Компаундирование паровых турбин

Тон или стиль этой статьи может не отражать энциклопедический тон , используемый в Википедии . См. руководство Википедии по написанию лучших статей для предложений. ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Компаундирование паровых турбин — это метод извлечения энергии пара на нескольких ступенях, а не на одной ступени в паровой турбине . Компаундированная паровая турбина имеет несколько ступеней с более чем одним набором сопел и роторов . Они расположены последовательно, либо прикреплены к общему валу, либо закреплены на корпусе. Результат такого расположения позволяет либо давлению пара, либо скорости струи поглощаться турбиной на нескольких ступенях. ^{[1] [2]}

Компаундированные паровые турбины используются для снижения скорости ротора для достижения оптимального количества рабочих оборотов в минуту . Пар, производимый в котле, имеет достаточно высокую энтальпию при перегреве . Во всех турбинах скорость лопасти прямо пропорциональна скорости пара, проходящего через лопасть. Теперь, если вся энергия пара извлекается за один этап, т. е. если пар расширяется от давления котла до давления конденсатора за один этап, то его скорость будет очень высокой. Следовательно, скорость ротора (к которому прикреплены лопасти) может достигать примерно 30 000 об/мин, что слишком высоко для практического использования из-за очень высокой вибрации. Более того, на таких высоких скоростях центробежные силы огромны и могут повредить конструкцию. Следовательно, необходимо компаундирование. Высокоскоростной пар просто ударяет по одному кольцу ротора, что приводит к потере пара в диапазоне от 10% до 12%. Для устранения потери пара используется компаундирование паровых турбин.

1. Импульс : Давление пара, проходящего через движущиеся лопатки, не меняется. Изменяется только скорость потока пара.
2. Реакция : при прохождении пара через движущиеся лопатки происходит изменение как давления, так и скорости.

В импульсной паровой турбине компаундирование может осуществляться тремя способами:

1. Скорость компаундирования
2. Компаундирование давления
3. Компаундирование давления и скорости

В реактивной турбине компаундирование может быть достигнуто только путем компаундирования под давлением.

Импульсная турбина с компаундированием скоростей была впервые предложена К. Г. Кертисом для решения проблемы одноступенчатой ​​импульсной турбины, использующей пар высокого давления и температуры.

Кольца подвижных лопаток разделены кольцами неподвижных лопаток. Подвижные лопатки закреплены на валу турбины, а неподвижные лопатки закреплены на корпусе. Высоконапорный пар, поступающий из котла, сначала расширяется в сопле. Сопло преобразует энергию давления пара в кинетическую энергию. Общее падение энтальпии и, следовательно, падение давления происходит в сопле. Следовательно, давление после этого остается постоянным.

Этот высокоскоростной пар направляется на первый набор (кольцо) подвижных лопаток. Поскольку пар протекает по лопаткам, из-за формы лопаток он передает часть своего импульса лопаткам и теряет часть скорости. Только часть высокой кинетической энергии поглощается этими лопатками. Остальная часть выбрасывается на следующее кольцо неподвижных лопаток. Функция неподвижных лопаток заключается в перенаправлении пара, выходящего из первого кольца подвижных лопаток, на второе кольцо подвижных лопаток. При прохождении через неподвижные лопатки скорость пара не меняется. Затем пар поступает в следующее кольцо подвижных лопаток; этот процесс повторяется до тех пор, пока практически вся энергия пара не будет поглощена.

Принципиальная схема импульсной турбины ступени Кертиса с двумя кольцами подвижных лопаток и одним кольцом неподвижных лопаток представлена ​​на рисунке 1. На рисунке также показаны изменения давления и абсолютной скорости пара при прохождении через ступени.

где,

${\displaystyle P_{i}}$= давление пара на входе

${\displaystyle V_{i}}$= скорость пара на входе

${\displaystyle P_{e}}$= давление пара на выходе

${\displaystyle V_{e}}$= скорость пара на выходе

На рисунке выше показаны два кольца подвижных лопаток, разделенные одним кольцом неподвижных лопаток. Как обсуждалось ранее, весь перепад давления происходит в сопле, и нет последующих потерь давления на любом из следующих этапов. Перепад скорости происходит в подвижных лопатках, а не в неподвижных.

Как показано на диаграмме выше, есть два кольца подвижных лопаток, разделенных кольцом неподвижных лопаток. Диаграмма скорости на рисунке 2 показывает различные компоненты скорости пара и скорости лопасти подвижных лопаток.

где,

${\displaystyle V_{a}}$= абсолютная скорость пара

${\displaystyle V_{r}}$= относительная скорость пара

${\displaystyle V_{b}}$= Скорость лезвия

${\displaystyle \тета}$= Угол сопла

${\displaystyle \Фи}$= Угол входа лезвия

${\displaystyle \гамма}$= Угол выхода лезвия

${\displaystyle \дельта}$= угол выхода жидкости

Из рисунка выше видно, что пар, выйдя из подвижных лопаток, попадает в неподвижные лопатки. Неподвижные лопатки перенаправляют пар в следующий набор подвижных лопаток. Таким образом, пар теряет свою скорость на нескольких этапах, а не на одном этапе.

Это скорость лопастей, при которой может быть достигнута максимальная выходная мощность. Следовательно, оптимальная скорость лопастей для этого случая равна,

${\displaystyle V_{b,optimum}={\frac {V_{a1}\cos \theta _{1}}{2n}}}$

где n — количество стадий.

Это значение оптимальной скорости в 1/n раз больше, чем у одноступенчатой ​​турбины. Это означает, что максимальная мощность может быть получена при гораздо меньших скоростях лопастей.

Однако работа, производимая на каждой ступени, не одинакова. Соотношение работы, производимой в двухступенчатой ​​турбине, составляет 3:1 при переходе от более высокого к более низкому давлению. Это соотношение составляет 5:3:1 в трехступенчатой ​​турбине и изменяется до 7:5:3:1 в четырехступенчатой ​​турбине.

• Из-за высокой скорости пара возникают большие потери на трение.
• Работа, производимая на ступенях низкого давления, значительно меньше.
• Проектирование и изготовление лопастей, способных выдерживать столь высокие скорости, является сложной задачей.

Турбина импульса с компаундированием давления также называется турбиной Рато, по имени ее изобретателя. Она используется для решения проблемы высокой скорости лопастей в одноступенчатой ​​импульсной турбине.

Он состоит из чередующихся колец сопел и лопаток турбины. Сопла установлены на корпусе, а лопатки закреплены на валу турбины.

В этом типе компаундирования пар расширяется в несколько этапов, а не только в одном (сопло) в компаундировании скорости. Это делается неподвижными лопатками, которые действуют как сопла. Пар расширяется одинаково во всех рядах неподвижных лопаток. Пар, поступающий из котла, подается в первый набор неподвижных лопаток, т. е. в сопловое кольцо. Пар частично расширяется в сопловом кольце. Следовательно, происходит частичное снижение давления входящего пара. Это приводит к увеличению скорости пара. Следовательно, давление уменьшается, а скорость частично увеличивается в сопле.

Затем он проходит через набор подвижных лопаток. Когда пар проходит через подвижные лопатки, почти вся его скорость поглощается. Однако давление остается постоянным в течение этого процесса. После этого он проходит в сопловое кольцо и снова частично расширяется. Затем он подается в следующий набор подвижных лопаток, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто давление конденсатора.

Этот процесс проиллюстрирован на рисунке 3 , где символы имеют то же значение, что и приведенные выше.

Это трехступенчатая импульсная турбина с компаундированием давления. Каждая ступень состоит из одного кольца неподвижных лопаток, которые действуют как сопла, и одного кольца подвижных лопаток. Как показано на рисунке, перепад давления происходит в соплах и распределяется по многим ступеням.

Важно отметить, что скорости пара на входе в каждую ступень движущихся лопаток по существу равны. Это происходит потому, что скорость соответствует снижению давления. Поскольку в паровой турбине с компаундированием давления только часть пара расширяется в каждом сопле. Скорость пара ниже, чем в предыдущем случае. Это можно объяснить математически с помощью следующей формулы, т.е.

${\displaystyle {\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{h_{1}}={\frac {V_{2}^{2}}{2}}+{h_{2 }}}$

где,

${\displaystyle V_{1}}$= абсолютная скорость выхода жидкости

${\displaystyle h_{1}}$= энтальпия жидкости на выходе

${\displaystyle V_{2}}$= абсолютная скорость входа жидкости

${\displaystyle h_{2}}$= энтальпия жидкости на входе

Из формулы видно, что только часть энтальпии преобразуется в скорость в неподвижных лопатках. Следовательно, скорость меньше по сравнению с предыдущим случаем.

Диаграмма скоростей, представленная на рисунке 4, дает подробную информацию о различных компонентах скорости пара и скорости лопасти.

где символы имеют то же значение, что и приведенные выше.

Важный момент, который следует отметить из приведенной выше диаграммы скоростей, заключается в том, что угол выхода жидкости (δ) составляет 90⁰. Это указывает на то, что скорость вихря жидкости на выходе всех ступеней равна нулю, что соответствует концепции оптимальной скорости (как обсуждалось ранее).

Соотношение работ, производимых на разных этапах, аналогично предыдущему типу.

• Поскольку в форсунках наблюдается перепад давления, их необходимо сделать герметичными.
• Они намного больше — 34 дюйма.

Это комбинация двух вышеупомянутых типов компаундирования. Общее падение давления пара делится на несколько ступеней. Каждая ступень состоит из колец неподвижных и подвижных лопаток. Каждый набор колец подвижных лопаток разделен одним кольцом неподвижных лопаток. В каждой ступени имеется одно кольцо неподвижных лопаток и 3–4 кольца подвижных лопаток. Каждая ступень действует как импульсная турбина с компаундированием скорости.

Неподвижные лопатки выполняют функцию сопел. Пар, поступающий из котла, поступает в первое кольцо неподвижных лопаток, где частично расширяется. Давление частично уменьшается, а скорость соответственно увеличивается. Скорость поглощается следующими кольцами подвижных лопаток, пока не достигнет следующего кольца неподвижных лопаток, и весь процесс повторяется еще раз.

Этот процесс схематически показан на рисунке 5 .

где символы имеют свое обычное значение.

Как объяснялось ранее, реактивная турбина — это турбина, в которой есть потеря давления и скорости в подвижных лопатках. Подвижные лопатки имеют сходящееся паровое сопло. Поэтому, когда пар проходит через неподвижные лопатки, он расширяется с уменьшением давления пара и увеличением кинетической энергии.

Этот тип турбины имеет ряд колец подвижных лопаток, прикрепленных к ротору, и такое же число неподвижных лопаток, прикрепленных к корпусу. В этом типе турбины перепады давления происходят на нескольких этапах.

Пар проходит через ряд чередующихся неподвижных и подвижных лопастей. Неподвижные лопасти действуют как сопла, то есть они изменяют направление пара, а также расширяют его. Затем пар проходит через подвижные лопасти, которые еще больше расширяют пар и также поглощают его скорость.

Это поясняется на рисунке 6 .

где символы имеют то же значение, что и выше.

Диаграмма скоростей, представленная на рисунке 7, дает подробную информацию о различных компонентах скорости пара и скорости лопасти (символы имеют то же значение, что и выше).

• Компаундирование давления в турбинах

• Венканна Б.К., «Основы турбомашиностроения» , PHI Learning Private Limited, Нью-Дели, 2011 г.
• Яхья С.М., Турбины, компрессоры и вентиляторы (четвертое издание) , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Нью-Дели, 2011.
• Эль-Вакиль ММ, Технология электростанций , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Нью-Дели, 2010.
• МСГОВИНДЕ ГОУДА: MM PUBLISHERS DAVANGERE, КАРНАТАКА, ИНДИЯ
• Сингх Онкар, Прикладная термодинамика , New Age International (P) Ltd., Нью-Дели, 2009.