Использование выходной энергии

При удачном очертании проточной части кинетическая энергия рабочего тела, покидающего ступень турбины, может быть частично или полностью использована в последующей ступени. Таким образом, увеличивается располагаемая работа  большинства ступеней. Энергия с выходной скоростью полностью теряется обычно в регулировочной ступени паровой турбины и последних ступенях ее отдельных корпусов.

Использование выходной энергии подразумевает перенос ее в следующую ступень или диффузор в форме кинетической энергии. Выходная энергия  имеет двойственный характер. Для рассматриваемой ступени  является безвозвратной потерей, а с позиции всей турбины  не теряется. Кинетическая энергия переносится в следующую ступень и преобразуется в механическую энергию с КПД следующей ступени. Если ступень эксплуатируется при оптимальном значении скоростной характеристики ν _{1 opt} =(u ₁/ c ₁)_opt, повышение КПД последующей ступени составляет 1,5¸4%; при отходе от ν _{1 opt} увеличение КПД может составить 5¸10%. В связи с этим при проектировании проточных частей современных судовых турбин делают все возможное, чтобы перенести выходную энергию ступени (или возможно большую ее долю) в следующую ступень, в форме уже готовой кинетической энергии, не допуская перехода этой энергии в тепловую форму.

Для использования выходной энергии необходимо выполнить следующие условия:

1) равенство угла выхода потока в абсолютном движении из предыдущей ступени углу входа в сопловой аппарат последующей ступени;

2) равенство (приближенное) средних диаметров предыдущей и последующей ступеней;

3) отсутствие протяженных в осевом направлении промежутков между ступенями;

4) конструктивное обеспечение отсутствия вихревых течений между ступенями при отборах (например, отбор пара для регенеративного подогрева питательной воды) или подводе рабочего тела в зазор между ступенями.

Перечисленные выше условия обычно выполняются удовлетворительно. При полном впуске для группы активных ступеней коэффициент использования выходной кинетической энергии m _вых = 0,85¸0,95, для группы конгруэнтных ступеней m _вых = 0,9¸1

 

Возращенная теплота

Рассмотрим процесс расширения рабочего тела в многоступенчатой турбине (рис.3.).

Предположим, что ступень работает без использования выходной энергии. Тогда располагаемый перепад энтальпий (располагаемая работа) группы ступеней

L_a = l_{a 1} + l_{a 2} + l_{a 3} +…+ l_{a z},                                                    (2.3)

где l_{a 1}, l_{a 2},…- располагаемые работы турбинных ступеней.

 

Рисунок 3 - Процесс расширения рабочего тела в группе четырех ступеней без использования выходной энергии.

 

По свойству si диаграммы , и т.д. в связи с этим соотношения располагаемых работ можно записать в следующем виде

; ;                 (2.4)

Просуммировав левые и правые части уравнений (2.4), получим

.                              (2.5)

Из рис.3. видно, что ; обозначим = Q _B. Здесь Q _B называется возращенной теплотой второго рода. Таким образом, располагаемая работа группы ступеней, работающих в определенном интервале давлений больше располагаемой работы одной ступени, работающей в том же интервале давлений. Это вызвано тем, что внутренние потери энергии через механизм трения повышают энтальпию рабочего тела на входе в турбинную ступень, начиная со второй, а это увеличивает располагаемую работу ступени. Наибольшую долю в возращенную теплоту вносит первая ступень, т.е. потери в ней небольшими частями реализуются во всех последующих ступенях группы, включая последнюю. Потери энергии в последней ступени возвращенной теплоты второго рода не дают.

Для оценки использования возращенной теплоты второго рода вводят коэффициент возращенной теплоты

,                         (2.6)

где .

Коэффициент возращенной теплоты зависит от числа ступеней в группе и перепада давлений на группу. По статистическим данным у судовых турбин R=1,01¸1,07. Большие значения относятся к многоступенчатым главным паровым турбоагрегатам, меньшие – к газовым турбинам.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные преимущества срабатывания больших располагаемых работ (перепадов энтальпий) в многоступенчатых турбинах.

2. Перечислите типы турбоагрегатов для срабатывания больших перепадов энтальпий с высоким КПД.

3. Дайте определение многоступенчатой турбины со ступенями давления.

4. Перечислите основные условия использования выходной энергии в многоступенчатых турбинах со ступенями давления.

5. Что такое возвращенная теплота второго рода?

6. От каких факторов зависит коэффициент возвращенной теплоты?

Литература: [5], [6], [8].