Идея соплового парораспределения, противоположного дроссельному, состоит в том, чтобы расход пара изменялся без дросселирования за счет изменения числа действующих сопел первой ступени, к которым подводится пар. Для реализации этой идеи в полной мере необходимо бесконечное число регулирующих клапанов, каждый из которых управляет подводом пара к определенному соплу и может занимать либо полностью открытое, либо полностью закрытое положение (см. рис. 2-9, б). Именно в этом смысле мы будем в дальнейшем говорить об идеальном сопловом парораспределении в отличие от реального, имеющего конечное число регулирующих клапанов.
Рис. 2-16. Процессы кзоэнтропийного расширения пара в турбине с сопловым парораспределением: а—без промперегрева; б — с промперегревом
Рис. 2-17. Зависимость термического к.п.д. цикла ПТУ от расхода пара: а — без промперегрева (8,8 МПа, 808 К); б — с промперегревом (23,5 МПа, 838/838 К)
Противодавление 3,43 кПа; 1 и 1' — идеальное сопловое парораспределение; 2 и 2' — реальное сопловое парораспределение; 3 и 3'- дроссельное парораспределение
Отличительная особенность турбин с сопловым парораспределением — специфические условия работы первой, так называемой регулирующей ступени, степень парциальности которой меняется в зависимости от режима. Проточная часть таких турбин естественно разделяется на две части с принципиально отличными условиями работы: регулирующую ступень и группу ступеней давления, имеющих неизменную степень парциальности.
Процесс изоэнтропийного расширения в турбине без промперегрева пара на номинальном режиме представлен линией А0В0 (рис. 2-16, а), а в турбине с промперегревом — линией A0B0C0D0 (рис. 2-16, б). Отрезок А0Е0 характеризует процесс в регулирующей ступени, давление за которой равно рp0, а отрезок Е0В0 — процесс в ступенях давления. Если начальные и конечные параметры пара приняты такими же, как при дроссельном парораспределении, то при номинальном режиме совпадают значения термического к.п.д. цикла. Изменение расхода пара при идеальном сопловом парораспределении производится полным прикрытием части регулирующих клапанов. Давление за остальными, полностью открытыми клапанами мало меняется по сравнению с давлением за ними при номинальном режиме. При этом изоэнтропийный процесс расширения в турбине без промперегрева пара не отличается от процесса А0В0 при номинальном режиме, а термический к.п.д. цикла для всех режимов сохраняется постоянным (линия 1 на рис. 2-17). Частичному расходу пара ПТУ с промперегревом пара, для которого изоэнтропийный процесс расширения изображен линией A0BCD на рис. 2-16, б, соответствует пониженное давление рп в промежуточном перегревателе
и возросший удельный подвод теплоты qn к пару (кривая 2 на рис. 2-14). Вследствие этого с уменьшением расхода пара термический к. п. д. цикла паротурбинной установки с промперегревом пара, имеющей идеальное сопловое парораспределение, несколько снижается, но в значительно меньшей мере, чем при дроссельном парораспределении (кривые 1' и 3' на рис. 2-17).
Внутренний относительный к.п.д. мощных турбин с сопловым парораспределением при номинальном режиме, как правило, несколько ниже, чем у аналогичных турбин, имеющих дроссельное парораспределение. Это связано с тем, что регулирующая ступень, выполняемая парциальной и рассчитываемая при номинальном режиме на большой перепад энтальпии, имеет меньший к. п. д. по сравнению с тем, который могут иметь ступени давления. С уменьшением расхода пара режим работы регулирующей ступени резко изменяется. Вследствие изменения давления рр за нею происходит перераспределение перепадов энтальпии. Изоэнтропийный перепад энтальпии регулирующей ступени возрастает на величину, изображаемую отрезком Е0Е (рис. 2-16). Связанное с этим уменьшение характеристического отношения и/С0, отношения давлений П, а также степени парциальности приводит к существенному снижению к.п.д. регулирующей ступени.
Группу ступеней давления турбины без промперегрева пара можно рассматривать как многоступенчатую турбину, давление рр перед которой меняется примерно пропорционально расходу пара. Располагаемый перепад энтальпии этой группы при частичных нагрузках уменьшается на ту же величину Е0Е (см. рис. 2-16, а), на которую увеличился перепад энтальпии регулирующей ступени. К.п.д. рассматриваемой группы меняется в зависимости от режима примерно так же, как у турбин с дроссельным парораспределением. У турбин с промперегревом пара процессы в ЧНД при любых способах парораспределения совпадают (см. рис. 2-11, б и 2-16, б). Одинаковыми оказываются и зависимости к.п.д. этой части от режима. При этом сравнительная экономичность определяется только внутренним к.п.д. части высокого давления. Изоэнтропийный перепад энтальпии и к. п. д. группы ступеней давления ЧВД практически не зависит от режима. Однако изменение к. п. д. регулирующей ступени приводит при частичных нагрузках к понижению общего к.п.д. части высокого давления турбины с сопловым парораспределением, в то время, как при дроссельном парораспределении он сохраняется таким же, как на номинальном режиме.
Одновременное изменение к. п. д. регулирующей ступени и ступеней давления приводит к тому, что внутренний относительный к.п.д. турбины с сопловым парораспределением снижается по мере уменьшения расхода пара более резко, чем с дроссельным.
Рис. 2-18. Последовательность открытия регулирующих клапанов турбины с реальным сопловым парораспределением т
При режимах, близких к номинальному, ПТУ с идеальным сопловым парораспределением уступает по к. п. д. брутто установке с дроссельным парораспределением (см. рис. 2-15). При частичных нагрузках тепловая экономичность ПТУ с идеальным сопловым парораспределением заметно выше. Это объясняется тем, что в регулирующей ступени используется, хотя и с пониженным к. п. д., та часть располагаемого перепада энтальпии, которая вообще теряется в клапанах при дроссельном парораспределении. Однако это преимущество соплового парораспределения может быть эффективно использовано лишь в определенном диапазоне режимов. Обычно номинальному режиму одновенечной регулирующей ступени соответствуют дозвуковые скорости истечения из сопел. С уменьшением мощности турбины скорости истечения из сопел регулирующей ступени вследствие увеличения перепада энтальпии будут приближаться к критической. Когда достигнута критическая скорость, определенное ее увеличение и соответствующее ему использование располагаемого перепада энтальпии происходит за счет отклонения потока в косом срезе сопла. После того как будет исчерпана расширительная способность косого среза сопла, дальнейшее расширение потока будет происходить за пределами сопла. Соответствующий этому прирост располагаемого перепада энтальпии не используется, увеличивая волновые потери энергии [34].
