СТМ (Методичка по паровой ступени)

Министерство транспорта и связи Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок

Ю. В. Варечкин, А. А. Батялов, Храмов М.Ю.

СУДОВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Нижний Новгород

2008

Министерство транспорта и связи Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок

Ю. В. Варечкин, А. А. Батялов, Храмов М.Ю.

СУДОВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Методические указания к самостоятельному изучению курса, решению задач и контрольные задания для студентов очного и заочного обучения по дисциплине специальности 180403 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

г. Нижний Новгород

2008

УДК 629.12-135

В18

Отв. рецензент – доц., к.т.н. Валиулин С.Н.

Варечкин, Ю. В

Судовые турбомашины: Методические указания к самостоятельному изучению курса и контрольные задания для студентов очного и заочного обучения специальности 180403 «Эксплуатация судовых энергетических установок».- Н.Новгород: Издательство ГОУ ВПО ВГАВТ, 2008. – 17с.

Рассмотрены общие вопросы по дисциплине “Судовые турбомашины”. Дана методика расчета ступени паровой турбины, построения треугольника скоростей ступени.

Работа рекомендована к изданию кафедрой эксплуатации судовых энергетических установок (протокол №8 от 28.05.2008г.).

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания и контрольные задания разработаны в соответствии с программой курса “Судовые турбомашины” для студентов очного и заочного обучения специальности 180403 Эксплуатация судовых энергетических установок».

Задание студентам очного обучения на самостоятельное изучение отдельных разделов курса и решение домашних задач, условия которых здесь изложены, сообщается преподавателями непосредственно в процессе обучения. Студенты-заочники выбирают вариант задания на контрольную работу по последней цифре своего шифра и в соответствии с номером группы, которая устанавливается в зависимости от начальной буквы фамилии студента:

Р, С, Т, У, Ц, Ч, Ш - I группа;

Л, М, Н, О, П, Х - II группа;

Е, Ж, З, И, К, Ф - III группа;

А,Б,В,Г,Д,Щ,Э,Ю,Я - IV группа.

Работа паровой ступени

Паротурбинная установка (ПТУ) состоит из следующих элементов: котлоагрегата 1, паровой турбины 2, пароперегревателя 3, питательного насоса 4 и конденсатора 5 (рис.1).

Рис.1 Схема ПТУ

Пар получаемый в котлоагрегате 2 направляется в турбину 1 где его теплота преобразуется в энергию вращения ротора. Эта энергия может быть отдана любому потребителю (движителю судна, насосу, электрогенератору и т. д.). Отработавший пар из турбины 1 поступает в конденсатор 5. Конденсатор прокачивается забортной водой, которая и служит теплоприемником. В конденсаторе пар охлаждается и конденсируется; конденсат забирается насосом 4 и подается в котлоагрегат 2. С целью повышения эффективности установки пар, вырабатываемый в котлоагрегате, направляется в пароперегреватель 3.

Теоретически ПТУ работает по идеальному циклу Ренкина (рис.2).

Рис.2

Цикл Ренкина

В паровом котлоагрегате за счет теплоты сжигаемого топлива вода при Р₁=const нагревается до температуры кипения (процесс 3-4), кипит при постоянных температуре и давлении (4-5), затем большая часть пара направляется в пароперегреватель котлоагрегата и перегревается до заданной температуры Т₁ (5—1), а часть сухого насыщенного пара поступает к вспомогательным механизмам ВМ (турбогенератор, грузовые насосы и т. п.). Удельная теплота, затраченная на получение и перегрев 1 кг пара в котле, кДж/кг, определяется зависимостью

(1.1)

где h₁- энтальпия пара, вышедшего из пароперегревателя;

h₃- энтальпия питательной воды при входе в котел.

Теплота, сообщенная пару в котле и пароперегревателе, изображается в T-S диаграмме площадью 7-3-4-5-1-6-7.

Перегретый пар с давлением Р₁ и температурой Т₁ поступает в турбину, расширяется в ней совершая работу l_m. Для турбины, работающей без потерь и теплообмена с окружающей средой, процесс расширения протекает по адиабате 1-2. Длина отрезка 1-2, равная разности энтальпий, определяет теоретическую работу 1кг пара в турбине и называется также располагаемым теплоперепадом (теплопадением), т.е. .

Располагаемый теплоперепад удобно определять с помощью h-S диаграммы (Рис.3)

Рис.3

Процесс расширения пара в турбине

В действительности процесс расширения пара в турбине имеет значительную степень необратимости, т.к. течение его в проточной части сопровождается потерями, поэтому линия процесса расширения пара отклоняется от адиабаты в сторону увеличения энтропии и процесс протекает по политропе 1-2д.

В результате увеличения энтропии отработанного пара повышается энтальпия. Поэтому разность между начальной и конечной энтальпиями уменьшается и действительная работа 1кг пара в турбине называется использованным теплоперепадом и будет равен .

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении р₂ конденсируется (процесс 2-3 или 2д-3), отдавая забортной воде удельную теплоту:

в идеальном цикле (1.2)

в реальном цикле (1.3)

где h₂- энтальпия, отработавшего в турбине пара при адиабатном процессе расширения;

h_2д- энтальпия, отработавшего в турбине пара при действительном процессе расширения;

h_3’- энтальпия конденсата.

Теплота отводимая от пара изображается в T-S диаграмме площадью 7-3’-2-6-7.

Схема простейшей турбины представлена на рис.4.

Рис.4 Схема одноступенчатой турбины

В корпусе 1 турбины закреплены сопла 2. Они образуют неподвижный лопаточный венец – сопловой аппарат. Пар входит в сопловой аппарат, где происходит его расширение, при этом давление и температура падают, и происходит соответствующее увеличение скорости потока. Таким образом, в соплах происходит первое преобразование энергии – потенциальной в кинетическую.

Выйдя из сопел, поток, обладая большой скоростью, направляется в изогнутые каналы между венцами рабочих лопаток 3, закрепленных на ободе рабочего колеса 4. В каналах рабочих лопаток рабочее тело изменяет направление движения и, воздействуя на лопатки, приводит во вращение рабочее колесо с валом 5. Таким образом на рабочих лопатках происходит второе преобразование энергии.

Рабочее колесо с валом, опирающимся на подшипники 6, образуют ротор, а сопловой аппарат вместе с корпусом – статор турбины. В местах выхода вала из корпуса турбины установлены уплотнения 7, ограничивающие утечку пара наружу.

График изменения давления и скорости при протекании пара в реактивной ступени показан на рис.5

Рис.5 Схема реактивной ступени

Пар с давлением р₀ и скоростью с₀ поступает в сопла 1, где он расширяется до давления р₁ и приобретает скорость с₁. С этой скоростью поток входит в каналы рабочих лопаток 2 и воздействует на них по активному принципу. Однако процесс в каналах рабочих лопаток на этом не заканчивается. Вследствие несимметричного профиля рабочих лопаток каналы имеют сужающуюся форму, поэтому в них продолжается расширение рабочего тела до давления р₂, сопровождающееся увеличением относительной скорости от W₁ на входе до W₂ на выходе. Это приводит к появлению реактивной силы, действующей на каждую из рабочих лопаток венца. При выходе из ступени абсолютная скорость рабочего тела равна с₂.

На рис. 6 показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной ступени.

Рис. 6 Силы, действующие на реактивную лопатку ступени

При течении по каналу, образованному лопатками рабочего колеса, рабочее тело, обтекая профили лопаток, изменяет направление и величину скорости своего движения, а лопатки при этом испытывают ответное действие со стороны газа в виде сил давления.

Попадая из направляющего канала 1 в рабочий канал 2, поток изменяет направление течения, вследствие чего развиваются центробежные силы частиц рабочего тела. Суммарное усилие, испытываемое рабочей лопаткой от активного действия струи, выразится силой р_акт. Так как в рабочем канале поток расширяется, то возникает реактивная сила р_реакт, направление которой зависит от формы лопатки. Сложив силы р_акт и р_реакт, получим равнодействующую силу р, вращающую рабочую лопатку. Окружная составляющая этой силы р_и, вращает ротор, а осевая р_а – воспринимается упорным подшипником.

Схема течения рабочего тела в турбине приведена на рис. 7

Поток рабочего тела выходящий из сопловых лопаток со скоростью с₁ под углом α₁ к плоскости вращения колеса поступает на рабочие лопатки, вращающиеся со скоростью и. Скорость рабочего тела относительно лопаток w₁ находится геометрическим суммированием .

Рис. 7

Схема течения рабочего тела в турбине

Треугольник, составленный из векторов , и называется треугольником скоростей на входе в рабочее колесо или входным треугольником скоростей.

В сужающихся криволинейных каналах рабочего колеса (f_2к<f_1к) происходит дальнейшее расширение рабочего тела, сопровождающееся уменьшением его давления и температуры. Поток поворачивает в сторону, обратную направлению движения лопаток. На выходе из рабочих лопаток относительная скорость возрастает до w₂ и направляется под углом β₂ к плоскости колеса.

Абсолютная скорость рабочего тела за рабочим колесом находится как геометрическая сумма , а треугольник, составленный из этих векторов, называется треугольником скоростей на выходе из рабочего колеса или выходным треугольником скоростей. По величине с₂ меньше чем с₁, так как значительная часть кинетической энергии расходуется на вращение рабочего колеса.

При построении треугольника скоростей нет необходимости в вычерчивании профилей лопаток, поэтому они строятся отдельно, причем вершины их располагаются в общей точке, называемой полюсом построения.

Входной и выходной треугольники скоростей рабочего тела, совмещенные на одном рисунке, называются планом скоростей ступени (рис.3.7и рис.3.8).

Проекции скоростей потока на осевое направление имеют индекс а, а на окружное – u. Положительными приняты направления по вращению и по потоку.

При построении треугольника скоростей выбираем полюс построения О и проводим через него линию направления окружной скорости и. Под углом α₁ к этому направлению откладываем из полюса О в выбранном масштабе скоростей вектор скорости выхода рабочего тела из сопла с₁. Угол α₁ равен 16⁰…35⁰.

Вычитая из вектора абсолютной скорости с₁ вектор окружной скорости и, получим вектор относительной скорости входа потока в каналы рабочих лопаток w₁. Угол между вектором относительной скорости w₁ и направлением окружной скорости и обозначается β₁ и называется углом входа потока на рабочие лопатки.

При проходе через каналы рабочих лопаток поток изменяет направление своего движения соответственно очертанию профиля лопаток и выходит из каналов с относительной скоростью w₂. Отложим вектор этой скорости (в принятом масштабе) из полюса О под углом β₂ в направлении, обратном окружной скорости. Угол β₂ называется углом выхода потока из каналов рабочих лопаток. Для активной ступени угол β₂ принимается равным углу β₁, либо на 3⁰…5⁰ меньше его.

Складывая геометрически вектор скорости w₂ с вектором окружной скорости и, найдем абсолютную скорость с₂ выхода потока из каналов рабочих лопаток.

Угол α₂ между направлением скорости с₂ и отрицательным направлением окружной скорости, должен быть близок к 90⁰. Для одноступенчатой и последней ступени многоступенчатой турбины 90- α₂=0⁰…10⁰, для других ступеней 90- α₂=20⁰…35⁰.

Величина с_1и называется начальной закруткой, с_2и- закруткой за турбиной.

План скоростей реактивной ступени турбины представлен на рис. 8.

Рис 8 План скоростей реактивной ступени турбины

Расчет ступени паровой турбины

На основании данных: давление пара на входе в ступень р₀ (МПа), температура пара на входе в ступень t₀ (⁰C), степень реактивности ρ и характеристикой турбинной ступени , приведенных в таблице 1, произвести расчет ступени паровой турбины, изобразить треугольник скоростей и тепловой процесс ступени в hS координатах.

Таблица 1

Исходные данные к расчету

Исход-ные данные	Гр у п.	Варианты
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
P0 МПа	1 2 3 4	3,0 2,5 4,0 3,5	2,5 3,0 3,5 4,0	4,0 3,5 3,0 2,5	3,5 4,0 2,5 3,0	3,0 2,5 4,0 3,5	2,5 3,0 3,5 4,0	4,0 3,5 3,0 2,5	3,5 4,0 2,5 3,0	3,0 3,5 4,0 2,5	2,5 4,0 3,0 3,5
t0 ^0C	1 2 3 4	500 530 550 510	510 520 530 540	550 540 530 520	530 500 550 510	520 540 560 500	530 540 550 560	510 530 550 520	500 510 520 530	530 500 550 510	510 520 530 540
P2 МПа	1 2 3 4	1,2 1,3 1,2 1,3	1,3 1,2 1,3 1,2	1,2 1,3 1,2 1,3	1,3 1,2 1,3 1,2	1,2 1,3 1,2 1,3	1,3 1,2 1,3 1,2	1,2 1,3 1,2 1,3	1,3 1,2 1,3 1,2	1,2 1,3 1,2 1,3	1,3 1,2 1,3 1,2

Продолжение табл.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
ρ	1 2 3 4	0,4 0,5 0,45 0,35	0,3 0,35 0,4 0,45	0,48 0,46 0,44 0,42	0,39 0,41 0,43 0,45	0,5 0,4 0,3 0,5	0,3 0,35 0,4 0,45	0,48 0,46 0,44 0,42	0,39 0,41 0,43 0,45	0,5 0,4 0,3 0,5	0,4 0,5 0,45 0,35
γ	1 2 3 4	0,8 0,7 0,6 0,9	0,75 0,65 0,85 0,75	0,71 0,73 0,75 0,77	0,82 0,84 0,88 0,86	0,69 0,67 0,65 0,63	0,72 0,74 0,76 0,78	0,89 0,87 0,85 0,83	0,62 0,64 0,66 0,68	0,75 0,65 0,85 0,75	0,82 0,84 0,88 0,86

1. По начальным параметрам пара р₀ и t₀ найти на h-S диаграмме (рис.12) точку O и определить в ней энтальпию пара h₀ (кДж/кг).

2. Провести от точки O адиабату до пересечения с изобарой р₂ в точке и найти энтальпию в этой точке (кДж/кг).

3. Определить располагаемый теплоперепад (кДж/кг).

4. Вычислить теплоперепад используемый в сопле (кДж/кг).

5. От точки 0 откложить теплоперепад h_c и получить точку 1t. Определить изобару Р₁ (проходящую через эту точку), соответствующую давлению пара на выходе из сопел.

6. Выбрать значение коэффициента скорости φ (0,94…0,98) и определить потерю теплоты в сопле (кДж/кг).

7. От точки 1t отложить вверх потерю q_c и, проведя горизонталь до пересечения с изобарой р₁, найти точку 1 соответствующую действительному состоянию пара на выходе из сопла. Линия 01 характеризует условный процесс расширения пара в сопле. Определить энтальпию в точке 1 h₁.

8. Из точки 1 провести адиабату до пересечения с изобарой Р₂ в точке 2t и определить энтальпию в этой точке h_2t.

9. Определить теплоперепад срабатывающий на рабочих лопатках h_p=h₁-h_2t (кДж/кг).

10. Найти теоретическую скорость пара на выходе из сопла (м/с) при h_c в (Дж/кг) или при h_c в (кДж/кг) .

11. Определить действительную скорость пара на выходе из сопла .

12. Определить окружную скорость (м/с).

13. Выбрав угол наклона сопла α₁ (16⁰…35⁰) построить входной треугольник скоростей, по которому вычислить относительную скорость пара w₁ на входе на рабочие лопатки.

14. Рассчитать относительную теоретическую скорость w_2t пара на выходе из рабочих лопаток (м/с).

15. Выбрать значение коэффициента скорости рабочей решетки ψ по графику, приведенному на рис.9, и определить действительную относительную скорость истечения пара из рабочей решетки (м/с).

Рис.9 Зависимости для выбора коэффициента скорости

16. Определить потери на рабочих лопатках (кДж/кг). Откложить их значение от точки 2t вверх и, проведя горизонталь до пересечения с изобарой Р₂, найти точку 2 соответствующую действительному состоянию пара на выходе из сопла. Линия 1-2 характеризует процесс расширения пара на рабочих лопатках.

17. По значению относительной скорости и углу построить выходной треугольник скоростей и найти абсолютную скорость с₂ (рис.10).

Рис.10 Треугольник скоростей

18. Определить потери с выходной скоростью(кДж/кг). Отложить их от точки 2 вверх и, проведя горизонталь до пересечения с изобарой Р₂, найти точку 3, соответствующую состоянию пара на выходе из ступени. Линия 0-1-2-3 характеризует тепловой процесс в рассматриваемой ступени (рис.11).