Классификация потерь в турбине. Общая классификация тепловых двигателей. Обзор развития паровых турбин

Классификация потерь в турбине.

Все потери, возникающие в турбине можно разделить на 2 группы: внутренние и внешние.

Внутренние непосредственно влияют на состояние рабочего тела при его расширении в турбине. Это потери в клапанах,  в сопловых и рабочих решетках, с выходной скоростью, на трение дисков, на вентиляцию и выколачивание, от утечек через внутренние зазоры, от влажности пара, в выхлопном патрубке.

Внешние  потери не влияют на изменение состояния пара. К ним относятся механические и от утечек пара через концевые уплотнения пара.

Потери в соплах.

Потери кинетической энергии в соплах возникают за счет трения потока о стенки сопел, поворота струи, нарастания погранслоя, образования вихрей и т.д. Они учитываются скоростным коэффициентом φ, который зависит от размеров соплового канала, состояния поверхности стенок сопла, скорости пара, размеров канала. φ=0,93÷0,98.

Потери энергии в соплах определяются как:       .

Потери на рабочих лопатках.

Суммарные потери на рабочих лопатках учитываются коэффициентом скорости ψ. Для реактивных лопаток (ρ≈0,5) ψ=0,96÷0,98, для лопаток с умеренной реактивностью и для активных лопаток он н иже.

Потери энергии в рабочих лопатках определяются:      

Потери с выходной скоростью.

На выходе с рабочих лопаток пар обладает определенной скоростью. В многоступенчатых турбинах кинетическая энергия отработанного пара может быть частично использована в соплах последней ступени. Для этого зазор между рабочими лопатками и соплами следующей ступени должен быть минимальным. При большом зазоре энергия выходной скорости полностью превращается в тепло с повышением энтропии.

Эти потери для данной ступени равны:    .

Потери в клапанах.

При прохождении пара через стопорный и регулирующий клапаны его давление снижается до Р₀, т.е. происходит дросселирование пара. При этом энтальпия не изменяется. Вследствие начального дросселирования располагаемый теплоперепад уменьшается на ΔН_К.

Потери давления от дросселирования при полностью открытых клапанах составляют 3-5% от Р₀.

Потери в выпускном патрубке.

Пару, выходящему из последней ступени, надо преодолеть аэродинамическое сопротивление выпускного патрубка. В правильно выполненном патрубке это сопротивление можно преодолеть за счет кинетической энергии потока пара , выходящего из последней ступени. В этом случае давление на входе в конденсатор Р_К  будет совпадать с давлением Р₂ за последней ступенью, но чаще всего кинетической энергии не хватает на преодоление сопротивления патрубка и поэтому за последней ступенью устанавливается давление Р_К>P₂.

Располагаемый теплоперепад турбины уменьшается на величину .

Величина потерь в выходном патрубке составляет:

.

где      с_п – скорость пара в выпускном патрубке; λ=0,07÷0,1 – опытный коэффициент.

Потери на трение дисков.

Между вращающимся диском и окружающим его паром возникает трение, вращающийся диск захватывает находящиеся вблизи частицы рабочего тела и сообщает им ускорение. На трение и ускорение затрачивается определенное количество энергии, которое повышает энтальпию пара. Потери энергии на трение диска в ступени определяются:

N_тр – мощность, затрачиваемая на трение диска; G – расход пара через ступени.

К_тр – коэффициент трения; d_д – диаметр диска; u_д – окружная скорость вращения на периферии диска; υ – удельный средний объем пара в средней ступени.

Потери на вентиляцию и выколачивание.

В ступенях с парциальным подводом пара на рабочие лопатки пар поступает не по всей ее окружности, а только по некоторой ее части. Парциальный подвод пара применяется, когда объемный расход пара небольшой.

На длине дуги не занятой соплами происходит вихревое движение в каналах лопаток, при этом на перемещение, вентиляцию пара затрачивается часть энергии системы. При парциальном впуске потока пара, только та часть лопаточных каналов диска заполнена рабочим паром, которая в данный момент находится напротив сопел. Все остальные каналы заполнены не рабочим паром, на выталкивание которого пар затрачивает часть своей энергии. Потери энергии на выталкивание называют потерями на выколачивание. На преодоление  указанных сопротивлений требуется затрата механической работы, которая увеличивает энтальпию пара.

Тепловые потери, связанные с парциальным подводом пара обозначим h_п:

Потери через внутренние зазоры в активной и реактивной ступенях.

Вследствие разности давлений Р₀>Р₁ – через зазор между ступицей и диафрагмой протекает некоторое количество пара – G_ут, минуя сопловой агрегат и не совершая полезной работы.