Первая ступень в турбинах с сопловым парораспределением работает с переменной парциальностью при изменении расхода пара и называется регулирующей. В турбинах с дроссельным парораспределением регулирующая ступень отсутствует.
В качестве регулирующей ступени может быть использована одновенечная ступень или двухвенечная ступень скорости. Выбор типа регулирующей ступени производится с учетом ее влияния на конструкцию и экономичность турбины. Использование теплоперепад в одновенечной (80…120 кДж/кг), что приводит к сокращению числа нерегулируемых ступеней и снижению металлоемкости и стоимости турбины. При этом уменьшится температура и давление пара перед нерегулируемыми ступенями, а это позволит применить более дешевые, низколегированные стали для их изготовления, снизить утечки пара через переднее концевое уплотнение и увеличить высоту лопаток первой нерегулируемой ступени. Расчет регулирующей ступени сводится к определению ее геометрических размеров, выбору профилей сопловых и рабочих лопаток, нахождению мощности и КПД ступени. Поскольку характеристики этой ступени оказывают существенное влияние на конструкцию, число ступеней и КПД всей турбины, то необходимо стремиться спроектировать эту ступень с высоким КПД. Исходными данными для расчета регулирующей ступени являются частота вращения ротора турбины, расход пара на турбину 
и параметры пара перед ступенью. В качестве определяющего размера принимают средний диаметр ступени d. Расчет одновенечной регулирующей ступени (рис.2) производят в следующей последовательности.
Находят окружную скорость ступени 
и выбирают степень реактивности ρ на среднем диаметре в пределах 0,03-0,08. Такая величина ρ исключает возможность появления отрицательной реактивности у корня лопаток на нерасчетных режимах.
Рисунок 2 - Ступень турбины
Большое влияние на характеристики ступени оказывает характеристический коэффициент 
. В первом приближении его можно принять равным 
, обеспечивающим максимум лопаточного КПД
, (3)
где 
- фиктивная скорость пара;
φ - коэффициент скорости сопловой решетки;
- угол выхода пара из сопловой решетки;
Предварительно можно принять 
, φ=0,95 с последующим уточнением по формуле
(4)
Действительное отношение 
рекомендуется принять меньше оптимального для увеличения теплоперепада на регулирующую ступень.
Фиктивная скорость на выходе из сопловой решетки 
позволяет определить располагаемый теплоперепад, срабатываемый в ступени 
.
С учетом принятой степени реактивности ρ находят располагаемый теплоперепад в сопловой 
и рабочей 
решетках, а так же теоретическую скорость пара на выходе из сопел
(5)
Отложив найденные теплоперепады в i-s-диаграмме (рис.3) находят давление 
и теоретический удельный объем 
за соплами, что позволяет определить выходную площадь сопловой решетки:
при сверхзвуковой скорости 
для суживающихся сопел
(6)
где: 
- удельный объем при критическом давлении;
-критическая скорость течения
- коэффициент расхода, принимаем предварительно равным 0,97, а затем уточняемый по формуле:
м/с (7)
Для перегретого пара k=1,3; 
.
Рисунок 3 - Процесс расширения пара в регулирующей ступени
Задавшись предварительно степенью парциальности 
, определяют высоту сопловой решетки, которая должна быть больше предельно допустимой величины
(8)
м
Длину лопатки можно увеличить уменьшая степень парциальности, угол 
или диаметр ступени. По числу Маха 
, углу и табл.1 выбирали профиль сопловых решеток, хорду профиля 
=50 мм, оптимальный относительный шаг 
=0,80 и определены число сопловых лопаток равно 49.
По геометрическим характеристикам профелей лопаток выбираем профиль сопловой решётки по таблице 1.
| Профиль | 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| С – 90 – 15Б | 13 – 17 | 70 – 120 | 0,70 – 0,85 | 0,85 – 1,15 | 5,2 | 0,413 |
(9)
По формулам (4) и (7) уточняют значения коэффициентов 
, 
и угла
.
При их небольшом расхождении с принятыми ранее значениями расчет можно не повторять.
Строят входной треугольник скоростей (рис.4), для чего определяют действительную скорость пара на выходе из сопловой решетки
(10)
 |
м/с
Из треугольника находят относительную скорость входа пара на рабочую решетку 
и угол ее направления 
(11)
м/с
Теоретическая относительная скорость выхода пара из рабочей решетки и число Маха равны:
(12)
м/с
Рисунок 4 - Треугольники скоростей турбинной ступени
Откладывая потери энергии в соплах 
на i – s-диаграмме, строят действительный процесс расширения в них и определяют теоретический удельный объем пара 
в конце адиабатного расширения на рабочих лопатках.
Предварительно задавшись коэффициентом расхода 
находим выходную площадь рабочей решетки определяем по формуле:
(13)
Выбрав суммарную перекрышу 
определяем высоту рабочей решетки
м
Эффективный угол выхода пара из рабочей решетки находят из выражения
(14)
=0,38
По геометрическим характеристикам профелей лопаток выбираем профиль рабочей решётки таблице 1.
| Профиль | 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| Р – 35 – 25А | 22 – 28 | 30 – 50 | 0,55 – 0,65 | до 0,85 | 2,54 | 0,168 |
По углам 
и числу 
выбираем профиль рабочей решетки ее основные геометрические характеристики 
и определяют число лопаток
(15)
Уточняем коэффициент расхода 
и находим скоростной коэффициент 
рабочей решетки:
(16)
Производим построение выходного треугольника скоростей по 
и углу 
, найденному по формуле
Из выходного треугольника находят абсолютную скорость выхода пара из ступени 
, угол ее направления α2, выбирают профили рабочих лопаток, по формуле:
(17)
0
Потери энергии в рабочей решетке и с выходной скоростью равны:
; 
(18)
Откладывая значение 
в i-s - диаграмме, строят действительный процесс расширения пара в рабочих лопатках.
Относительный лопаточный КПД 
определим двумя способами:
(19)
%
(20)
где: Е0 – располагаемая энергия ступени, кДж/кг;
χвс – коэффициент использования кинетической энергии выходной скорости в последующей ступени, для регулирующей ступени 
= 0.
Для оценки прочностных характеристик рабочих лопаток находим изгибающие напряжения и сравнивают их с допустимыми значениями. Поскольку степень реактивности в регулирующей ступени не велика, можно ограничиться окружным усилием:
(21)
В этом случае:
(22)
где: 
– минимальный момент сопротивления, определяемый по характеристике профиля. В ступенях с парциальным подводом 
=25 МПа.
Значения КПД, найденные по формулам (19) и (20) должны совпадать в пределах точности расчетов.
Мощность на лопатках ступени равна:
(23)
МВт
Определяют потери энергии от утечек пара, парциальности и на трение. Относительная величина потерь энергии от утечек пара через диафрагменные и бандажные уплотнения определяем по формуле:
(24)
где:μу – коэффициент расхода уплотнения, μ у = 0,9;
dу – диаметр диафрагменного уплотнения, принимаемый по аналогу турбины, dу = 0,5 м;
δ – радиальный зазор в уплотнении, δ ≈ 0,001d у;
z – число гребней уплотнения, в области низкого давлений будет z = 4;
м
dб – диаметр бандажного уплотнения,
δэкв – эквивалентный зазор уплотнения
- осевой и радиальный зазоры бандажного уплотнения;
- число гребней в надбандажном уплотнении.
При проектировании ступени можно принять 
= 0,005м;
м, 
= 2.
Относительные потери энергии, вызванные парциальным подводом пара:
(25)
где: 
- ширина рабочей решётки, 
;
j - число пар концов сопловых сегментов, чаще всего j = 2.
Потери энергии от трения диска о пар определяем по формуле:
(26)
где: 
- коэффициент трения, равный (0,8)10-3.
Относительный внутренний КПД ступени определяем по формуле:
(27)
=81,5%
=1,7%
=0,54%
%
Использованный теплоперепад ступени определяем по формуле:
(28)
Внутренняя мощность ступени определим по формуле:
(29)
Откладывая последовательно потери энергии 
, 
, 
в i-s-диаграмме находят состояние пара за регулирующей ступенью.
