для чего турбины выполняют многоступенчатыми
Многоступенчатая турбина
Смотреть что такое «Многоступенчатая турбина» в других словарях:
многоступенчатая турбина — Турбина ГТД, состоящая из нескольких последовательно расположенных ступеней. Примечание При конкретной конструкции турбины она может называться по числу ступеней. [ГОСТ 23851 79] Тематики двигатели летательных аппаратов EN multi stage turbine DE… … Справочник технического переводчика
Многоступенчатая турбина — 95. Многоступенчатая турбина D. Mehrstufige Turbine E. Multi stage turbine F. Turbine à plusieurs étages Турбина ГТД, состоящая из нескольких последовательно расположенных ступеней. Примечание. При конкретной конструкции турбины она может… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
многоступенчатая турбина — многоступенчатое турбинное колесо; многоступенчатая турбина; отрасл. многоступенчатый репеллер Турбинное колесо, состоящее из нескольких жестко связанных между собой решеток профилей. Примечание. Каждая из таких решеток профилей называется… … Политехнический терминологический толковый словарь
многоступенчатая турбина — daugiapakopė turbina statusas T sritis Energetika apibrėžtis Garo ar dujų turbina, kurioje garo ar dujų plėtimasis nuo pradinio iki galinio slėgio ir šilumos energijos virsmas mechaniniu darbu vyksta keliose nuosekliose pakopose, kurių kiekvieną… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА — паровая турбина или газовая турбина, в к рой расширение пара или газа от нач. до конечного давления и преобразование его тепловой энергии в механич. работу осуществляют не в одной, а в ряде последовательно располож. ступеней. С увеличением числа… … Большой энциклопедический политехнический словарь
двухвальная многоступенчатая турбина — Многоступенчатая газовая турбина, ступени которой крепятся к двум валам, могущим вращаться с разным числом оборотов … Политехнический терминологический толковый словарь
одновальная многоступенчатая турбина — Многоступенчатая газовая турбина, все ступени которой соединены с одним валом … Политехнический терминологический толковый словарь
ТУРБИНА МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ПАРОВАЯ — (Multistage turbine) паровая турбина с несколькими рабочими и направляющими дисками, в которой расширение пара совершается последовательно на нескольких ступенях. Сейчас почти все турбины строятся многоступенчатыми, т. к. одноступенчатые турбины… … Морской словарь
ГОСТ 23851-79: Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения — Терминология ГОСТ 23851 79: Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения оригинал документа: 293. Аварийное выключение ГТД Аварийное выключение Ндп. Аварийное отключение ГТД D. Notausschaltung Е. Emergency shutdown F. Arrêt urgent… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Франция — (France) Французская Республика (République Française). I. Общие сведения Ф. государство в Западной Европе. На С. территория Ф. омывается Северным морем, проливами Па де Кале и Ла Манш, на З. Бискайским заливом… … Большая советская энциклопедия
МНОГОСТУПЕ́НЧАТАЯ ТУРБИ́НА
Том 20. Москва, 2012, стр. 549
Скопировать библиографическую ссылку:
МНОГОСТУПЕ́НЧАТАЯ ТУРБИ́НА, паровая или газовая турбина, в которой расширение пара или газа от начального до конечного давления и преобразование его тепловой энергии в механич. работу происходит в ряде последовательно расположенных ступеней. Каждая ступень представляет собой элементарную турбину и состоит из неподвижного соплового аппарата, где ускоряется поток рабочего тела (пара или газа), и подвижных рабочих лопаток, на которых кинетич. энергия потока преобразуется в механич. работу на вращающемся роторе. В каждой ступени используется только часть располагаемого потенциала (теплоперепада) расширяющегося потока рабочего тела (суммарный теплоперепад крупных паровых турбин составляет 1000–1600 кДж/кг), поэтому скорости пара или газа в ступени умеренные. Для сравнения: скорость вращения лопаток многоступенчатой паровой турбины составляет 240–400 м/с, для одноступенчатой конструкции (при сохранении той же мощности турбины) скорость вращения должна была бы составлять 1000 м/с, что значит. затруднило бы обеспечение прочности лопаток и конструкцию соединения ротора с приводимыми машинами. Уменьшение теплоперепада в отд. ступенях позволяет получать в М. т. оптимальное соотношение скорости потока рабочего тела и кпд турбины.
Многоступенчатые паровые турбины
Избежать перечисленных неприятных явлений, снизить скорости вращения турбин и повысить их КПД можно, если использовать многоступенчатые паровые турбины.
Двухвенечная турбинная ступень
Идея применения двухвенечной турбинной ступени (рис. 45) состоит в том, что на одном диске активной турбины располагают два ряда рабочих лопаток. Между рядами рабочих лопаток устанавливается неподвижный ряд направляющих лопаток, в котором происходит поворот потока пара и направление его под оптимальным углом на следующий за ним ряд рабочих лопаток. Таким образом потенциальная энергия пара полностью преобразуется в кинетическую в сопловом аппарате, а затем, последовательно проходя два ряда рабочих лопаток, преобразуется в механическую работу.
Рассмотренные двухвенечные турбинные ступени называют ступенями скорости из-за того, что при течении потока пара в каналах лопаток не происходит изменения его давления, а изменяется только скорость потока. Ступени скорости способны срабатывать значительные теплоперепады с относительно высоким КПД. По этой причине двухвенечные турбинные ступени часто применяют в турбоприводах вспомогательных механизмов, в качестве турбин заднего хода и первой регулировочной ступени главных турбин.
В более редких случаях нашли применение трехвенечные ступени скорости, состоящие из соплового аппарата, трех рядов рабочих лопаток, расположенных на одном диске, и двух неподвижных рядов направляющих лопаток, расположенных между рабочими. Принцип действия их аналогичен рассмотренной выше двухвенечной ступени скорости: пар полностью расширяется в сопловом аппарате и затем последовательно проходит через ряды рабочих и направляющих лопаток. Трехвенечные ступени скорости способны срабатывать еще бóльшие значения теплоперепадов и (при определенных условиях) с еще бóльшим значением КПД, чем двухвенечные.
Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота устройства и небольшие размеры. Существенным недостатком – относительно низкий КПД.
Впервые идея использования многоступенчатой паровой турбины была предложена английским инженером Парсонсом в 1884 году. Парсонс предложил всю располагаемую энергию пара разделить на несколько частей и срабатывать каждую часть в отдельных турбинных ступенях, расположенных последовательно одна за другой на одном общем валу.
Многоступенчатые турбины конструктивно могут исполняться активными (рис. 46.а), реактивными (рис. 46.б) и сочетающими в себе как активные, так и реактивные ступени – турбины смешанного типа (рис. 47).
С точки зрения надежности и экономичности бесцельно искать преимущества и недостатки одного типа турбин перед другим. Активная ступень, при прочих равных условиях, способна сработать вдвое больший теплоперепад, чем реактивная. Поэтому при одинаковых начальных и конечных параметрах пара активная многоступенчатая турбина будет иметь вдвое меньшее число ступеней, чем реактивная, что значительно сокращает длину ротора и массогабаритные показатели турбины. Но при этом длина активной ступени несколько больше, чем реактивной. Роторы активных турбин в силу своей конструкции имеют меньшую массу, поэтому маневренные качества активных турбин выше, чем реактивных. Но барабанные роторы реактивных турбин более просты и технологичны в изготовлении, хотя имеют худшие массогабаритные показатели, допускают более медленный прогрев при пуске и менее надежны при резкой смене режимов работы. В активных турбинах подвод пара производится через сопловый аппарат, разделенный на несколько групп. Как правило, каждая группа сопл имеет индивидуальный подвод пара, что облегчает регулирование мощности и числа оборотов турбины. Чисто реактивные турбины выполняются только с полным подводом пара по всей окружности, что существенно затрудняет процесс регулирования мощности. По этой причине в реактивных многоступенчатых турбинах в качестве первой ступени часто применяют одно- или двухвенечную активную регулировочную ступень с сопловым подводом пара. Применение двухвенечной регулировочной ступени позволяет сработать значительный теплоперепад уже в первой ступени турбины, и тем самым уменьшить общее число ступеней турбины и снизить параметры пара перед последующими ступенями.
В реактивных турбинах значения давления пара перед рабочими лопатками и за ними неодинаковы, вследствие чего возникает значительная осевая сила, воздействующая на ротор реактивной турбины и направленная со стороны впуска пара в сторону выхлопного патрубка. Для уменьшения осевых усилий, воздействующих на ротор реактивной турбины и ее упорный подшипник, применяются разгрузочные устройства – думмисы.
Конструктивные особенности и характер изменения давлений и скоростей пара в многоступенчатых турбинах показаны на рис. 46.
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
Особенности работы многоступенчатых турбин
Многоступенчатые турбины имеют некоторые особенности работы, отсутствующие у турбин одноступенчатых.
1. Использование скоростной энергии выхода потока из предыдущей ступени при входе в последующую.
Выходя из межлопаточных каналов предыдущей ступени поток имеет какую-то абсолютную скорость выхода с2пр (рис. 48) и обладает определенным запасом кинетической энергии .
| |
Эта кинетическая энергия добавляется к той, которая получается в сопловых каналах последующей ступени за счет перепада давлении Р0 – Р1.
В результате, скорость потока на выходе из сопловой решетки последующей ступени будет функцией двух факторов с1 = f(P0 – P1; c2пр) т.е., увеличивается по сравнению с вариантом, когда скорость с1 определяется только по теплоперепаду, обусловленному перепадом давлений.
Для полного использования выходной энергии предыдущей ступени необходимо, чтобы вход потока в сопловые каналы последующей был плавным, безударным. Если же это не обеспечивается, то часть кинетической энергии в результате удара о входную кромку сопловых перегородок и возникающих завихрений превращается в тепловую.
В реальных условиях во многих случаях удается использовать только часть выходной кинетической энергии предыдущей ступени , где l – коэффициент использования выходной энергии, а остальная её часть
превращается в тепло.
В идеальных условиях при хорошо спроектированной проточной части l = 1. Иногда же, при определенной конфигурации проточной части, сохранить скорость потока с2пр и его направление не удается; тогда l = 0.
Использование выходной энергии предыдущей ступени невозможно (l = 0) в следующих случаях:
1. в первой ступени турбины; если турбина многокорпусная, то в первой ступени каждого корпуса;
2. в активных ступенях, имеющих парциальный впуск пара, если степень парциальности увеличивается от ступени к ступени;
3. во всех ступенях, идущих вслед за большим скачком среднего диаметра облопатывания;
4. в ступенях, перед которыми имеется большой аксиальный зазор, используемый для отбора пара или же впуска пара в турбину извне.
В общем случае l = 0,5.
Располагаемый теплоперепад данной ступени с учетом использования выходной энергии предыдущей определится из выражения
а построение процесса (для активной ступени) дано на рис. 49.
Получая приращение располагаемой энергии, рассматриваемая ступень, однако, теряет свою выходную энергию – как в виде кинетической, так и тепловой.
Все изложенное выше относительно использования выходной энергии одинаково относится как к активным, так и реактивным многоступенчатым турбинам.
2. «Возвращенное» тепло в многоступенчатых турбинах
Как известно, изобары на диаграмме h – s не параллельны друг другу а расходятся в сторону увеличения энтропии (рис. 50).
Поэтому располагаемый теплоперепад между двумя одними и теми же изобарами при сдвиге действительного процесса вправо от основной адиабаты увеличивается. В результате, сумма располагаемых теплоперепадов отдельных ступеней всегда больше располагаемого теплоперепада турбины в целом.
;
и т.д.
т.е.
Увеличение фактического располагаемого теплоперепада оценивается «коэффициентом возвращенного тепла» R.
Оценка коэффициента возвращенного тепла для уже построенных паровых турбин показывает, что R = 1,03 ¸ 1,08.
Данный коэффициент увеличивается:
1. с увеличением степени расширения в турбине,
2. с увеличением потерь энергии в отдельных ступенях турбины, т.е. со снижением КПД турбины,
3. с увеличением числа ступеней в турбине,
4.с увеличением начального давления пара.
3. Характеристический коэффициент (характеристика) многоступенчатой турбины
В многоступенчатых турбинах, так же, как и в одноступенчатых, существует зависимость КПД от соотношения скоростей, но она значительно сложнее.
Соответствующие выражения были предложены двумя различными авторами и носят их имя:
Характеристика Стодола
Характеристика Парсонса
В этих выражениях в числителе – сумма квадратов окружных скоростей на среднем диаметре облопатывания всех ступеней (от 1 до n).
В знаменателе – общий располагаемый теплоперепад, определяющий скорости истечения пара с поправкой на реальность процесса (R).
Характеристика Стодола – это осредненная величина характеристики всех ступеней данной турбины.
Таким образом, характеристика X1 многоступенчатой турбины связана с характеристиками отдельных ступеней турбины и, следовательно, с КПД всей турбины в целом
В зависимости от степени реактивности ступеней существует наивыгоднейшее значение характеристик X1 и X, обеспечивающее наивысший КПД.
Данные коэффициенты позволяют ориентировочно судить о степени совершенства турбины.
Далее, если необходимо спроектировать турбину с наивысшим КПД, для которой заданы параметры пара и осредненная степень реакции по ступеням, то принимая оптимальную характеристику Х1 можно найти значение , а следовательно, при некотором выбранном значении средней окружной скорости u и нужное число ступеней в турбине.
И еще, если две турбины примерно одинаковой мощности и одинаковой осредненной степени реакции в ступенях, имеют одинаковые характеристики, то, независимо от числа ступеней в этих турбинах и окружных скоростей, их окружные КПД будут равны. При этом распределение теплоперепадов между ступенями не имеет значения.
Общие выводы по многоступенчатым турбинам
Применение многоступенчатых турбин приводит к повышению их КПД по следующим причинам:
1. В каждой ступени может быть выдержано наивыгоднейшее значение характеристики X1, обеспечивающее получение максимального окружного КПД,
2. Небольшие теплоперепады в каждой ступени позволяют применять сходящиеся сопла, имеющие меньшие потери, более простые в технологическом отношении и работающие устойчиво на переменных режимах,
3. Выходная скорость из каждой ступени (кроме последней) не является потерянной, а может быть использована в последующей ступени, повышая тем самым общий КПД турбины,
4. Наличие потерь энергии в данной ступени частично компенсируется увеличением действительных располагаемых теплоперепадов следующих ступеней за счет «возвращенного тепла», что также повышает общий КПД турбины.
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 Рк 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
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.
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.
— 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. ηu и ηi от скоростей С1 и u.
Дата добавления: 2015-07-22 ; просмотров: 4621 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ