При установившемся режиме работы турбоустановки угловая скорость вращения вала w остаётся постоянной. Неизменным остаётся и отношение между расходом пара и вращающим моментом на валу турбины. Изменение нагрузки, например, уменьшение её, приведёт к увеличению числа оборотов и угловой скорости вращения вала. Чтобы сохранить прежней скорость вращения вала, нужно настолько уменьшить расход или параметры пара, чтобы энергия, отдаваемая им на лопатках турбины в точности соответствовала энергии, необходимой для создания уменьшенного крутящего момента на валу электрогенератора. Число оборотов останётся неизменным, только кода при любых изменениях нагрузки имеет место равенство мощностей или крутящих моментов на выходной муфте турбины и приёмном фланце генератора:
.
На переходных режимах, при ускорении или торможении вала турбины, возникают силы инерции, поэтому и уравнение моментов в этом случае должно включать ещё и момент от сил инерции:
,
где M кр ин=(J т+ J г)×(dw/dt); J т и J г - моменты инерции масс роторов турбины и генератора, соответственно; dw/dt - угловое ускорение валов.
Рис. 1 Схема выделения потока пара в рабочей
решётке
|
Рассмотрим теперь, как действует поток пара, протекающего по лопаточному каналу, на стенку лопатки. Для этого мысленно выделим внутри канала контур, охватывающий лопатку, как это показано на рис. 1. Центр масс выделенного объема пара сосредоточен в выделенной точке и перемещается вдоль оси канала. Со стороны потока на лопатку будет действовать средняя сила R, которую можно разложить на две составляющие: совпадающую с направлением переносной скорости RU и совпадающую с направлением оси вала R ос. Естественно, что со стороны стенки на пар действуют точно такие же силы, направленные в противоположные стороны: R ’, RU ’ и R ос’. На сечения 1 –1’ и 2 - 2’ действуют давления р 1 и р 2, соответственно, а силы давления, действующие на стенки лопаток, направлены взаимно противоположно и полностью компенсируются.
Пусть за время 
через канал между лопатками пройдет 
кг пара со скоростью С 1 на входе и С 2 - на выходе. При установившемся движении величина будет постоянной. Воспользуемся теперь известной теоремой механики об изменении количества движения: (изменение количества движения равно импульсу силы) для выделенной массы и запишем в векторной сначала форме:
,
где F лк – величина среднего сечения лопаточного канала (у активных турбин это сечение одинаково в любом месте канала).
В проекциях на направление U это уравнение запишется так:
,
откуда
.
Заметим, что dm / d t = M - массовый расход пара. Значит сила, действующая на лопатку, будет
Теоретическая мощность (в Ваттах), развиваемая на лопатке, определится произведением N т= RU×U, а удельная работа одной ступени будет:
.
186 Выбор числа ступеней и числа цилиндров паровой турбины. Расчет размеров сопл и
межлопаточных каналов.
Современные мощные турбины выполняются многоступенчатыми потому что эффективно использовать весь располагаемый теплоперепад пара или газа в одной ступени невозможно. В каждой ступени срабатывается только часть общего перепада давлений. При большом числе ступеней разность давлений в каждой ступени получается небольшой, а скорости потока - умеренными. Мы ведь помним, что в простых соплах срабатывает только критический перепад давлений р2/р1=bкр.=0,546 (для пара). Поэтому делать перепад большим невыгодно.
В каждом цилиндре также организуется многоступенчатое расширение, т.е. ставятся последовательно несколько пар сопловая решетка - рабочее колесо с лопатками.
Знание приведенных скоростей позволяет рассчитать геометрические размеры сопловых и лопаточных решёток.
Объемный G 1 или массовый М 1 расход пара через сопло легко определяется делением общего расхода пара на число сопл в диафрагме Z:
Z=D ср/ t сл,
где D ср – средний диаметр решёток; t сл – шаг сопловых лопаток. Величиной шага t сл задаются, ориентируясь на прототип, а средний диаметр решетки находят по величине переносной скорости U, понимая, что
,
где n – число оборотов вала в мин.
Таким образом, рассчитав С 1, определяют величину U и, задавшись числом оборотов n, находят диаметр D ср, число лопаток Z и, после округления Z до целого, пересчитывают или шаг t сл, или величины D ср и U. Конечно же всё это делается сразу после определения С 1.
Величину выходного сечение сопла находят из уравнения неразрывности
М 1= С 1д F 2r1д= С 1д F 2/ v 1д.
Отсюда
F 2= M 1 v 1д,/ С 1д.
Величина поперечного сечения сопла определяется его размерами
F 2= a 1 l 1,
где 
и 
- ширина и высота выходного сечения сопла. Учитывая, что 
(см. рис. 1), легко находится высота сопла
.