При сопловом парораспределении изменение расхода пара осуществляется несколькими регулирующими клапанами, открывающимися последовательно (рис. 12.6). Каждый клапан (группа клапанов) обслуживает свой сегмент сопловой решетки регулирующей ступени, которые устанавливаются в корпусах соответствующих сопловых коробок. Конструктивным признаком паровых турбин с сопловым парораспределением является наличие в ней регулирующей ступени. В турбинах с дроссельным парораспределением таких ступеней нет, поэтому их экономичность на расчетном режиме выше, чем турбин с сопловым парораспределением.
.
а)
б)
Рис. 12.6. Поперечный разрез в области паровпуска ЦВД турбин
с сопловым парораспределением: а) со встроенными РК; б) с выносными РК
(1 - наружный корпус; 2 - внутренний корпус; 6 - паровпускной патрубок; 7 - горловина сопловой коробки; 8 - объем сопловой коробки)
Процесс расширения водяного пара в турбине с сопловым парораспределением представлен на рис. 12.7. Линия I-А соответствует потоку, прошедшему полностью открытые клапаны с расходом GA, линия I-II изображает процесс дросселирования в частично открытом клапане, а линия II-В – процесс для потока, прошедшего этот клапан c расходом GB. Точка С отвечает состоянию пара за регулирующей ступенью (в камере регулирующей ступени). Линия С-Д изображает процесс расширения в последующих за регулирующей ступенях.
В камере регулирующей ступени происходит перемешивание потоков из различных сопловых коробок, обслуживаемых полностью и частично открытыми клапанами. В результате смешения потоков с энтальпиями hА и hВ (рис. 12.7) энтальпия смеси составит h 1, значение которой определяется по уравнению
. (12.4)
Рис. 12.7. Процесс расширения водяного пара в турбине при полностью открытых клапанах (I-A) и одном частично открытом клапане (II-B)
Распределение давлений пара и теплоперепадов в турбине с сопловым парораспределением при изменении нагрузки необходимо рассматривать отдельно для потоков с расходами G А и G В. Допустим, что расчетный пропуск пара через турбину G 0 обеспечивается тремя полностью открытыми клапанами при расчетном давлении в камере регулирующей ступени ррс0=р10, а четвертый клапан является перегрузочным (рис. 12.6, а). Расчетные пропуски пара G I0, G II0, G III0 через каждую группу сопел c соответствующим числом сопловых каналов z1, z2, z3 регулирующей ступени при расходе G 0 через турбину определяются из выражений: G I0=z1 G 0/Sz; G II0=z2 G 0/Sz; G III0=z3 G 0/Sz. (12.5)
По расчетному отношению давлений e 10 =р 10 /р 0 с помощью сетки относительных расходов (рис. 11.1, б) по верхней кривой (e0 =1) находится значение относительного расхода q 0 и далее вычисляются критические расходы пара через каждую группу сопел при давлении перед ними р 0: G Iкр= G I0/ q0; G IIкр= G II0/ q0; G IIIкр= G III0/ q0. (12.6)
Пропуски пара через полностью открытые клапаны при другом расходе через турбину (при новом eI I =р II /р 0) находят с помощью сетки расходов, по которой определяется значение q1:
G I= G Iкр q1; G II= G IIкр q1; G III= G IIIкр q1. (12.7)
Расход пара через частично открытый клапан равен разности полного расхода пара в турбину и суммы пропусков через полностью открытые клапаны:
Gn=G- (GI+GII+…+Gn-1). (12.8)
Проведя такой расчет при разных расходах пара через турбину, можно построить диаграмму распределения потоков пара между отдельными группами сопл (рис. 12.8, а) и относительных давлений (рис. 12.8, б) за регулирующими клапанами.
а) б)
Рис. 12.8. Диаграмма распределения расходов пара между группами сопел (а) и относительных давлений (б) за регулирующими клапанами в турбине с сопловым парораспределением
Представленная диаграмма показывает, что расходы пара через полностью открытые клапаны сохраняются постоянными только до тех пор, пока отношение давления в камере регулирующей ступени к давлению свежего пара меньше критического (р1/р0 < e* =0,546). При отношении этих давлений, большем критического, расходы пара через полностью открытые клапаны по мере увеличения нагрузки и соответствующего повышения давления в камере регулирующей ступени уменьшаются.
Представленная диаграмма показывает, что располагаемый теплоперепад регулирующей ступени существенно изменяется. Его наибольшее значение имеет место при открытии одного клапана, когда закрыты остальные. При этом напряжения изгиба в лопаточном аппарате максимальны. Кроме того, формируются опасные колебания рабочих лопаток из-за периодического прохождения ими одной открытой сопловой решетки. Поэтому в ряде турбин открывают одновременно два клапана.
При сопловом парораспределении потери от дросселирования относятся не ко всему расходу пара, а только к той его части, которая протекает через частично открытый клапан. Поэтому экономичность турбин с сопловым парораспределением при частичных нагрузках выше, чем с дроссельным, где потери от дросселирования относятся ко всему расходу пара. По этой причине сопловое парораспределение получило наибольшее распространение в турбинах ТЭС, которые преимущественно в сравнении с турбинами АЭС работают при частичных нагрузках. Турбины, обеспечивающие несение базовой нагрузки в энергосистемах, выполняются с дроссельным парораспределением.