Как устроена паровая турбина?

Краткое описание устройства

Кратко устройство паровой турбины можно описать следующим образом. На основной элемент, то есть вал, закрепляется диск, к которому крепятся лопатки. Около данных элементов также располагаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, а также диск всей установки. Именно это воздействие приводит во вращение диск турбины вместе с лопатками.

В настоящее время в таких агрегатах чаще всего используется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При таком устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть своей энергии этим элементам. Основное применение паровые турбины нашли на атомных, а также тепловых электрических станциях, где они соединяются с валом электрического тока. Скорость вращения вала паровой турбины достигает 3000 оборотов в минуту. Данного значения хватает для приемлемой работы генераторов электрического тока.

Если говорить о применении данных агрегатов, то стоит упомянуть, что они успешно эксплуатируются на кораблях и суднах. Однако из-за устройства паровой турбины, в частности, по причине того, что необходимо большое количество воды для работы турбины, ее эксплуатация на сухопутных и воздушных средствах передвижения невозможна.

Классификация паровых турбин

По прин­ци­пу дей­ст­вия вы­де­ля­ют ак­тив­ные тур­би­ны и ре­ак­тив­ные тур­би­ны. По ко­ли­че­ст­ву сту­пе­ней П. т. под­раз­де­ля­ют на од­но­сту­пен­ча­тые и мно­го­сту­пен­ча­тые тур­би­ны. В од­но­сту­пен­ча­той П. т. не уда­ёт­ся дос­та­точ­но пол­но ис­поль­зо­вать энер­гию па­ра, по­это­му совр. П. т. стро­ят мно­го­сту­пен­ча­ты­ми. По на­прав­ле­нию по­то­ка ра­бо­че­го те­ла вы­де­ля­ют осе­вые (ак­си­аль­ные) П. т. (на­прав­ле­ние по­то­ка сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем оси ро­то­ра, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип П. т., ис­поль­зуе­мых для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров) и ра­ди­аль­ные П. т. (по­ток осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ра­ди­аль­ном на­прав­ле­нии ли­бо от оси ро­то­ра к пе­ри­фе­рии дис­ков, ли­бо на­обо­рот – от пе­ри­фе­рии к оси). В за­ви­си­мо­сти от дав­ле­ния па­ра П. т. бы­ва­ют: низ­ко­го (не вы­ше 0,9 МПа), сред­не­го (не вы­ше 4 МПа), вы­со­ко­го (9–14 МПа) и сверх­кри­тич. дав­ле­ния (24 МПа и бо­лее).

В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра те­п­ло­во­го про­цес­са П. т. под­раз­де­ля­ют на 3 груп­пы: кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны, те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные и спец. на­зна­че­ния.

Те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т. слу­жат для од­но­врем. по­лу­че­ния элек­трич. и те­п­ло­вой энер­гии. Осн. ко­неч­ный про­дукт та­ких П. т. – те­п­ло­та. ТЭС, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т., на­зы­ва­ют­ся те­п­ло­элек­тро­цен­тра­ля­ми. К те­п­ло­фи­ка­ци­он­ным П. т. от­но­сят­ся тур­би­ны с про­ти­во­дав­ле­ни­ем, с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром па­ра, а так­же с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем. У тур­бин с про­ти­во­дав­ле­ни­ем от­сут­ст­ву­ет кон­ден­са­тор. От­ра­бо­тав­ший пар, имею­щий дав­ле­ние вы­ше ат­мо­сфер­но­го, по­сту­па­ет в спец. сбор­ный кол­лек­тор, от­ку­да на­прав­ля­ет­ся к те­п­ло­вым по­тре­би­те­лям для тех­но­ло­гич. це­лей (вар­ка, суш­ка, ото­пле­ние и др.). В тур­би­нах с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а ос­таль­ной пар идёт в кон­ден­са­тор. Дав­ле­ние от­би­рае­мо­го па­ра на всех ре­жи­мах ра­бо­ты тур­бо­аг­ре­га­та ав­то­ма­ти­че­ски под­дер­жи­ва­ет­ся по­сто­ян­ным или же ре­гу­ли­ру­ет­ся в за­дан­ных пре­де­лах, с тем что­бы по­тре­би­тель по­лу­чал пар оп­ре­де­лён­но­го ка­че­ст­ва. Су­ще­ст­ву­ет два ви­да те­п­ло­вых по­тре­би­те­лей: про­мыш­лен­ные, где тре­бу­ет­ся пар с дав­ле­ни­ем до 1,3–1,5 МПа (про­из­водств. от­бор), и ото­пи­тель­ные, с дав­ле­ни­ем 0,05–0,25 МПа (те­п­ло­фи­ка­ци­он­ный от­бор). Ес­ли тре­бу­ет­ся пар как про­из­вод­ст­вен­но­го, так и ото­пит. на­зна­че­ния, то в од­ной тур­би­не мо­гут быть осу­ще­ст­в­ле­ны два ре­гу­ли­руе­мых от­бо­ра; ме­сто от­бо­ра (сту­пень тур­би­ны) вы­би­ра­ют в за­ви­си­мо­сти от нуж­ных па­ра­мет­ров па­ра. У тур­бин с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а весь от­ра­бо­тав­ший пар на­прав­ля­ет­ся из вы­пу­ск­но­го пат­руб­ка в ото­пит. сис­те­му или к се­те­вым по­до­гре­ва­те­лям.

П. т. спе­ци­аль­но­го на­зна­че­ния обыч­но ра­бо­та­ют на от­брос­ном те­п­ле ме­тал­лур­гич., ма­ши­но­стро­ит. и хи­мич. пред­при­ятий. К ним от­но­сят­ся П. т. «мя­то­го па­ра», с про­ме­жу­точ­ным под­во­дом па­ра (тур­би­ны двух дав­ле­ний) и пред­вклю­чён­ные. П. т. «мя­то­го па­ра» ис­поль­зу­ют от­ра­бо­тав­ший пар низ­ко­го дав­ле­ния по­сле тех­но­ло­гич. про­цес­сов (пар порш­не­вых ма­шин, па­ро­вых мо­ло­тов и прес­сов), ко­то­рый по к.-л. при­чи­нам не мо­жет быть ис­поль­зо­ван для ото­пит. или тех­но­ло­гич. нужд. Дав­ле­ние та­ко­го па­ра обыч­но несколько вы­ше ат­мо­сфер­но­го, и он на­прав­ля­ет­ся в спец. кон­ден­сац. тур­би­ну (тур­би­ну «мя­то­го па­ра»). П. т. двух дав­ле­ний ра­бо­та­ют как на све­жем, так и на от­ра­бо­тав­шем па­ре па­ро­вых ме­ха­низ­мов, под­во­ди­мом в од­ну из про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней. Пред­вклю­чён­ные П. т. пред­став­ля­ют со­бой тур­би­ны с вы­со­ким на­чаль­ным дав­ле­ни­ем и вы­со­ким про­ти­во­дав­ле­ни­ем; весь от­ра­бо­тав­ший пар этих П. т. на­прав­ля­ют да­лее в обыч­ные кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны.

Конструкция паровых турбин

Схематический продольный разрез активной паровой турбины с тремя ступенями давления: 1 – кольцевая камера свежего пара; 2 – сопла первой ступени; 3 – лопатки первой ступени; 4 – сопла второй ступени

Назначение

Подобного рода агрегаты имеет смысл использовать в тех отраслях современной промышленности или бытовой сферы, где наблюдается достаточное большое количество парообразований, которые можно использовать в качестве преобразователя в электроэнергию. Именно генераторы парового типа получили широкое использование в котельных установках, где они образуют некую тепловую электростанцию вместе котлом и турбиной.

Такие агрегаты позволяют существенно экономить на своей эксплуатации, а также снизить затраты на получение электрической энергии. Именно поэтому, паровые установки зачастую считаются одними из основных рабочих узлов многих электростанций.

Кроме того, если изучить принцип действия, а также конструктивные особенности подобных паровых генераторов, можно попытаться реализовать их своими руками, с помощью определенных средств. Однако, о данной возможности пойдет речь чуть позже.

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

• твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
• полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
• по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
• сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
• вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
• отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

Читайте также:  Сильфонная подводка для газа — описание, рекомендации по выбору и монтажу

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Два принципа работы пара в турбине

Из сказанного выше вытекает, что, используя расширение пара в турбине, мы можем получить механическую работу, эквивалентную располагаемому перепаду тепла за вычетом потерь. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу может происходить различным образом в зависимости от типа турбины.

Турбины, у которых расширение пара происходит только в неподвижных соплах до вступления его на рабочие лопатки, называется активными турбинами.

Турбины, у которых расширение пара совершается не только до вступления его на рабочие (подвижные) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинами, работающими с реакцией. Если теплопадение в соплах составляет примерно половину общего теплопадения (или меньше), турбину принято называть реактивной.

Струя жидкости, направленная на лопатку, оказывает на нее давление, которое зависит от расхода жидкости, скорости ее при входе на поверхность и при выходе с нее, формы поверхности лопатки, угла направления струи относительно этой поверхности и разности давлений жидкости перед и за лопаткой. При этом вовсе не требуется, чтобы струя ударяла о лопатку; наоборот, этого нужно всегда избегать и стремиться к тому, чтобы поток не ударял о лопатку, а плавно ее обтекал.

Дело в том, что при обтекании паром лопаток, так же как при обтекании воздухом крыла самолета, с обеих сторон поверхности лопатки образуется разное давление: с вогнутой стороны давление всегда выше, чем с выпуклой. Вследствие этого получается сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны; она заставляет лопатки перемещаться и совершать работу. Отцом русской авиации” профессором Н. Е. Жуковским установлены основные законы для определения “подъемной силы” крыла самолета, обтекаемого воздухом; применение этих законов помогает конструкторам современных турбин создавать наилучшие профили лопаток, обеспечивающие малые потери.

Однако при элементарном изучении преобразования энергии в турбине и конструкций турбин удобнее и нагляднее разделять и рассматривать особо активные и реактивные ступени и происходящие в них процессы. При этом часто вводятся еще некоторые упрощения; в частности, поток пара в соплах и между лопатками рассматривается в ряде случаев как некоторая сплошная струя несжимаемой жидкости, имеющая одинаковые скорости и давления в любой точке входного или выходного сечения.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

• Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.
• Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.
• Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.
• Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют критическим давлением. Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, — это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Необходимая скорость на окружности турбинного диска

Нетрудно сообразить, что если лопатка (рис. 7) движется под действием какой-либо внешней силы с той же самой скоростью, что и направленная на нее струя пара, то она не оказывает струе какого-либо сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии. Такое же явление получится, если скорость лопатки будет больше скорости струи; в этом случае лопатка просто уйдет вперед, обгоняя струю.

Вообразим теперь, что лопатка закреплена в неподвижном состоянии; тогда струя пара, направленная на изогнутую поверхность лопатки, не совершит работы ее передвижения, а переменит направление своего движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила, если не считать небольших потерь на трение о поверхность лопатки; следовательно, кинетическая энергия струи останется неиспользованной.

Рассмотрим теперь такой пример: допустим, что скорость подтекания струи пара равна 500 м/сек, м скорость лопатки равна 250 м/сек; в этом случае струя вступит на лопатку с относительной скоростью в 250 м/сек и, изменив направление своего движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/сек относительно лопатки.

Но так как лопатка движется вперед со скоростью 250 м/сек, то скорость обратного движения струи равна и противоположна по направлению скорости лопатки и по отношению к какой-либо неподвижной точке пространства будет равна нулю.

Из сказанного можно сделать тот вывод, что для полного использования кинетической энергии пара скорость движения лопатки активной турбины должна быть в 2 раза меньше скорости истечения струи пара из сопла.

Скорость истечения пара из сопла, как мы уже говорили, зависит от разности его начальной и конечной энтальпии. Чем больше перепад тепла при расширении пара, тем больше скорость его истечения. Современные котельные установки строятся для давлений 35-90 ата и выше (до 300 ата), выпускают же отработавший в турбине пар обычно в конденсатор, где давление держат возможно более низким. Если бы соответствующий теплоперепад был использован сразу для получения скорости, ее значения превосходили бы 1000 м/сек; например, при расширении насыщенного пара от сравнительно невысокого давления 10 ата до давления, равного 0,1 ата (в конденсаторе), скорость истечения достигает 1167 м/сек, то есть будет значительно больше скорости полета пули, выпущенной из винтовки. При применении перегретого пара скорости истечения получаются еще большими, так как возрастают располагаемые перепады тепла.

Для наивыгоднейшего использования кинетической энергии пара скорость u на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали, только в 2 раза меньше скорости с1 истечения пара из сопла. Так, для скорости истечения пара с1=1200 м/сек скорость u на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/сек. Такую высокую окружную скорость осуществить в турбине пока невозможно, так как еще не существует материалов, могущих выдержать колоссальные напряжения от центробежной силы, развивающиеся при окружных скоростях, значительно превышающих 400 м/сек. Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/с1 вызывает сильное снижение к.п.д. турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине можно использовать с хорошим к.п.д. лишь сравнительно небольшие теплопадения.

В турбинах с небольшими расходами и высокими скоростями пара приходится применять диски небольшого диаметра для того, чтобы не получить слишком низкими рабочие лопатки. К тому же диски малого диаметра легче изготовить лучшего качества. Но при малых диаметрах диска и высоких окружных скоростях получается высоким число оборотов.

Большинство же приводимых турбинами машин (генераторы, насосы и т.п.) требует числа оборотов порядка 3000 об/мин и ниже, а следовательно, высокооборотной турбиной и вращаемой ею машиной приходится вводить понизительную зубчатую передачу (редуктор); при этом размеры передачи не редко превышают размеры самой турбины, а к.п.д. установки понижается за счет механических потерь в редукторе.

На электростанциях зубчатые редукторы почти не применяются, но они нашли широкое применение на кораблях, так как для гребных винтов необходимо очень низкое число оборотов (от 100 до 500 об/мин), а турбина с таким числом оборотов получилась бы громадных размеров.

Невысокий к.п.д. и некоторые конструктивные трудности ограничивают мощность одноступенчатых турбин величиной 500-800 квт.

Одноступенчатые турбины, однако весьма просты и надежны в работе, и они часто применяются для привода вспомогательных механизмов, экономичность которых не имеет существенного значения.

Повышения экономичности турбины, работающей при большом теплопадении с умеренными окружными скоростями, можно достигнуть путем:

1) применения ступеней давления;

2) применения ступеней скорости.

Ступени давления

Идея ступеней давления заключается в следующем: вместо того чтобы вести расширение пара от давления в котле до противодавления в один прием, можно разделить этот процесс на части или ступени, используя в каждой ступени небольшие перепады давлений. Подобного рода устройства примененное для водяной турбины, изображено на (рис.), рассмотрим его подробно.

Как видно из чертежа, уровень воды в баке на 500 м выше сопла 1; при этом скорость истечения воды из сопла будет равна примерно 100 м/сек, и наивыгоднейшая скорость на окружности колеса турбины должна равняться 100/2=50 м/сек, для чего нужно 2000 об/мин при диаметре колеса 0,5 м.

Если же мы напор воды разделим на четыре части так, чтобы сопла 2,3,4 и 5 питались каждое из бака, в котором уровень воды стоит на высоте, в 4 раза меньшей, то есть 125 м, то скорость истечения из этих сопел будет уже не 100 м/сек, а только 50 м/сек, и колеса, насаженные на общий вал, должны будут вращаться с окружной скоростью 50/2=25 м/сек, то есть делать только 1000 об/мин при том же диаметре. Количество работы, которое мы при этом получаем, будет тем же самым, если не считать несколько большие потери на трение во втором случае.

Подобным же образом паровую турбину с несколькими ступенями давления можно рассматривать как состоящую из нескольких одноступенчатых турбин, соединенных последовательно, причем все диски сидят на общем валу, а пар, сработав в первой турбине часть располагаемого перепада давлений, переходит во вторую, затем в третью и т.д. до тех пор, пока давление его не сравняется с противодавлением атмосферы или конденсатора.

Турбина с числом ступеней равно 9 будет иметь наивыгоднейшую окружную скорость в 3 раза, а турбина с 16 ступенями в 4 раза меньшую, чем одноступенчатая турбина, использующая тот же перепад тепла.

На (рис. 11), изображающем схематический разрез активной турбины с тремя ступенями давления, видно, что корпус турбины разделен диафрагмами (перегородками) на три отделmные камеры. Пар может проникать из одной камеры в следующую только через сопла , расположенные в диафрагмах по их окружности. Расширение пара происходит следующим образом: пар высокого давления подводят из паропровода в кольцевую камеру 1, по окружности которой имеется ряд сопел 2. В соплах 2 происходит некоторое понижение давления, и по выходе из сопел пар приобретает известную скорость, энергию которой и перепад лопатками 3 первого диска. За лопатками 3 пар имеет небольшую скорость, но пройдя через сопла 4, опять несколько расширяется и приобретает большую скорость, которую и передает лопаткам 5. То же самое происходит и в следующей ступени, в которой расширение ведут до давления в пространстве 6, соединенном с атмосферой или конденсатором.

Весь этот процесс легко проследить по нанесенным в верхней части (рис. 11) кривым, определяющим давления и скорости пара перед и за соплами и за рабочими лопатками. Сравнив эти кривые с имеющимися на (рис. 8), мы увидим, что рабочий процесс одноступенчатой турбины здесь повторяется 3 раза, по числу ступеней давления; при этом давление в каждой следующей ступени понижается, а скорости истечения примерно одинаковы. Последнее достигается выбором соответствующих размеров сопле.

При значительном числе ступеней перепады давлений в каждой ступени получаются небольшими и скорости истечения пара ниже критической; поэтому применение расширяющихся сопел в многоступенчатых турбинах стало уже необязательным; в современных турбинах, как правило, применяют лишь суживающиеся сопла. Этому способствует рассмотренная ниже возможность расширения пара в косом срезе суживающихся сопел до давления ниже критического.

Перепад тепла между ступенями турбины распределяют иногда поровну, чаще же принимают более высокие перепады в первой и последних ступенях; это дает возможность, с одной стороны, понизить давление и температуру в корпусе турбины за счет срабатывания большого перепада давлений в первой ступени, а с другой,- получить меньшую высоту лопаток в последних ступенях за счет больших скоростей протекания пара.

Падения давления по ступеням всегда получаются неодинаковыми: в первых ступенях давление падает резко, в последних же незначительно.

В качестве примера ниже приведена таблица распределения давлений по ступеням активной турбины с 13 ступенями давления, работающей свежим паром давлением 28 ата, температура пара= 400о С и с противодавлением в конденсаторе= 0,05 ата

При этом перепады тепла составляют от 16,2 ккал/кг в первых ступенях до 32 ккал/кг в последней ступени.

Порядковые номера ступеней давления всегда отсчитываются по направлению течения пара в турбине

Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то сечения сопел и высота лопаток постепенно возрастают от первой ступени к последней. За редкими исключениями диафрагмы делают разъемными на две части, причем плоскость разъема проходит через чентр диафрагмы и совпадает с плоскостью разъема корпуса турбины. При установке ротора на место его диски поместятся между соответствующими диафрагмами.

Внутренняя расточка диафрагмы снабжается уплотнениями для уменьшения неизбежной утечки пара помимо сопел. При выходе ротора из корпуса также имеются концевые уплотнения.

Ступени скорости

Если затормозить вращающийся диск турбины до полной его остановки, то пар, вступив на лопатки, уйдет с них, не совершив работы, и, следовательно, сохранит всю свою скорость за исключением небольших потерь на трение.

Допустим теперь, что диск вращается, но медленно, так что скорость лопаток значительно меньше половины скорости пара. В этом случае пар, вступив на движущиеся лопатки, совершит некоторую работу, отдаст часть своей кинетической энергии и уйдет с лопаток, обладая еще значительной скоростью. Естественно напрашивается мысль использовать оставшуюся скорость дальше; если направить пар на второй ряд лопаток, установив его, например, на том же самом диске, то пар отдаст им часть оставшейся кинетической энергии.

Сущность происходящего явления легче понять, если рассмотреть (рис. 12) и (рис. 13). Изображенная на (рис. 12) тележка А движется со скоростью, равной половине скорости подхода струи, и струя, отдавая ей всю свою энергию, уходит с вогнутой поверхности со скоростью в направлении движения тележки, равной нулю (относительно какой-либо неподвижной точки пространства).

Тележка Б(рис. 13) движется со скоростью, равной четверти скорости подхода струи. По выходе с верхней вогнутой поверхности 1 струя будет иметь скорость, равную половине начальной; затем, не теряя скорости, она меняет направление на неподвижной направляющей лопатке 2 и подходит, таким образом, к поверхности 3 со скоростью, уже удовлетворяющей выведенному нами выше условию, то есть в 2 раза большей, чем скорость тележки. На поверхности 3 струя отдает остаток своей скоростной энергии. Таким образом, благодаря применению двух ступеней скорости тележка Б может двигаться в 2 раза медленнее тележки А, использую весь скоростной напор струи.

В паровой турбине деление скорости на ступени производится следующим образом.

Свежий пар с давлением Р0 подводится к соплу 4 (рис. 14), где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Вытекая со скоростью С1 из сопла пар вступает в первый ряд рабочих лопаток 3, где часть его скоростной энергии превращается в работу; при этом изменяется направление движения потока. Выйдя с скоростью С2 с первого ряда рабочих лопаток, пар попадает в кольцо (или часть кольца) с неподвижными направляющими лопатками 7, поставленными так, что направление пара опять меняется, и во второй ряд рабочих лопаток он входит в направлении, соответствующем профилю второго ряда рабочих лопаток. Сопла и лопатки выполнены так, что пар, проходя через сопла, расширяется до давления Р1, имеющегося в камере, в которой находится вращающийся диск с лопатками; следовательно, выйдя из сопел, пар больше уже не расширяется и на лопатках менется его скорость, а давление остается без изменения.

Во втором ряду рабочих лопаток, куда пар входит с скоростью С/1, несколько меньшей чем С2, вследствие потерь в направляющих лопатках ( см. схему вверху рис. 14), превращается в работу еще часть скоростной энергии потока; покидая рабочие лопатки второго ряда, пар имеет незначительную скорость С/2.

На (рис. 15) изображена часть диска с двумя рядами лопаток; такой диск нередко называют “колесо Кертиса”. На (рис. 16) показана секция венца направляющих лопаток (направляющего аппарата).

Теоретически при двух ступенях скорости наивыгоднейшая окружная скорость u будет в 2 раза меньше, чем для одноступенчатой турбины, использующей тот же перепад тепла; при трех ступенях скорости u будет в 3 раза меньше и так далее. Это положение можно доказать математически.

В действительной турбине это отношение несколько меняется; оно зависит помимо числа ступеней от угла между направлениями скоростей u и С/1, от величины потерь в соплах, рабочих лопатках и потерь на трение диска о пар.

Из приведенного выше вытекает, что любой перепад давлений и соответствующую ему скорость истечения пара можно использовать в одной ступени давления, подобрав число ступеней скорости так, чтобы окружная скорость не превысила практически допустимых границ. Однако этот метод при большом числе ступеней скорости оказывается невыгодным, так как потери в соплах, в рабочих и направляющих лопатках становятся очень значительными.

Более целесообразно делить турбины на несколько ступеней давления, устроив в каждой из них две или три ступени скорости. Турбины этого типа имеют небольшие габариты, но экономичность их также невысока; поэтому они в настоящее время строятся редко.

Наиболее распространенным в настоящее время типом турбины средней и большой мощности можно считать активную турбину с одним двухвенечным диском (две ступени скорости) в первой ступени давления и простыми одновенечными дисками в остальных ступенях давления. Значение двухвенечного диска в этом случае заключается в том, что, используя значительную часть перепада тепла в первой ступени давления, то есть срабатывая больший перепад давлений, он дает возможность значительно понизить давление и температуру пара в корпусе турбины, уменьшить число последующих ступеней и тем укротить и, следовательно, удешевить турбину.

Турбины с одним двухвенечным или, реже, трехвенечным диском применяются в настоящее время только в тех случаях, когда особенно важны простота и компактность машины; такую конструкцию применяют, например, для небольших вспомогательных турбин, служащих для привода питательных, циркуляционных и конденсатных насосов, турбовентиляторов и т. п.

Источники:

• https://FB.ru/article/366737/parovaya-turbina-ustroystvo-printsip-deystviya-osnovnyie-elementyi
• https://soloserv.ru/stroitelstvo/parovaya-turbina-%E2%84%B9%EF%B8%8F-princzip-dejstviya-vidy-vnutrennyaya-konstrukcziya-i-ustrojstvo-chastej-opisanie-raboty-preimushhestva-i-nedostatki-osobennosti-primeneniya
• https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2321544
• https://teplobloknn.ru/elektroshkola/kak-sdelat-parovuyu-turbinu.html
• https://OrenInstrument.ru/kotel/samodelnaya-parovaya-turbina.html
• http://par-turbina.ucoz.net/index/princip_raboty_parovoj_turbiny/0-26
• https://manbw.ru/analitycs/steam-turbines.html
• https://banya10.ru/montazh/turbiny-parovye.html