Расчёт регулирующей ступени

 

Выбираем для турбины сопловое парораспределение, т.к. КПД турбины с сопловым парораспределением более устойчив при изменении нагрузок. В качестве регулирующей ступени принимаем двухвенечную ступень, которая обеспечивает сохранение КПД в широких пределах изменения расхода пара, т.к. турбина предполагается для работы в теплофикационном режиме.

Для снижения температуры в камере регулирующей ступени примерно до 440°С, необходим теплоперепад в регулирующей ступени H₀^рс=300,0 кДж/кг.

Фиктивная изоэнтропийная скорость пара:

 

 

где H₀^рс – располагаемый теплоперепад регулирующей ступени.

Окружная скорость вращения регулирующей ступени:

 

u=p´d_ср´n;

 

Принимаем средний диаметр регулирующей ступени d_ср=0,95 м.

u=3,14´0,95´50=149 м/с.

Отношение скоростей u/c_ф=149/775=0,19.

Полученное отношение скоростей в регулирующей ступени существенно ниже оптимального (u/cф)_опт=0,29¸0,275, но увеличение его при принятом теплоперепаде возможно только за счёт большего диаметра, что недопустимо по размерам поковки ротора.

Располагаемые теплоперепады в решетках ступени определены по принятым значениям степени реактивности в рабочей решётке первого ряда, направляющей и рабочей решётке второго ряда соответственно: r=0,02, r_н=0,04 и r`=0,04:

H_0c=(1-r-r_н-r`)´H₀=(1–0,02–0,04–0,04)´300=270,0 кДж/кг;

H_0р=r´H₀=0,02´300=6,0 кДж/кг;

H_0н=r_н´H₀=0,04´300=12,0 кДж/кг;

H`<sub>0р</sub>=r`´H₀=0,04 ´300=12,0 кДж/кг.

По этим теплоперепадам с помощью hs-диаграммы определены давления: за сопловой решеткой p₁=5,60 МПа; за рабочей решёткой первого ряда p₂=5,50 МПа; за направляющей решёткой p`₁=5,27 МПа; за рабочей решёткой второго ряда p₂=5,05 МПа.

Теоретическая скорость на выходе из сопловой решетки:

 

 

Удельный объём за сопловой решёткой из hs-диаграммы v_1t=0,0522 м³/кг.

Число Маха:

 

 

Так как режим течения в сопловой решетке околозвуковой, проходная площадь её горловых сечений:

 

 

 

Принимаем угол выхода потока из сопловой решетки a1=12°. По этому углу и числу M1t=0,98 из атласа профилей выбираем профиль сопловой решетки С-90–12Б, рассчитанный на околозвуковые скорости M_1t=0,85¸1,15. Далее определяем произведение el₁:

и оцениваем оптимальную степень парциальности:

 

 

Высота сопловых лопаток:

 

 

Хорда профиля сопловой решетки выбрана по условиям прочности: b1=60 мм. Тогда число сопловых каналов:

 

где относительный шаг `t принят близким к оптимальному: по характеристикам решетки С-90–12Б из атласа профилей `t=0,880. По `t и a1»a1э, также с помощью атласа находится угол установки профиля в решетке: aу=32°30¢.

Коэффициент скорости сопловой решетки определяется по обобщённым кривым: j=0,965. Уточнение значения коэффициента скорости при необходимости можно произвести с помощью атласа профилей по коэффициентам потерь энергии профиля С-90–12Б.

Построим треугольник скоростей на входе в рабочую решетку: откладываем вектор скорости на выходе из сопловой решётки c1=j´c1t=0,965´735=709 м/с под углом a1=12° к направлению окружной скорости u=pdn=149 м/с (приложение 3). Из этого треугольника: относительная скорость на входе в рабочую решетку первого ряда: w1=560 м/с и угол направления этой скорости b1=15°.

Проверяем правильность построения треугольника скоростей аналитическим путём:

 

 

 

b1=15°. Расчёт рабочей решетки первого ряда

Откладываем на hs-диаграмме потери на сопловой решетке и там же находим удельный объём за рабочей решеткой v2t= 0,0537 м3/кг.

Теоретическая относительная скорость на выходе из рабочей решетки первого ряда:

 

Число Маха:

 

 

так как a2»a1.

Проходная площадь горловых сечений рабочей решетки первого ряда:

 

 

Принимаем перекрышу рабочих лопаток первого ряда D=1.4 мм. Тогда высота рабочих лопаток:

 

 

Угол выхода потока:

 

 

По углу b₂ и числу М_2t выбран по атласу профиль рабочей решетки первого ряда Р-23–14А. Хорда профиля принята b₂=60 мм, относительный шаг `t=0,638. Число лопаток в рабочей решетке первого ряда по всей окружности рабочего колеса:

 

Построим треугольник скоростей на выходе из рабочей решетки первого ряда: откладываем вектор w₂=y´w_2t=0,931´575=535 м/с под углом b₂=15°19` к направлению, противоположному окружной скорости u (приложение 3). Из этого треугольника: вектор скорости с₂=390 м/с и угол направления этой скорости a₂=21°.

Проверяем правильность построения треугольника скоростей аналитическим путём:

 

 

 

a₂=21°.

Расчёт направляющей решетки

 

Откладываем на hs-диаграмме потери в рабочей решетке первого ряда:

 

 

и определяем удельный объём на выходе из направляющей решетки v`_1t= 0,0565 м³/кг.

Теоретическая относительная скорость на выходе из направляющей решетки ряда:

 

 

Число Маха:

 

Проходная площадь горловых сечений каналов направляющей решетки:

 

 

Принимая перекрышу рабочих лопаток первого ряда D=3,5 мм, определяем высоту направляющих лопаток:

 

 

Угол выхода потока:

 

 

По углу a`<sub>1</sub> и числу М`_1t выбран по атласу профиль направляющей лопатки Р-30–21А. Хорда профиля принята b_н=50 мм, относительный шаг `t=0,645.

Число каналов направляющей решетки:

 

 

Учитывая растекание потока за рабочей решёткой, а также изменение расположения струи пара за рабочими лопатками при изменении отношения скоростей u/c_ф в переменных режимах работы, принимаем число каналов направляющей решетки увеличенным на 2 по сравнению с расчётным, т.е. z_н=35. Построим треугольник скоростей на выходе из направляющей решетки: откладываем вектор с`<sub>1</sub>=y<sub>н</sub>´с`_1t=0,941´422=397 м/с под углом a`<sub>1</sub>=20° к направлению окружной скорости u (приложение 3). Из этого треугольника: вектор скорости w`₁=260 м/с и угол направления этой скорости b`₁=31°.

Проверяем правильность построения треугольника скоростей аналитическим путём:

 

 

 

b`₁=31°13¢.

Расчёт рабочей решетки второго ряда

 

Откладываем на hs-диаграмме потери на направляющей решетке:

 

 

и там же находим удельный объём за рабочей решеткой v`_1t= 0,0590 м³/кг.

Теоретическая относительная скорость на выходе из рабочей решетки второго ряда:

 

Число Маха:

 

 

Проходная площадь горловых сечений рабочей решетки второго ряда:

 

 

Принимаем перекрышу рабочих лопаток второго ряда D=4,0 мм. Тогда высота рабочих лопаток:

 

 

Угол выхода потока:

 

 

По углу b`<sub>2</sub> и числу М`_2t выбран по атласу профиль рабочей решетки второго ряда Р-46–29А. Хорда профиля принята b`<sub>2</sub>=60 мм, относительный шаг `t=0,529.

Число лопаток в рабочей решетке второго ряда по всей окружности рабочего колеса:

 

 

Построим треугольник скоростей на выходе из рабочей решетки второго ряда: откладываем вектор w`<sub>2</sub>=y`´w`<sub>2t</sub>=0,951´304=289 м/с под углом b`₂=28°3` к направлению, противоположному окружной скорости u (приложение 3). Из этого треугольника: вектор скорости с`₂=170 м/с и угол направления этой скорости a`₂=50°.

Проверяем правильность построения треугольника скоростей аналитическим путём:

 

 

a`₂=52.

 

Определение относительного лопаточного КПД

Располагаемый теплоперепад от параметров торможения первой нерегулируемой ступени:

 

 

Располагаемый теплоперепад сопловой решетки первой нерегулируемой ступени:

 

Энтальпия пара за сопловой решеткой:

 

h_1I=h₀-H_oc=3273,0–29,0=3244,0 кДж/кг.

По hs-диаграмме находим: p₁=4,59 МПа; v₁=0,0657 м³/кг.

Высота рабочей лопатки:

l₂=l₁+d=47+3=50 мм.

d=6 мм – перекрыша, принимая в зависимости от l₁.

Корневой диаметр:

d_k=d₁-l₂=0,844–0,050=0,794 м.

Этот диаметр принимаем постоянным для всех ступеней. В первом приближении будем считать, что во всех ступенях выбраны одинаковые теплоперепады и углы.

Средний диаметр последней ступени определяем по соотношению:

 

l_2zd_2z=l₂d₂v_2z/v₂₂.

 

v_2z=0,125 м³/кг, удельный объём за последней ступенью. Определяем приближённо по предварительно построенному процессу v₂₂=0,0657 м³/кг.

l_2zd_2z=0,050´0,844´0,125/0,0657=0,0803.

Высота рабочей лопатки последней ступени:

 

Диаметр последней ступени:

 

d_z=d_k+l_2z=0,794+0,091=0,885 м.

 

Высота сопловой лопатки:

 

l_1z=l_2z-d=91–3=88 мм.

 

d=3 мм. Располагаемый теплоперепад принят одинаковым для всех ступеней, кроме первой:

 

H₀^2-6=H₀¹´k₀=33,7´0,96=32,35 кДж/кг.

к₀ – коэффициент, соответствующий углу выхода из сопловой решетки.

Средний теплоперепад ступеней:

 

где z=8-предварительное число ступеней в отсеке.

 

Располагаемый теплоперепад в отсеке:

H₀^отс=3273–3033=246 кДж/кг.

Коэффициент возврата теплоты:

 

k_t=4,8´10^-4-для турбин, работающих в области перегретого пара.

h_oi=0,82 – предполагаемое КПД отсека.

 

 

Число ступеней отсека:

 

Число ступеней округляется до целого число: z=8.

Располагаемый теплоперепад отсека:

SH⁰_отс=H₀¹+(z-1) H₀^2-6=33,70+(8–1) 32,35=260,15 кДж/кг;

 

Невязка:

 

DH₀=(1+q_t) H⁰_отс-SH⁰_отс=(1+0,0186) 246,00–260,15=-9,57 кДж/кг.

 

Эта невязка должна быть распределена между ступенями.

Поправка к теплоперепаду первой ступени:

 

DH₀¹=DH₀´H¹₀/SH⁰_отс =-9,57´33,70/260,15=-1,24 кДж/кг.

 

со 2 по 8 ступени:

 

DH₀^2-6=DH₀´H^2-6₀/SH⁰_отс =-9,57´32,35/260,15=-1,19 кДж/кг.

 

Скорректированный теплоперепад:

1 ступень:

 

H₀¹=H¹₀+ DH₀¹=33,70–1,24=32,46 кДж/кг.

 

Со 2 по 8 ступень:

 

H₀^2-6=H^2-6₀+ DH₀^2-6=32,35–1,19=31,16 кДж/кг.

 

Проверка корректировки:

 

(1+q_t) H⁰_отс= H₀¹+(z-1) H₀

 

(1+0,0186) 246=32,46+(8–1) 31,16

250,58=250,58.

Оба значения в пределах точности.

Расчёт сопловой решетки

 

Начальные параметры пара: p₀=5,05 МПа; t₀=435°C;

Средний диаметр d_cр=0,844 м;

Располагаемый теплоперепад Н_о=32,46 кДж/кг;

Фиктивная изоэнтропийная скорость:

 

Окружная скорость:

 

u=p´d´n=3,14´0,844´50=132,6 м/с.

 

Степень реактивности r_к=0,05. Принимаем l₂/d₂=0,072.

 

Располагаемый теплоперепад сопловой решетки:

 

Энтальпия пара за соплами при адиабатическом течении:

 

h_1t=h₀-H_oc=3273–26,94=3252,06 кДж/кг.

 

Из hs-диаграммы p₁=4,62 МПа, v_1t=0,0654 м³/кг.

Теоретическая скорость на выходе из сопловой решетки:

Число Маха:

 

Так как режим течения в сопловой решетке дозвуковой, проходная площадь её горловых сечений:

 

m₁-коэффициент расхода, m₁=0,96 – принимаем предварительно.

Высота сопловой решетки:

 

Принимаем угол выхода потока из сопловой решетки a₁=12°. По этому углу и числу M_1t=0,386 из атласа профилей выбираем профиль сопловой решетки С-90–12А, рассчитанный на дозвуковые скорости M_1t до 0,85.

По характеристике сопловой решетки определяем: `t_опт=0,8; b₁=80 мм.

Шаг решетки:

 

t=`t_опт´b₁=0,8´0,08=0,064 м.

 

Количество лопаток в сопловых решетках:

Число сопловых лопаток выбирают чётными, т. к. диафрагма, в которой располагаются сопла, состоит из двух половин. Значит z₁=42.

Уточним значение относительного шага t_отн=0,836.

Действительная скорость на выходе из сопловой решетки:

 

c₁=j´c_1t=0,94´232,1=218,2 м/с

 

Относительная скорость на выходе:

 

Определяем b₁ по формуле:

 

b₁=29°18¢.

Потери энергии на сопловой решетке:

 

Энтальпия пара за соплами при действительном истечении:

 

h₁=h_1t+DH_c=3252,06+1,14=3253,20 кДж/кг.

 

Расчёт рабочей решетки

Высота рабочей решетки:

 

Располагаемый теплоперепад рабочей решетки:

 

Теоретическая относительная скорость пара на выходе из рабочей решётки:

 

Энтальпия пара за рабочей решёткой при адиабатическом течении:

 

h_2t=h₁-H_ор=3253,20–5,52=3247,68 кДж/кг.

 

Из hs-диаграммы p₂=4,53 МПа, v_2t=0,0665 м³/кг.

Корневой диаметр:

 

d_k=d₁-l₂=0,844–0,061=0,783 м.

 

Этот диаметр принимаем постоянным для всех ступеней отсека.

Принимаем: b₂=60 мм.

Выходная площадь:

 

m₂=0,93 – коэффициент расхода.

Угол выхода b₂ определяем по формуле:

 

Число Маха:

 

По углу b₂ и числу М_2t выбран по атласу профиль рабочей решетки первого ряда Р-23–17А. По характеристике сопловой решетки определяем: `t_опт=0,65; b₂=60 мм.

Шаг решетки:

 

t=`t_опт´b₁=0,65´0,06=0,0390 м.

 

Количество лопаток в сопловых решетках:

 

По значению l₂ определяем коэффициент скорости рабочих решёток: y=0,93. Действительная относительная скорость пара на выходе из рабочей решетки:

 

w₂=y´w_2t=0,93´140,1=130,3 м/с.

 

Абсолютная скорость пара на выходе из решетки:

 

Угол направления скорости с₂:

 

 

a₂=102°54`.

Определение относительного лопаточного КПД

а) По потерям в ступени:

 

где Е₀ – располагаемая энергия ступени, кДж/кг, Е₀=Н₀-ch_в.с;

Dh_с – потери энергии в сопловой решетке, кДж/кг;

Dh_р – потери энергии в рабочей решетке первого ряда, кДж/кг;

Dh_в.с -потери энергии с выходной скоростью, кДж/кг;

 

Е₀=Н₀-ch_в.с=32,46–1´1,06=31,40 кДж/кг.

 

d_п=d+l₂=0,844+0,061=0,905 м – диаметр по периферии рабочих лопаток;

d_экв=0,06 мм – принимаем постоянным для всех ступеней отсека;

r_ср=0,170 – степень реактивности для среднего сечения.

m_1у - коэффициент расхода, m_1у =0,74;

F_1y=6,6´10^-4м²-площадь зазора уплотнения;

m_1уF_1y/Öz_1y=1,4´10^-4 м² – причём для всех ступеней отсека принято постоянным.

 

Потери от утечек через периферийный зазор над лопатками:

 

d_п=d+l₂=0,894+0,111=1,005 м – диаметр по периферии рабочих лопаток;

d_экв=0,06 мм – принимаем постоянным для всех ступеней отсека;

Степень реактивности для периферийного сечения:

 

Находим внутренний относительный КПД:

h_oi=0,850–0,00129–0,00189–0,01954=0,827.

Определение внутренней мощности ступени

Использованный теплоперепад ступени:

 

H_i=E₀h_oi=32,18´0,827=26,61 кДж/кг.

Внутренняя мощность ступени:

 

N_i=G´H_i =110.54´26,61=2941 кВт.

 

Энтальпия пара в камере за ступенью:

 

h_к=`h₀-H_i=3079–26,61=3052,39 кДж/кг.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: