Конспект лекций по курсу Теория паровых и газовых турбин Лекция № 1

Конспект лекций по курсу «Теория паровых и газовых турбин»

 

Лекция № 1.

Введение

 

Конспект по курсу " Теория паровых и газовых турбин ", часть I, составлен на основании лекций по этому предмету, читавшихся для студентов направления «энергомашиностроение» Инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Цель курса в целом - сообщить студентам основные сведения по всему комплексу вопросов, касающихся принципа действия тепловых турбин, их разновидностей, конструктивного выполнения деталей и узлов турбоустановок и тепловых процессов, в них происходящих.

В курсе также рассматриваются вопросы проектирования паровых и газовых турбин; вопросы конструирования и расчетов на прочность деталей и узлов турбин.

Программой также предусмотрен специальный раздел по газотурбинным установкам.

Курс " Теория паровых и газовых турбин " предполагает хорошее знакомство с технической термодинамикой и гидрогазодинамикой в пределах учебной программы специальности.

В части I конспекта лекций рассматриваются принцип действия тепловых турбин, их классификация и история создания.

Вопросы проектирования паротурбинных агрегатов: расчет регенеративной схемы, предварительный и детальный тепловой расчет проточной части, расчеты на прочность отдельных узлов и деталей, а также знакомство с конструкцией турбин и методикой теплотехнических испытаний паровых турбин рассмотрены в уже изданных учебных пособиях, методических указаниях и руководствах:

1. Г.С. Жирицкий и др.»Газовые турбины двигателей летательных аппаратов»,изд. «машиностроене» М.1971.

2.В.И.Марочек, Ю.Д.Башаров, Н.Н.Попов "Проектирование паротурбинных агрегатов. Тепловые расчеты". Уч. пособ. Владивосток, ДВГТУ, 1994 г. 2.В.И.Марочек, Н.Н.Попов "Проектирование паротурбинных агрегатов. Расчет на прочность деталей паровых турбин". Метод, указ., Владивосток, ДВГТУ, 1999 г

3. А.В.Щегляев « Паровые турбины», Издательский дом «МЭИ» 2000 г.

Энергетика - одна из ведущих отраслей народного хозяйства высокоразвитых стран. Ведущая роль в деле энергообеспечения как в мире в целом, так и в России, принадлежит тепловым электрическим станциям, включая атомные. На долю тепловых электростанций приходится более 80 % всей мощности и, соответственно, выработки электроэнергии.

Современные тепловые турбинные установки существуют в двух основных разновидностях: паровые и газовые. Рабочим телом в каждой из них является, соответственно, пар (как правило, водяной) или же газ (обычно - продукты сгорания жидкого или газообразного топлива).

 

1. Принцип работы турбины

 

Турбина - ротативный тепловой двигатель с непрерывным процессом преобразования тепловой энергии рабочего вещества в механическую работу.

Турбина состоит из двух основных узлов:

1.Вращающаяся часть - ротор, и

2.Неподвижная часть - корпус (статор).

Перед каждым диском с рабочими лопатками укреплен сопловой аппарат, состоящий из нескольких неподвижных сопел, закрепленных в корпусе.

Основным условием работы турбины является наличие разности давлений – перед сопловым аппаратом и за рабочими лопатками.

Сопла, совместно с рабочими лопатками, образуют проточную часть турбины. В проточной части происходит двойное преобразование энергии рабочего вещества:

1.в соплах потенциальная энергия пара или газа превращается в кинетическую; на выходе из сопел скорость потока составляет сотни метров в секунду;

2.на рабочих лопатках кинетическая энергия потока непосредственно превращается в механическую работу вращения вала турбины; скорость вращения, как правило, составляет тысячи оборотов в минуту.

Общая классификация паровых и газовых турбин

1. По принципу действия: активные и реактивные,

2. По количеству ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые.

Многоступенчатые, в свою очередь, могут быть со ступенями давления, со ступенями скорости и комбинированные (как со ступенями скорости, так и со ступенями давления).

3. По направлению потока рабочего вещества:

осевые, радиальные и тангенциальные.

 

 

Основные уравнения движения жидкости сжимаемой жидкости

В настоящей лекции представлены основные уравнения, необходимые для теплового расчёта турбины, а также для оценки явлений возникающих в процессе… Для простоты расчётов, которые с достаточной степенью точности не повлияют на… поток рабочего тела является установившимся;

Уравнение состояния

Для идеального рабочего тела уравнение состояния имеет вид

pv = RT, (1)

где R – газовая постоянная.

Для перегретого пара это уравнение неточно, т.к. коэффициент R зависит от давления и температуры. Значительно точнее соблюдается зависимость

, (2)

где h – энтальпия рабочего тела, Дж/кг; k – показатель изоэнтропы для сухого перегретого пара изменяется в пределах k = 1.26 – 1.33 и в среднем принимается k = 1.3; для сухого насыщенного пара k = 1.135; для воздуха k = 1.41; для продуктов сгорания углеводородного топлива k = 1.3.

Широкое распространение в определении параметров состояния рабочего тела получили их диаграммы в особенности h,s – диаграммы.

 

Уравнение неразрывности

  , (3)  

Уравнение количества движения

  . (6) В интегральной форме на участке от x0 (c параметрами рабочего тела p0, v0, c0) до x1 (соответственно p1,v1,c1)…

Лекция № 2

Уравнение сохранения энергии

Уравнение сохранения энергии для установившегося движения потока справедливо независимо от того, сопровождается ли течение потока потерями или…   , (9)

Рассмотрим различные случаи применения записанных выше уравнений для расчёта канала.

  , (12)  

Лекция № 3

Турбинные решётки

Турбинная ступень образуется из неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решёток. В каждой решётке лопатки одинаковы, установлены под одним и тем же углом и… Все турбинные решётки – кольцевые.

Лекция № 4

Реальное течение рабочего тела в турбинных решётках

Потери энергии при обтекании турбинных решёток

1. профильные потери ζпр, определяемые при обтекании профилей с бесконечной длиной , т.е. при l>>b. В свою очередь профильные потери можно разделить на: * потери на трение в пограничном слой и вихревые потери при отрывах потока на профиле ζтр ;

Профильные потери

ζтр сильно зависит от шероховатости поверхности профиля и от числа Рейнольдса. Вторую часть профильных потерь составляют кромочные потери ζкр , которые…

Лекция № 5

Коэффициенты расхода и углы выхода потока из турбинных решёток

 

Коэффициенты расхода

Это отличие учитывается коэффициентом расхода . Применив уравнение неразрывности и выражение (24), найдём теоретический расход рабочего тела, проходящего через…

Углы выхода потока

  , оказывают заметное влияние на расчёт ступени и подбор следующей решётки. При М1t<1 угол выхода потока можно…

Расширение рабочего тела в косом срезе решётки

Рис. 16  

Лекция № 6

Обобщённые аэродинамические характеристики

Турбинных решёток

Для расчёта турбинных ступеней, построения треугольников скоростей, определения КПД и мощности ступени удобно пользоваться коэффициентами… · для сопловой решётки φ = с1/с1t; · для рабочей решётки ψ = w1/w1t.

Течение влажного пара в турбинных решётках

Характеристики двухфазной среды

  Рис. 19

Образование влаги в элементах турбины

Температура пара T в таких потоках оказывается ниже соответствующей температуры насыщения Ts, определяемой по термодинамическим таблицам по давлению…  

Dk = 200мкм (dk – диаметр капли). Рис. 22   Течение влажного пара в турбинной решётке имеет следующие особенности: · расширение влажного пара происходит с запаздыванием (происходит переохлаждение пара); · на входе в решётку пар содержит разного размера капли, скорость которых различна по величине и по направлению; · внутри канала могут образовываться новые капли, могут они испаряться, разрушаться и переходить в водяную плёнку; · траектории капель в общем случае отклоняются от линии тока пара; · на поверхности профиля и стенках каналов образуется водяная плёнка, при ударе капель об эту плёнку часть жидкости может выбрасываться в поток; · в канале между фазами происходит трение, тепло- и массообмен. В результате этого сложного процесса меняются истинные параметры потока на выходе из решётки (скорость и угол выхода потока), что приводит к изменению характеристики обтекания решётки (угла выхода потока, коэффициента потерь энергии и расхода). Траектории капель в канале показаны на рис. 23, где 1 – «кромочный» капельный поток; 2 и 3 – срывные капельные потоки; 4 – отражённый капельный поток. Рис. 23   Основными факторами, определяющими рост потери энергии, являются потери на разгон капель и трение между фазами, а также увеличение кромочных потерь. Приближённо коэффициент потери энергии для влажного пара можно определить по формуле:   , (53) где - коэффициент потери энергии для перегретого пара,   (54) для сопловой решётки и   (55) для рабочей решётки.   Коэффициент расхода во влажном паре можно определить по формулам:   (56) для сопловой решётки и   (57) для рабочей решётки, где x1 и x2 – сухость пара соответственно за сопловой и рабочей решёткой.   Угол выход влажного пара из сопловой решётки приближённо можно определить по формуле: , (58) где y0 – влажность пара.  

Лекция № 7

Турбинная ступень

Преобразование энергии в осевой турбинной ступени

. Рис. 24  

Лекция № 8

Относительный лопаточный КПД

  . (76)  

Выбор характеристик и расчёт турбинной ступени

Характеристики турбинной ступени

· форму профилей сопловых и рабочих решёток; · высоты решёток , · углы их установки,

Выбор степени реактивности

Ступени могут быть либо активные (ρ = 0.02 – 0.25), либо реактивные (ρ > 0.4). Активные ступени выбираются в том случае, когда d/l > 8, или когда подвод… В ступени активного типа основная часть теплоперепада перерабатывается в сопловой решётке. Профили сопловых и рабочих…

Лекция № 9

Выбор отношения скоростей u/c_ф

В зависимости от степени реактивности определяется оптимальное отношения скоростей u/c_ф , обеспечивающее максимальную величину относительного лопаточного КПД ступени.

Следует также учитывать, что уменьшение отношения скоростей u/c_ф<(u/c_ф)_опт , позволяющее при той же окружной скорости переработать больший теплоперепад в ступени, с одной стороны, снижает КПД, а с другой – уменьшает число ступеней или диаметр ступени и тем самым удешевляет изготовление турбины.

 

Определение основных размеров ступени

  (88)  

Определение КПД ступени

Потери энергии в рабочей решётке определяют по формуле:   . (106)

Лекция № 10

Расчёт ступени с учётом изменения параметров потока по радиусу

Основные уравнения и методы расчёта

Выше изложенные расчёты относились к среднему диаметру ступени и они могут быть справедливы по всей высоте лопаток только в тех случаях. Когда d/l… Рис. 33

Лекция № 11

Законы закрутки решётки

Рассмотрим часто встречающиеся в практике турбостроения законы закрутки: 1. Закон постоянство углов α1 = const. Интегрируя (121) и приняв φ = const, получим:

Выбор степени реактивности для ступеней большой верности

Поэтому обычно выбирают ρк > 0.05 – 0.10.   Преимущества выбора повышенного значения степени реактивности ρк :

Ступени скорости

Особенности ступеней скорости

  .  

Лекция № 12

Расчёт ступеней скорости

  (129)  

Лекция № 13

Определение экономичности и оптимизация турбинных ступеней

Относительный внутренний КПД

Коэффициент полезного действия ступени, учитывающий эти потери, называется относительным лопаточным КПД ηо.л.. Однако кроме перечисленных выше потерь имеются также так называемые… · потери от трения поверхности диска, барабана и лопаточного бандажа ξтр;

Парциальный подвод рабочего тела

Доля окружности, занятой каналами сопловых лопаток, через которые проходит рабочее тело, называется степенью парциальности. . (149) При парциальном подводе каналы рабочих лопаток попеременно в момент их прохождения в зоне сопловой решётки заполняются…

Лекция № 14

Потери от утечек в ступени

Схема лабиринтного уплотнения показана на рис. 48.  

Влияние влажности пара на КПД ступени

Ухудшения работы ступени объясняется следующими причинами: · часть энергии пара уходит на разгон крупнодисперсной влаги паровой фазой; … · удар крупнодисперсной влаги на тыльную сторону лопаток, вызывающий торможение рабочего колеса;

Многоступенчатые паровые турбины

Рабочий процесс многоступенчатой паровой турбины

Под реактивной турбиной мы будем подразумевать турбины, в большинстве ступеней которых степень реактивности ρ > 0.5.  

Лекция № 15

Определение размеров последней ступени турбины

По величине р2 , обычно равным в первом приближении рк , находят удельный объём рабочего тела υк Задавшись потерями с выходной скоростью ΔHв.с. определим:  

Распределение теплоперепадов между ступенями и турбины

Чтобы найти число ступеней и разбить теплоперепад между ступенями, необходимо построить диаграмму, изображённой на рас. 55.