Компаундирование паровых турбин

Компаундирование паровых турбин — это метод извлечения энергии пара в несколько этапов, а не в одну ступень в паровой турбине . Комбинированная паровая турбина имеет несколько ступеней с более чем одним набором сопел и роторов . Они расположены последовательно, либо прикреплены шпонками к общему валу, либо прикреплены к корпусу. Результат такой компоновки позволяет турбине поглощать либо давление пара, либо скорость струи в несколько этапов. ^{[ 1 ]} ^{[ 2 ]}

Компаундированные паровые турбины используются для снижения скорости ротора для достижения оптимальных рабочих оборотов в минуту . Пар, образующийся в котле, имеет достаточно высокую энтальпию при перегреве . Во всех турбинах скорость лопатки прямо пропорциональна скорости пара, проходящего через лопатку. 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 много для практического использования из-за очень высокой вибрации. Более того, на таких высоких скоростях центробежные силы огромны и могут повредить конструкцию. Следовательно, необходима компаундация. Пар с высокой скоростью ударяется только об одно кольцо ротора, что приводит к потерям пара от 10% до 12%. Для преодоления потерь пара используются компаундирование паровых турбин.

Типы паровых турбин

Импульс : Давление пара не меняется при его прохождении через движущиеся лопасти. Изменяется только скорость потока пара.
Реакция : Давление и скорость меняются, когда пар проходит через движущиеся лопасти.

Виды рецептуры

В импульсной паровой турбине компаундирование может быть достигнуто тремя способами:

Компаундирование скорости
Компаундирование давлением
Компаундирование давления и скорости

В реакционной турбине компаундирование может быть достигнуто только за счет компаундирования под давлением.

Скоростная компаундация импульсной турбины

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

Кольца подвижных лопастей разделены кольцами неподвижных лопастей. Подвижные лопатки прикреплены к валу турбины, а неподвижные – к корпусу. Пар высокого давления, поступающий из котла, сначала расширяется в сопле. Сопло преобразует энергию давления пара в кинетическую энергию. Падение полной энтальпии и, следовательно, падение давления происходит в сопле. Следовательно, давление после этого остается постоянным.

Этот высокоскоростной пар направляется на первый набор (кольцо) движущихся лопастей. Когда пар течет по лопастям, из-за формы лопастей он передает часть своего импульса лопастям и теряет некоторую скорость. Эти лопасти поглощают только часть высокой кинетической энергии. Остаток переносится на следующее кольцо фиксированного лезвия. Функция неподвижных лопастей заключается в перенаправлении пара, выходящего из первого кольца подвижных лопастей, на второе кольцо подвижных лопастей. Скорость пара при прохождении через неподвижные лопасти не изменяется. Затем пар поступает в следующее кольцо движущихся лопастей; 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 ступеней.

где,

$P_{i}$ = давление пара на входе

$V_{i}$ = скорость пара на входе

$P_{e}$ = давление пара на выходе

$V_{e}$ = скорость пара на выходе

На рисунке выше показаны два кольца подвижных лопастей, разделенных одним кольцом неподвижных лопастей. Как обсуждалось ранее, весь перепад давления происходит в сопле, и последующих потерь давления нет ни на одной из следующих стадий. Падение скорости происходит на движущихся лопастях, а не на неподвижных.

Диаграмма скорости

Как показано на схеме выше, имеется два кольца подвижных лопастей, разделенных кольцом неподвижных лопастей. Диаграмма скоростей на рисунке 2 показывает различные компоненты скорости пара и скорости движущихся лопастей.

где,

$V_{a}$ = абсолютная скорость пара

$V_{r}$ = относительная скорость пара

$V_{b}$ = Скорость лезвия

$\theta$ = Угол сопла

$\Phi$ = Угол входа лезвия

$\gamma$ = Угол выхода лезвия

$\delta$ = угол выхода жидкости

Из приведенного рисунка видно, что пар после выхода из подвижных лопастей попадает в неподвижные лопасти. Неподвижные лопасти перенаправляют пар в следующий набор движущихся лопастей. Следовательно, пар теряет свою скорость на нескольких стадиях, а не на одной стадии.

Оптимальная скорость

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

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

где n — количество этапов.

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

Однако работа, производимая на каждом этапе, неодинакова. Соотношение работы, производимой в двухступенчатой турбине, составляет 3:1 при переходе от более высокого давления к более низкому. Это соотношение составляет 5:3:1 в трехступенчатой турбине и изменяется до 7:5:3:1 в четырехступенчатой турбине.

Недостатки скоростного начисления

Из-за высокой скорости пара возникают большие потери на трение.
Работа, производимая на ступенях низкого давления, значительно меньше.
Разработка и изготовление лопастей, способных выдерживать такие высокие скорости, затруднены.

Компаундирование давления импульсной турбины

Импульсную турбину с компаундированием давления также называют турбиной Рато по имени ее изобретателя. Это используется для решения проблемы высокой скорости лопаток в одноступенчатой импульсной турбине.

Он состоит из чередующихся колец сопел и лопаток турбины. Форсунки крепятся к корпусу, а лопатки крепятся к валу турбины.

При этом типе компаундирования пар расширяется в несколько этапов, а не только на одном (сопло) при скоростном компаундировании. Это делается с помощью фиксированных лопастей, которые действуют как сопла. Пар расширяется одинаково во всех рядах неподвижных лопаток. Пар, выходящий из котла, подается на первый набор неподвижных лопаток, т.е. на сопловое кольцо. Пар частично расширяется в сопловом кольце. Следовательно, происходит частичное снижение давления поступающего пара. Это приводит к увеличению скорости пара. Поэтому давление в сопле падает, а скорость частично увеличивается.

Затем его пропускают через набор движущихся лезвий. Когда пар проходит через движущиеся лопасти, поглощается почти вся его скорость. Однако во время этого процесса давление остается постоянным. После этого он проходит в сопловое кольцо и снова частично расширяется. Затем он подается в следующий набор движущихся лопаток, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто давление в конденсаторе.

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

Это трехступенчатая импульсная турбина с компаундированием давления. Каждая ступень состоит из одного кольца неподвижных лопаток, выполняющих роль сопел, и одного кольца подвижных лопаток. Как показано на рисунке, падение давления происходит в форсунках и распределяется многоступенчато.

Здесь важно отметить, что скорости пара на входе в каждую ступень движущихся лопаток по существу равны. Это потому, что скорость соответствует понижению давления. Так как в паровой турбине компаундирования под давлением в каждом сопле расширяется только часть пара. Скорость пара ниже, чем в предыдущем случае. Это можно объяснить математически с помощью следующей формулы, т.е.

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

где,

$V_{1}$ = абсолютная скорость выхода жидкости

$h_{1}$ = энтальпия жидкости на выходе

$V_{2}$ = абсолютная скорость входа жидкости

$h_{2}$ = энтальпия жидкости на входе

Из формулы видно, что в неподвижных лопастях в скорость переходит лишь часть энтальпии. Следовательно, скорость меньше по сравнению с предыдущим случаем.

Диаграмма скорости

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

где символы имеют то же значение, что указано выше.

Из приведенной выше диаграммы скоростей следует отметить важный момент: угол выхода жидкости (δ) составляет 90⁰. Это указывает на то, что скорость завихрения жидкости на выходе из всех ступеней равна нулю, что соответствует концепции оптимальной скорости (как обсуждалось ранее).

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

Недостатки компаундирования под давлением

Поскольку в патрубках наблюдается перепад давления, их приходится делать герметичными.
Они намного больше — 34 дюйма.

Импульсная турбина со смешанным давлением и скоростью

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

Неподвижные лопасти действуют как сопла. Пар, поступающий из котла, подается на первое кольцо неподвижных лопаток, где частично расширяется. Давление частично уменьшается, а скорость соответственно возрастает. Скорость поглощается следующими кольцами движущихся лопастей, пока не достигнет следующего кольца неподвижных лопастей, и весь процесс повторяется еще раз.

Схематически этот процесс показан на рисунке 5 .

где символы имеют свое обычное значение.

Компаундирование давления реакционной турбины

Как объяснялось ранее, реактивная турбина – это турбина, в которой происходит потеря давления и скорости в движущихся лопатках. Подвижные лопасти имеют сужающееся паровое сопло. Следовательно, когда пар проходит над неподвижными лопастями, он расширяется с уменьшением давления пара и увеличением кинетической энергии.

Турбина этого типа имеет несколько колец подвижных лопаток, прикрепленных к ротору, и такое же количество неподвижных лопаток, прикрепленных к корпусу. В турбинах этого типа падение давления происходит в несколько этапов.

Пар проходит через ряд чередующихся неподвижных и движущихся лопастей. Неподвижные лопасти действуют как сопла, т.е. изменяют направление пара, а также расширяют его. Затем пар подается на движущиеся лопасти, которые еще больше расширяют пар, а также поглощают его скорость.

Это поясняется на рисунке 6 .

где символы имеют то же значение, что и выше.

Диаграмма скорости

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

См. также

Сгущение давления в турбинах

Ссылки

^ Сумка, С (2023). «ОБЗОР НА КОМПАУНДАЦИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ» (PDF) . Международный исследовательский журнал модернизации инженерных технологий и науки . 5 (8) . Проверено 1 марта 2024 г.
^ Мазур, З. (2008). «Анализ поломок лопаток паровой турбины» . Инженерный анализ отказов . 15 (1): 129–141 . Проверено 1 марта 2024 г.

Яхенс, ВБ (март 1966 г.). «Паровые турбины. Их конструкция, выбор и эксплуатация» (PDF) . Труды Южноафриканской ассоциации технологов сахара . САСТА. Архивировано из оригинала (PDF) 21 марта 2018 г. Проверено 11 мая 2014 г.
«Изучение турбины — упражнение» (PDF) . pacetmechanical.weebly.com . Пенсильванский инженерно-технологический колледж.

Дальнейшее чтение

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 г.
Эль-Вакил М.М., Powerplant Technology , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Нью-Дели, 2010 г.
МСГОВИНДЕ ГАУДА: MM PUBLISHERS ДАВАНГЕР, КАРНАТАКА, ИНДИЯ
Сингх Онкар, Прикладная термодинамика , New Age International (P) Ltd., Нью-Дели, 2009 г.

[1] Сумка, С (2023). «ОБЗОР НА КОМПАУНДАЦИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ» (PDF) . Международный исследовательский журнал модернизации инженерных технологий и науки . 5 (8) . Проверено 1 марта 2024 г.

[2] Мазур, З. (2008). «Анализ поломок лопаток паровой турбины» . Инженерный анализ отказов . 15 (1): 129–141 . Проверено 1 марта 2024 г.

[ 1 ]

[ 2 ]