Теплотехника - Чечеткин А.В.
Скачать (прямая ссылка):
ГЛАВА 6
ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ
§6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Турбиной называется лопаточный двигатель, преобразующий энергию потока пара, газа или воды, протекающего через сопловой аппарат и рабочие лопатки ротора (лопасти рабочего колеса) в механическую энергию. В зависимости от характера рабочего тела различают паровые, газовые и гидравлические турбины.
В настоящее время в ЭХТС находят применение паровые и газовые турбины. Паровые турбины, работающие на энергетическом паре, получаемом с ТЭЦ либо с котлов-утилизаторов, используются в качестве привода турбокомпрессоров и турбонасосов. Газовые турбины работают на технологических и отбросных газах химических производств, имеющих избыточное давление, и также используются в качестве привода турбокомпрессоров и турбонасосов.
Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатая турбина состоит из статора (соплового аппарата) и ротора — рабочего колеса, имеющего на периферии лопатки, образующие каналы, по которым движется рабочее тело. Многоступенчатая турбина представляет собой несколько последовательно соединенных одноступенчатых турбин, которые называются ступенями. Принцип работы турбины рассмотрим на примере одной ступени, изображенной на рис. 6.1. Рабочее тело с повышенным начальным давлением р0 и начальной температурой Т0 подводится к неподвижному соплу А статора. При постоянном массовом расходе рабочего тела шс на выходе из сопла поддерживается постоянное давление ру < р0. Под влиянием разности давлений по- р уд ток рабочего тела с пос---¦¦--м—
тоянной скоростью с\ (м/с) направляется в криволинейные каналы В, образованные рабочими лопатками. Протекая по этим каналам, поток создает усилие Р, вращающее рабочее колесо турбины. Обозначив через и (м/с) окружную скорость движения лопаток и построив треугольник скоростей на входе в каналы рабочих
.. Ступень турби.
Рис. 6.1. Ступень турбины
299
лопаток, можно найти относительную скорость входа wx потока в каналы рабочих лопаток и ее направление, которое определяется углом pY
В соответствии с формулами (1.161) и (1.179) найдем абсолютную скорость входа потока на лопатки:
С1 = ф1",41|Д;, (6.1)
где h0 — изоэнтропийный перепад теплоты от начальных параметров р0 и Т0 до рь Дж/кг; ф = 0,94... 0,98 - скоростной коэффициент. Окружная скорость рабочих лопаток определяется по формуле
и = 271П1/60, (6.2)
где г — средний радиус расположения лопаток по оси вала турбины, м; п — частота вращения вала турбины, об/мин.
Обычно угол наклона выходящего из сопла потока к плоскости вращения рабочего колеса at принимают равным 12... 18°.
Вследствие наличия трения при движении потока по каналу между лопатками относительная скорость выхода его из канала vv2 будет меньше wt и для активных турбин равна w2 = \|/wb где коэффициент \|/ принимается равным 0,85...0,95.
Угол (32 выхода потока по отношению к плоскости вращения рабочего колеса обычно принимают меньше р\ на 1...Ю0. По известным значениям и, w2 и р2 строится треугольник скоростей на выходе потока из каналов рабочих лопаток.
Проекция силы Р на направление окружной скорости Ри вызывает вращение ротора турбины. На рис. 6.1 представлено изображение треугольников скоростей потока. Используя эти треугольники скоростей, в соответствии с известным уравнением количества движения можно написать, что
Ри = тс (сх cos ai — с2 cos a2) = mc (cj cos ai + c2 cos a2), (6.3)
где mc — массовый расход рабочего тела через турбину, кг/с, а2 = тс — а2.
Мощность (Вт), развиваемая потоком рабочего тела на ободе лопаток:
Nu = Рии = тси (сх cos ax + с2 cos a2). (6.4)
Если рабочее тело расширяется только в соплах статора, а в каналах рабочих лопаток ротора происходит лишь изменение направления потока при постоянном давлении, то такая турбина (или ступень ее) называется активной. Если рабочее тело расширяется и в соплах ротора и в каналах рабочих лопаток ротора, то такая турбина (или ступень ее) называется реактивной.
Из уравнения (6.4) следует, что удельная работа (Дж/кг) ступени /л = Рии/тс. Отношение удельной работы к располагаемому теплопаде-нию й0 называется относительным к. п. д. ступени турбины на лопатках Г)ол.
Анализируя уравнение (6.4), можно показать, что для достижения высокого значения т]ол необходимо обеспечить определенное соотноше
300
ние между окружной скоростью движения лопаток и и абсолютной скоростью истечения из сопла сх. Для активных ступеней это отношение составляет и/сг =0,4...0,5.
§ 6.2. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
В настоящее время в химической технологии применяются только активные турбины низкого (0,12...0,25 МПа), среднего (4 МПа) и высокого (6... 13 МПа) давления с температурой свежего пара до 530 °С, конденсационные, с противодавлением и конденсационные с промежуточным отбором пара.
Турбины характеризуются номинальными параметрами, к которым относятся номинальные давление и температура свежего пара, номинальное давление регулируемых отборов пара и противодавление.
На рис. 6.2, а изображена схема одноступенчатой активной турбины Лаваля и показано изменение давления и скорости пара в ее проточной части. Пар начального давления р0 адиабатно расширяется в сопловом аппарате 2 до рь при этом скорость возрастает от с0 до сх. На рабочих лопатках 3 происходит преобразование кинетической энергии пара в механическую работу на валу турбины 5, вследствие чего скорость пара падает от с у до с2, а давление остается постоянным. Далее отработанный пар поступает в конденсатор. В этих турбинах применялись расширяющиеся сопла, в которых достигалась сверхзвуковая скорость истечения, что было связано с большими конструктивными и эксплуатационными трудностями, в частности с большой частотой вращения вала турбины (30000 об/мин). Чтобы снизить частоту
