Необходимость многоступенчатой конструкции

Располагаемый теплоперепад турбины, зависящий от начальных (Р₀, t₀) и конечных параметров (Р_к), для современных конструкций составляет 800 ч 1800 кДж / кг. Создать экономичную одноступенчатую турбину при таких теплоперепадах и достигнутом в настоящее время уровне прочности металлов невозможно. Так скорость пара на выходе из сопл в этом случае достигала бы. Для экономичной работы такой одноступенчатой турбины необходимая окружная скорость рабочих лопаток на среднем диаметре при оптимальном отношении скоростей u / c_ф = 0,5 должна составить u = (750 ч 1000) м/с.

Обеспечить прочность ротора и рабочих лопаток при таких окружных скоростях практически невозможно. Кроме того, число Маха в потоке пара в этом случае составит М = 3 ч 4, что повлечет за собой большие волновые потери энергии в потоке.

Условия прочности вращающегося ротора в области высоких температур ограничивают окружную скорость величиной u = 180 ч 200 м/с.

Если принять, то скорость потока должна быть равна С_ф = u / x_p = 200 / 0,5 = 400 м/с и таким образом максимальный теплоперепад, который возможно переработать в одной ступени с достаточной экономичностью, составит:

Это значение значительно меньше располагаемого теплоперепада всей турбины, что и предопределяет ее многоступенчатую конструкцию.

Преимущества многоступенчатой турбины.

1.) С применением значительного числа ступеней можно для каждой ступени выбрать такой небольшой теплоперепад, чтобы при умеренных окружных скоростях обеспечить оптимальные значения u / c_ф, при которых КПД отдельных ступеней достигает максимального значения.

• 2.) Уменьшение теплоперепада ступени и связанное с этим уменьшение диаметра ступени (при заданной частоте вращения) приводят к увеличению высот лопаток, а это, соответственно, приводит к снижению концевых потерь в решетке, что существенно повышает КПД ступени. Кроме того, увеличение высоты сопловых и рабочих лопаток приводит к снижению протечек пара в зазоры по бандажу и по корню рабочих лопаток.
• 3.) В многоступенчатой турбине энергия выходной скорости предыдущей ступени используется в сопловых лопатках последующей ступени, повышая, таким образом, располагаемую энергию последующей ступени. Поэтому потери энергии с выходной скоростью в промежуточных ступенях равны нулю. Выходная скорость теряется полностью обычно в регулирующей и в последних ступенях турбины и ее отдельных цилиндров.
• 4.) В многоступенчатой турбине тепловая энергия потерь предыдущих ступеней частично используется для выработки полезной энергии в последующих ступенях за счет явления возврата теплоты в турбине.
• 5.) Конструкция многоступенчатой турбины позволяет осуществить отборы пара для регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара, что существенно повышает абсолютный КПД турбины.

Рис. 1. Диаграмма отборов пара турбины К — 800 — 240 ЛМЗ.

Недостатки многоступенчатой турбины.

1.) С увеличением числа ступеней усложняется конструкция турбины, и возрастает стоимость ее изготовления. Для мощных энергетических турбин это окупается за счет повышения КПД турбоустановки.

2.) В многоступенчатой турбине возрастают потери от утечек пара через переднее концевое уплотнение, и возникают утечки в диафрагменных уплотнениях. Чем больше турбина имеет ступеней, тем выше давление пара перед передним концевым уплотнением. Кроме того, общий КПД турбины снижают потери энергии в перепускных паропроводах между корпусами турбины, а также гидравлические потери энергии в стопорных и регулирующих клапанах, устанавливаемых перед турбиной и перед ЧСД в турбинах с промперегревом пара.