2. Область применения колес со ступенями скорости

Из рассмотрения вышеуказанного можно сделать следующие выводы: двухвенечные колеса следует применять в том случае, когда экономичность не играет определяющей роли, но необходимо обеспечить небольшие габариты турбины.

Можно назвать следующие характерные примеры применения колес со ступенями скорости:

1. Турбина заднего хода (ТЗХ). Экономичность ТЗХ не имеет существенного значения, т.к. корабли ходят задним ходом ограниченное время. Поэтому, как правило, проточная часть ТЗХ состоит из одного двухвенечного колеса, что позволяет намного сократить габариты турбины.

2. Турбины вспомогательных механизмов небольшой мощности. Если в составе КЭУ предусмотрены вспомогательные механизмы с паровым приводом, то в качестве последнего применяются колеса со ступенями скорости. При небольшой мощности расход пара на такой механизм невелик и экономичность турбопривода не играет определяющей роли; основное требование в данном случае – обеспечить минимальные габариты турбопривода.

3. Иногда колеса с двумя ступенями скорости применяются в качестве первых (регулирующих) ступеней главных турбин или турбин паротурбогенераторов. В этом случае удается в первой ступени сработать большой теплоперепад и тем самым уменьшить число ступеней, а, следовательно, осевые размеры и вес турбины.

Лекция №15
Тема:	Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине
Учебная цель:	Дать систематизированные основы научных знаний о принципе действия, устройстве, области применения и физических процессах преобразования энергии в многоступенчатых турбинах
Учебные вопросы:	Принципиальное устройство многоступенчатых паровых турбин (МСПТ) Процесс в h-s диаграмме для МСПТ Понятие о возвращенном тепле. Связь между КПД МСПТ и КПД ее ступеней
Литература:	[1]. Иванов Г.В., Горбачев В.А., Усов Ю.К. «Судовые турбомашины», СПб – ВМИИ, 2006. c. 145÷154

1. Принципиальное устройство многоступенчатых паровых турбин

Колеса со ступенями скорости, как отмечалось выше, позволяют сработать большие теплоперепады при малых отношениях скоростей. Однако значения КПД при этом будут малыми, что объясняется увеличением гидродинамических потерь из-за установки дополнительных решеток и больших скоростей пара в проточной части. Поэтому использовать колеса со ступенями скорости для главных турбин переднего хода, которые должны иметь высокую экономичность, не рекомендуется.

Для получения высокого КПД теплоперепад Н_а, приходящийся на всю турбину, используется на последовательно расположенных одиночных активных или реактивных ступенях. Такие ступени называют ступенями давления. На каждую из них приходится определенный перепад давлений. Турбины, состоящие из нескольких ступеней давления, называют многоступенчатыми.

Паровую турбину с несколькими ступенями давления можно представить себе как турбину, состоящую из нескольких одноступенчатых турбин, соединенных последовательно: рабочие лопатки всех ступеней насажаны на общем роторе 1, все ступени помещены в одном корпусе 2 (рис.89). Пар последовательно проходит через все турбинные ступени, отдавая в каждой из них часть своей энергии. Расширение пара осуществляется от начального давления Р₀ до конечного давления Р_z, близкого к давлению в конденсаторе.

Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине можно проследить по диаграмме изменения по ступеням давлений и скоростей, которая помещена в нижней части рис.89. На этом рисунке изображен схематический разрез турбины, состоящей из четырех активных ступеней (давления). Корпус такой турбины разделен диафрагмами 5, 7 и 9 (перегородками) на четыре отдельные камеры. Пар может проникать из одной камеры в следующую только через сопла, расположенные в корпусе и диафрагмах по их окружности.

Расширение пара происходит следующим образом. Пар с давлением Р₀ подводится к соплам первой ступени 3, где происходит некоторое понижение давления до значения Р₁ на выходе из сопел. В результате скорость пара возрастает от значения С₀ до С₁. Пройдя лопатки первой ступени 4, скорость пара уменьшается до значения С₂. Далее пар поступает в сопла второй ступени, расположенные в диафрагме 5, где происходит дальнейшее понижение давления до уровня, равного Р₂, а скорость возрастает до значения С₁ и т.д. по ступеням. Если во всех ступенях теплоперепады одинаковы, то скорости пара С₁ и С₂ для всех ступеней будут тоже примерно равными.

В рассматриваемом случае имеют место по числу ступеней четыре ступеньки понижения давления, откуда и происходит название турбины (с четырьмя ступенями) давления.

Так как удельный объем пара по мере его расширения увеличивается, то сечения сопел и высота рабочих лопаток постепенно возрастают от первой ступени к последней.

Многоступенчатые турбины могут быть активными (состоящими из активных ступеней), реактивными (состоящими из реактивных ступеней) и активно-реактивными; в последнем случае часть ступеней (обычно первая ступень) – активные, остальные ступени реактивные.

Обозначим через Н_а общий теплоперепад на турбину. Тогда, если приближенно принять, что все ступени срабатывают одинаковый теплоперепад h_аср, общее число ступеней составит

. (4.3.1)

В однокорпусных главных турбинах число ступеней обычно составляет 10÷15, а в быстроходных турбинах турбогенераторов – 5÷6.

Согласно (4.3.1) в одной турбинной ступени срабатывается теплоперепад

. (4.3.2)

Тогда для турбины, состоящей из z ступеней, абсолютная скорость выхода пара из сопла каждой ступени в соответствии С (4.3.2) составит

=. (4.3.3)

При условии, что все ступени турбины работают при оптимальном отношении скоростей ξ_opt, окружная скорость на среднем диаметре каждой из ступеней многоступенчатой турбины будет равна (при D = const)

. (4.3.4)

В случае одноступенчатой турбины, срабатывающей весь теплоперепад Н_а, при оптимальном отношении скоростей ξ_opt окружная скорость составляет

. (4.3.5)

Сравнивая значения (4.3.4) и (4.3.5), получаем

. (4.3.6)

Из выражения (4.3.6) вытекает вывод о том, что применение многоступенчатой турбины, состоящей из z ступеней, при равных прочих условиях позволяет снизить наивыгоднейшую окружную скорость рабочих лопаток в раз.

Таким образом, требование, определяемое условием u=300÷350 м/с, достигается вторым путем: применением многоступенчатых турбин, состоящих из нескольких ступеней давления.