Jednym ze sposobów regulacji turbin parowych wielkiej mocy pracujących w warunkach zmiennego obciążenia jest regulacja napełnieniowa. Para doprowadzana jest do układu łopatkowego poprzez kilka grup dysz – skrzynek dyszowych. Każda skrzynka dyszowa posiada własny zawór regulacyjny. Każdy z zaworów ma własną charakterystykę otwierania przy uruchomieniu turbiny do pełnego obciążenia, a w stanie ustalonym ma swój własny poziom otwarcia (dławienia), stosownie do żądanego obciążenia turbiny. Regulacja napełnieniowa wymaga obecności (zwykle jednego) stopnia regulacyjnego dostosowanego do zasilania na części obwodu. Za stopniem regulacyjnym następują dalsze typowe stopnie turbinowe zasilane na całym obwodzie.

a)b)

a) Schemat doprowadzenia pary do turbiny w regulacji napełnieniowej
b) Schemat rozmieszczenia skrzynek dyszowych na obwodzie stopnia regulacyjnego

Wyznaczono numerycznie przepływ pary w stopniu regulacyjnym turbiny T13K215 o mocy 215 MW dla dwóch wariantów częściowego zasilania: (1) 215 MW – nominalna praca turbiny, (2) 140 MW – pewne niskie obciążenie dla którego moc stopnia regulacyjnego osiąga maksimum. Zaobserwowano znaczne różnice w charakterze przepływu pomiędzy kanałami znajdującymi się w centrum łuku zasilania, na jego obrzeżach i poza nim. Najgłębszą ekspansję obserwuje się przy wyjściu z obszaru zasilania, gdzie ma miejsce największy spadek ciśnienia i wzrost prędkości. Szczególnie przy spadku mocy turbiny, za ostatnią kierownicą zasilanej skrzynki dyszowej i w obszarze wlotu do kanału wirnikowego położonego w dół przepływu pojawiają się prędkości naddźwiękowe, a powrót do przepływu poddźwiękowego odbywa się przy udziale fali uderzeniowej. W sąsiedztwie zasilanych skrzynek obserwuje się intensywne przepływy w kierunku obwodowym. W kanałach wirnikowych poza łukiem zasilania, przepływ zmienia się od słabo ekspandującego, poprzez całkowity obszar zastoju, aż do przepływu wyraźnie wstecznego.

Ciśnienie statyczne na ściankach króćców wlotowych, skrzynek dyszowych oraz na ściankach
łopatek kierowniczych i wirnikowych stopnia regulacyjnego; wariant 1 i 2.

Wyznaczono niestacjonarne obciążenia łopatek wirnikowych stopnia regulacyjnego. Szczególnie interesujący charakter mają zmiany obciążenia łopatek w momencie wejścia i wyjścia z obszaru zasilania. Te chwilowe zmiany znacznie przekraczają wartości obciążenia w obszarze zasilania. Wzrastają więc niestacjonarne naprężenia mechaniczne w łopatkach wirnikowych stopnia regulacyjnego i ryzyko ich zniszczenia. Najwyższe amplitudy obciążeń są przy niskich krotnościach częstości obrotowej związanych z ilością zasilanych skrzynek dyszowych. Widmo częstotliwościowe zmian w czasie obciążeń łopatki wirnikowej jest bogate ze znacznymi amplitudami praktycznie co każde 50 Hz w zakresie do kilku tysięcy Hz, co sprawia, że odstrojenie łopatek wirnika stopnia regulacyjnego od rezonansów jest znacznie trudniejsze niż w przypadku układu łopatkowego zasilanego na pełnym obwodzie.

Wyznaczono także niestacjonarne obciążenia wirnika stopnia regulacyjnego – poprzez wysumowanie obciążeń pojedynczych łopatek. Pomimo znacznego niestacjonarnego obciążenia pojedynczej łopatki wirnikowej, w przypadku idealnej geometrii układu łopatkowego oraz stacjonarnych warunków brzegowych, wartości składowej niestacjonarnej sumarycznych sił i momentów sił działających na wirnik stopnia regulacyjnego są niewielkie, a oscylacje obciążeń wirnika mają charakter wysokoczęstotliwościowy i podlegają wytłumieniu w warstwie filmu olejowego łożysk. Znaczne wartości składowej niestacjonarnej obciążeń wirnika otrzymuje się w obecności pulsacji ciśnienia na wlocie do skrzynek dyszowych oraz w przypadku niejednorodności geometrycznych kanałów łopatkowych lub rozstrojenia łopatek. Częstości pulsacji ciśnienia na wlocie do skrzynek dyszowych przenoszą się poprzez układ łopatkowy na częstości obciążeń wirnika. Dominującymi częstościami w przypadku niejednorodności geometrycznych lub rozstrojenia łopatek są częstość obrotowa i jej niskie krotności związane z ilością zasilanych skrzynek dyszowych. Informacje te są istotne z punktu widzenia dynamiki wału turbozespołu i oceny ryzyka wystąpienia rezonansu w układzie, zwłaszcza że częstości drgań własnych wału mieszczą się w zakresie od wartości poniżej częstości obrotowej do kilku jej krotności.

Zmiany w czasie siły osiowej, obwodowej i całkowitej działających na pojedynczą łopatkę wirnikową stopnia regulacyjnego dla dwóch wariantów zasilania częściowego. Analiza harmoniczna obciążeń.