоте профиль.

Из промежуточного перегревателя пар под­водится двумя трубами к двум коробкам от­сечных клапанов ЦСД, установленным по обе стороны турбины, из них пар поступает в че­тыре коробки регулирующих клапанов, разме­щенных непосредственно на ЦСД.

ЦСД двухпоточный с девятью ступенями в каждом по­токе. Первые три ступени располагаются во внутреннем корпусе. После ЦСД пар направ­ляется в три ЦНД. ЦНД турбин 800МВт унифицированы с ЦНД турбины ЛМЗ К-300-240, в частности имеют последнюю лопатку длиной 960мм. Некоторые отличия связаны с большей длиной агрегата (в ЦНД применены прямоточные концевые уплотнения) и большей мощностью (увеличен­ные шейки валов).

Роторы высокого и среднего давления турбины полностью цельнокованые; роторы ЦНД – с насадными дисками. Все соедини­тельные муфты между роторами выполнены жесткими. Упорный подшипник располагает­ся между ЦВД и ЦСД. Система корпусов турбины имеет три мертвые точки: для ЦВД, ЦСД и первого ЦНД она находится на зад­ней фундаментной раме ЦНД; мертвые точки остальных ЦНД находятся на их передних фундаментных рамах. В турбине применены сегментные опорные подшипники.

Гарантийный расход тепла составляет q = 2,14 [1840 ккал/(кВт×ч)], на 1,7% хуже, чем в установке с двухвальной турбиной, что объясняется главным образом снижением температур t_o и t_пп и увеличением выходной потери Dh_в.с из-за меньшего числа ЦНД.

Общая длина турбины составляет 39,5 м, а всего турбоагрегата – 59,5 м. Масса турбины без генератора и вспомогательного оборудования равна 1300т.

Источник

Турбинная ступень

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

радиально-осевые, диагональные и др. Однако в крупных энергетических паровых турбинах за редким исключением используются ступени осевые или с небольшим отклонением от строго осевого направления. Поэтому в дальнейшем, за исключением § 3.7, рассматриваются только осевые ступени.

В ступени турбины работа расширения пара преобразуется в кинетическую энергию потока, а последняя — в механическую энергию. Рассмотрим это преобразование применительно к одной из ступеней осевой турбины (рис. 3.1).

Поток пара, вышедший со скоростью с, из сопловЬй решетки, проходит зазор 5а, отделяющий неподвижные сопловые лопатки от рабочих, и вступает в каналы рабочей решетки (рис. 3.2).

При обтекании рабочей решетки пар в общем случае дополнительно расширяется от давления р 1 в зазоре между

сопловой и рабочей решеткой до давления р2 за рабочими лопатками. Одновременно поток пара в рабочей решетке меняет направление. При этом происходит передача кинетической энергии потока рабочим лопаткам ступени.

располагаемых теплоперепадов сопловой и рабочей решеток, или, что почти то же самое1, располагаемый теплоперепад ступени может быть взят по изоэнтропе между давлениями р0 и р2. В действительном процессе из-за потерь расширение в рабочей решетке происходит при возрастающей энтропии, так что состояние пара при выходе из рабочей решетки может быть представлено точкой 2 в /г, ^-диаграмме на рис. 3.3.

Отношение теплового перепада Н0р к теплоперепаду ступени от параметров торможения

называется степенью реактивности. Если степень реактивности ступени равна нулю и в каналах рабочих лопаток

не происходит дополнительного расширения пара, то такая ступень называется чисто активной. Когда степень реактивности невелика (до 0,2— 0,25), то ступень принято также называть активной, причем иногда указывают, что это активная ступень с небольшой степенью реактивности. Если степень реактивности значительна (0,4—0,6), то ступень называется реактивной.

В некоторых случаях давление р] может оказаться несколько меньшим, чем р2- При этом в каналах рабочей решетки происходит повышение давления, теплоперепад Н0р и степень реактивности р оказываются отрицательными. Отрицательная степень реактивности означает диффузорное

течение в рабочей решетке, что приводит к увеличению потерь энергии ^р. Поэтому следует ее избегать. Чаще всего отрицательная реактивность возникает в корневых сечениях рабочей решетки, а также при некоторых режимах, отличающихся от расчетного.

(где Ь—диаметр ступени).

проходя путь,

равный дуге гсобт. В большинстве случаев угол собт невелик, так что с достаточной степенью приближения можно им пренебречь.

Направление относительной скорости и>2 пара при выходе из лопаточного канала определяется углом выхода из рабочей решетки р2.

Относительная скорость и>2 может быть меньше или больше скорости н^. Под влиянием расширения пара в рабочей решетке происходит ускорение парового потока в его относительном движении. С другой стороны, потери при обтекании рабочей решетки вызываТот уменьшение скорости н2. В чисто активной ступени при р = 0 скорость и?2 всегда меньше и,, поскольку пар не приобретает ускорения, а потери имеют место.

Абсолютная скорость выхода пара из каналов рабочих лопаток определяется как сумма векторов относительной скорости уу2 и окружной скорости и2 и обозначается с2* Графически с2 находится из выходного треугольника скоростей, показанного на рис. 3.2.

Поворот и ускорение струи пара в криволинейных каналах рабочей решетки происходят под влиянием следующих усилий, действующих на паровую струю: во-первых, струя пара испытывает реактивное усилие стенок канала, образованного рабочими лопатками; во-вторых, пар, заполняющий канал, испытывает разность давлений р1—р2 при входе в канал и выходе из него. Если обозначить через Кг равнодействующую тех усилий, с которыми лопатки действуют на паровую струю, то струя пара развивает на лопатках усилие Л, равное, но прямо противоположное усилию Я (рис. 3.2).

При расчетах турбины обычно определяют проекции этого усилия на направление окружной скорости Ки и на перпендикулярное к ней осевое направление Ка.

Для того чтобы найти окружное усилие 7?ц, развиваемое потоком пара на лопатках ступени в направлении их движения, определим сначала равное, но противоположно направленное усилие Ки, с которым лопатки действую! на струю протекающего пара.

Это усилие может быть найдено на основании уравнения количества движения, записанного для оси и при массовом расходе пара, равном С, кг/с:

Общее уравнение сохранения энергии (2.9), которое было использовано при выводе формулы (2.12), может быть применено также и к потоку пара в рабочей решетке. Однако в этом случае входящая в выражение (2.9) работа /,=#„, развиваемая потоком пара, не должна приниматься равной нулю, так как при протекании пара в рабочей решетке часть энергии пара преобразуется в механическую работу.

Применяя обозначения рис. 3.2 и 3.4 и предполагая, что в рабочей решетке пар расширяется от давления р^ до давления р2, напишем уравнение сохранения энергии при отсутствии теплообмена:

Отметим, что выражение (3.11) и другие, записанные на его основе, относятся к рассматриваемому частному случаю их=и2 = и. Если и^фиг, то вместо (3.11) следует написать

Из равенства (3.11) находим относительную скорость выхода пара:

Формулу (3.12) можно получить и другим путем, если ввести условные параметры торможения в относительном движении (см. /?1оти и Л1отн на рис. 3.3):

Если бы течение пара в рабочей решетке происходило без потерь, то расширение пара шло бы по изоэнтропе. Обозначая в этом случае относительную скорость выхода пара через и>2|, напишем для этого теоретического случая

В действительности из-за потерь в рабочей решетке относительная скорость выхода пара и>2 меньше, чем и>2г а к2 выше, чем к21. Вычитая из уравнения (3.14), записанного для изоэнтропийного течения, уравнение (3.11), находим разность

ранее выражение для работы, развиваемой потоком пара в рабочей решетке [см. формулы (3.7) и (3.8)], было выведено на основании закона количества движения, позволившего определить усилие, создаваемое паром на рабочих лопатках,

С другой стороны, работу парового потока можно подсчитать, вычитая из располагаемой энергии ступени потери, возникающие при протекании пара в отдельных элементах ступени. Располагаемой энергией ступени для С= 1 кг/с является ее располагаемый теплоперепад от параметров торможения (рис. 3.3)

а потерями — потери при обтекании сопловой Д#с и рабочей А Яр решеток, а также потери с выходной скоростью

Так как пар покидает ступень со скоростью с2 (рис. 3.2 и 3.4), которая в данной ступени не используется. Тогда

Следует подчеркнуть, что учитывались только те потери энергии в ступени, которые непосредственно связаны с течением пара в ее проточной части. Найденная ранее согласно (3.9) мощность ступени Nи, кВт, равная также

(где С—в кг/с, аЯ„ — в кДж/кг), называется мощностью на лопатках турбинной ступени (окружной мощностью). Кинетическая энергия, потерянная при обтекании паром сопловой и рабочей решеток, а также с выходной скоростью, древращается в теплоту и может быть учтена при построении процесса в Л, ^-диаграмме. На рис. 3.5, а детально изображен весь тепловой процесс в турбинной ступени в Л, ^—диаграмме.

Источник