Паровые турбины на судне реферат

Обновлено: 02.07.2024

Паровые турбины. Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и постоянной скоростью вращения. Рабочим веществом в паровой турбине является водяной перегретый пар, поступающий из парового котла. Насыщенный влажный пар в турбинных установках не применяется, поскольку он вызывает быстрый износ деталей турбин и создает добавочные потери мощности установки.

Наличие в турбине только вращающихся частей, постоянство процесса работы пара и тепловых напряжений в ее основных узлах даже при перемене хода судна, выгодно отличают турбину от энергетических установок с поступательно движущимися частями (паровая машина, двигатель внутреннего сгорания). О недостатках паротурбинных энергетических установок, ограничивающих их широкое применение на морских судах, было сказано в § 17.

Сущность действия паровых турбин заключается в следующем. Свежий пар, поступающий от котлов по паропроводу к турбине, имеет определенный запас потенциальной энергии, которая последовательно превращается в механическую работу вращения подвижной части турбины — ротора. Турбины разделяют на активные и реактивные в зависимости от последовательности преобразования энергии пара на их рабочих органах.

Принцип действия простейшей активной турбины можно пояснить рис. 62. Пар поступает в турбину через специальные устройства — направляющие аппараты, называемые соплами (или насадками). Сопла представляют собой детали, неподвижно закрепленные в корпусе турбины и имеющие внутри постепенно расширяющиеся каналы круглого или прямоугольного поперечного сечения. Давление пара, протекающего вдоль сопловых каналов, постепенно падает от начального на входе до установившегося за выходным сечением сопла. Вследствие понижения давления пар расширяется, что требует затраты некоторой части его потенциальной энергии. Согласно закону сохранения энергии, затраченная потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию паровой струи. Выходящая из сопла 1 паровая струя с большой скоростью направляется в криволинейные каналы рабочих лопаток 2, установленных на ободе подвижного диска (ротора) 4 турбины. Под воздействием паровой струи, движущейся между лопатками, диск 4 вместе с валом 5, свободно лежащим в подшипниках 3, начинает вращаться. На вращение ротора, т. е. на создание механической работы, расходуется большая часть кинетической энергии пара.

Рис. 62. Принцип действия простейшей активной турбины.

Таким образом, в активной паровой турбине происходит двойное преобразование энергии, а именно: потенциальной энергии пара в кинетическую энергию паровой струи и кинетической энергии — в механическую энергию вращения ротора турбины. Изображенную на рис. 62 простейшую активную турбину называют также одноступенчатой. Ступенью в турбине принято называть совокупность одного направляющего аппарата (сопел) и одного венда рабочих лопаток, расположенных соответственно по окружности в корпусе турбины и на ее подвижном диске (роторе).

В одноступенчатой активной турбине по мере превращения части кинетической энергии в механическую работу вращения диска скорость пара на рабочих лопатках уменьшается, оставаясь все же довольно высокой на выходе из них. Пар, отработавший на лопатках турбины, уходит из корпуса по трубопроводу, унося значительную часть кинетической энергии, что приводит к понижению к. п. д. турбины. Вследствие низкого к. п. д., а также невозможности практического использования большой частоты вращения (до 20 000—25 000 об/мин) ротора активные одноступенчатые турбины не нашли применения в судовых энергетических установках.

Получение высоких к. п. д. активных турбин при сравнительно умеренной частоте вращения ротора может быть достигнуто одним из двух способов устройства турбин: со ступенями скорости; со ступенями давления.

Турбины со ступенями скорости устроены так, что кинетическая энергия паровой струи преобразуется в механическую работу не на одном венце рабочих лопаток, а на двух или трех венцах, укрепленных на одном ободе диска. Между венцами рабочих лопаток расположены ряды направляющих лопаток, закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса турбины. Направляющие лопатки служат только для изменения направления струи пара перед входом на следующий ряд рабочих лопаток. Расширения пара в направляющих лопатках не происходит, поэтому его давление в полости турбины остается постоянным. В то же время скорость пара постепенно понижается, так как часть его кинетической энергии используется на каждом венце рабочих лопаток. Однако увеличение числа ступеней скорости приводит к увеличению потерь энергии пара как на рабочих, так и на направляющих лопатках, что снижает к. п. д. турбины. Поэтому в судовых энергетических установках применяют, как правило, активные турбины с числом ступеней скорости не более четырех.

Принцип устройства турбин со ступенями давления заключается в том, что давление пара понижается не сразу, а постепенно на каждой ступени турбины. Каждая из ступеней работает как одноступенчатая активная турбина, но перерабатывает только небольшую часть общей энергии пара. Очевидно, общая работа пара в турбине будет равна сумме работ на окружности каждой ступени.

Схема активной турбины со ступенями давления изображена на рис. 63. Здесь же помещена диаграмма распределения давления и скорости пара по ступеням турбины. Из диаграммы видно, что в соплах каждой ступени происходит падение давления пара, сопровождающееся возрастанием его скорости. На рабочих лопатках ступеней часть кинетической энергии пара преобразуется в механическую работу вращения дисков 7, закрепленных на валу 6 турбины. Этот процесс сопровождается падением абсолютной скорости пара на рабочих лопатках каждой ступени. Пар поступает в турбину через впускной патрубок 1 и через направляющий аппарат (сопла) 2 попадает на рабочие лопатки 3 первой ступени. Для разделения турбины на ступени применяют массивные стальные или чугунные перегородки 4 и 5, называемые диафрагмами, в которых по всей окружности или на некоторой ее части закреплены сопла второй и третьей ступеней.

Рис. 63. Схема активной турбины со ступенями давления (а) и диаграмма распределения скорости и давления пара в этой турбине (б).

Использование выходной скорости пара в турбине со ступенями давления обеспечивает ей несомненные преимущества перед турбинами других видов. Она становится более экономичной, значительно повышается (до 0,82—0,83) ее к. п. д., уменьшается расход пара на единицу мощности. Однако увеличение числа ступеней давления более пяти — семи нецелесообразно, так как при этом повышаются вес и габариты турбины, усложняется ее конструкция, увеличиваются прогибы вала, что требует увеличения его диаметра, повышаются потери тепла при протекании пара через зазоры у вала ротора в местах его прохода через диафрагмы, снижается к. п. д. турбины за счет потерь тепла.

В судовых энергетических установках активные турбины нашли широкое применение. Турбины со ступенями скорости используют в качестве первичных двигателей для судовых турбовентиляторов, питательных, нефтяных, пожарных, циркуляционных и конденсатных насосов, а также генераторов электроэнергии небольшой мощности. Турбины со ступенями давления применяют в качестве самостоятельных ступеней в главных судовых турбинах большой мощности, главным образом в области высоких и средних давлений пара, а также как первичные двигатели для мощных турбогенераторов (от 300 квт и более) судовых электростанций.

Реактивный принцип работы пара в турбине подобен принципу действия газовой струи, вытекающей с большой скоростью из сопловых камер ракет или реактивных самолетов. В турбине роль такой струи выполняет струя пара, выходящая из каналов между
рабочими лопатками. Форма этих каналов дает возможность пару расширяться в них так же, как в направляющем аппарате активных турбин.

Каждая реактивная ступень турбины представляет собой сочетание двух рядов (венцов) лопаток: направляющего и рабочего. Обычно направляющие и рабочие лопатки выполняются одинакового профиля. Направляющие лопатки 1 (рис. 64, а) крепятся неподвижно в канавках корпуса турбины со стороны впуска пара. Рабочие лопатки 2 располагаются за направляющими и крепятся в канавках пустотелого ротора (барабанного типа). Изображенная на рис. 64,6 диаграмма изменения параметров пара в реактивной ступени показывает, что давление пара р1 перед направляющими лопатками 1 выше, чем перед рабочими, т. е. p1>p' а давление пара перед рабочими лопатками 2 выше, чем за ними, т. е. р'>р2. Скорость пара увеличивается от с0 до с1 в направляющих лопатках и снижается от с1 до с2 на рабочих лопатках, но так, что с2>с0. Такой характер изменения параметров пара обусловлен формой сечений каналов между рабочими и направляющими лопатками, изображенными на рис. 64, б.

На входе пара у направляющих и рабочих лопаток междулопаточные каналы имеют более широкое сечение, чем на выходе. Ввиду сужения выходных сечений каналов происходит падение давления пара на каждом ряде лопаток, что в свою очередь вызывает расширение пара и увеличение его скорости в выходном сечении. Таким образом, в реактивной турбине неподвижные направляющие лопатки (НЛ) выполняют роль сопел, поэтому пар, выходя из них, активно воздействует на рабочие лопатки (РЛ) каждой ступени. В криволинейных каналах рабочих лопаток вследствие падения давления пар продолжает расширяться и при истечении из них со скоростью с2 (рис. 64, а) оказывает также реактивное воздействие на вогнутую поверхность каждой лопатки. Совместное активное и реактивное воздействие пара на рабочие лопатки заставляет ротор турбины вращаться с определенной окружной скоростью.

Рис. 64. Диаграмма изменения параметров пара в реактивной ступени (а), профили рабочих и направляющих лопаток (б).

Наряду с этим при расширении пара в каналах рабочих лопаток возникает осевое давление на каждый рабочий венец. Возникновение осевого давления, обусловленного разностью давлений пара перед рабочими лопатками и за ними, является недостатком реактивной турбины и в то же время обязательным условием ее работы. Для восприятия суммарных усилий (порядка нескольких тонн для многоступенчатой реактивной турбины), направленных вдоль оси ротора, понадобились бы упорные подшипники огромных размеров. Практически разгрузка роторов турбин от осевых усилий осуществляется двумя способами: устройством разгрузочного поршня, или думмиса (рис. 65, а), и уравновешиванием ротора впуском пара (рис. 65,6). Думмис 1 имеет значительно больший диаметр, чем барабан ротора, поэтому давление рд свежего пара на его торцевую поверхность будет направлено противоположно осевому усилию рр ротора. При соответствующем подборе размеров думмиса это усилие будет уравновешено.

Рис. 65. Схемы разгрузки ротора реактивной турбины от осевых усилий.

1 — думмис; 2— входной патрубок; 3 — направляющие лопатки; 4 — рабочие лопатки; 5 — выходной патрубок; 6 — вал ротора; 7 — корпус турбины.

Таким образом, реактивные турбины отличаются от активных тем, что расширение пара происходит не только в направляющем аппарате (в данном случае в направляющих лопатках), но и в каналах между рабочими лопатками; профиль рабочих лопаток не имеет симметричной формы (сравните рис. 63, б и рис. 64, б); отсутствуют диски на валу ротора, ротор обычно пустотелый барабанного типа; осуществляется двусторонний впуск пара на реактивные ступени или применяется думмис на барабане ротора.

Вследствие понижения давления пара в каждой реактивной ступени их можно рассматривать как ступени давления. Кроме того, в реактивной турбине используют и активное действие пара, поэтому судовые паровые турбины, условно называемые реактивными, по существу являются полуреактивными. В реактивных турбинах выполняют не менее пяти-шести ступеней, так как при меньшем числе ступеней создаются высокие окружные скорости, недопустимые по условиям прочности применяемых материалов.

Продолжительные ходовые режимы главных дизелей диктуют целесообразность установки высокопроизводительных утилизационных котлов, которые могут вырабатывать пар в количестве, достаточном как для удовлетворения общесудовых нужд в теплоснабжении, так и для работы ходового утилизационного турбогенератора.

На современных судах наибольшее распространение получили схемы глубокой утилизации теплоты, показанные на рис. 1.

В котельную установку входят вспомогательный котел с естественной циркуляцией и утилизационный котел с принудительной циркуляцией воды, имеющий свой сепаратор. Питательная вода из теплого ящика 19 питательным насосом 18 (один резервный) подается в сепаратор 17, а если надо, то и в пароводяной коллектор вспомогательного котла 3. Подпитка теплого ящика добавочной водой осуществляется из цистерны запаса воды 1 с помощью насоса 2. Принудительная циркуляция воды в утилизационном котле 8 осуществляется насосами 16.

Насыщенный пар от вспомогательного котла или от сепаратора по общей магистрали 4 поступает к потребителям. В случае остановки главного двигателя предусмотрено отключение потребителей с помощью электромагнитных клапанов 5. Предусмотрен отдельно отбор насыщенного пара на паротушение утилизационного котла по трубе 6. Основная часть насыщенного пара из сепаратора направляется в пароперегреватель утилизационного котла. Образовавшийся перегретый пар по трубе 9 поступает к турбине 12 утилизационного ходового турбогенератора.

Отработавший пар от турбины поступает в конденсатор 13, откуда в виде конденсата откачивается конденсатным насосом 14 по трубопроводу 20 в теплый ящик. По пути конденсат проходит через холодильник эжектора 15. Конденсат от потребителей, пройдя смотровую цистерну 10, поступает в атмосферный конденсатор 11 и из него самотеком по трубопроводу 21 в теплый ящик. Атмосферный конденсатор предназначен для исключения парения в теплом ящике, а смотровая цистерна — для контроля содержания в конденсате нефтепродуктов. Излишки пара из утилизационного котла могут быть сброшены в конденсаторы 11 или 13 через регулирующий клапан 7.

Рис. 1. Типовая принципиальная схема глубокой утилизации теплоты с отдельным сепаратором:

1 – цистерна запаса воды

3 – вспомогательный котел;

4 – общая магистраль;

5 – электромагнитный клапан;

7 – регулирующий клапан;

8 – утилизационный котел4

10 – смотровая цистерна;

11 – атмосферный конденсатор;

14 – конденсатный насос;

18 – питательный насос;

19 – теплый ящик;

На танкерах, где на ходу судна, помимо утилизационного, часто работает вспомогательный котел (подогрев груза, мойка танков, пропаривание), вместо сепаратора можно использовать пароводяной коллектор вспомогательного агрегата. При этом варианте вспомогательный котел может служить также как резервное средство в случае снижения паропроизводительности утилизационного агрегата. Исключение из схемы сепаратора упрощает установку, но приводит к увеличению протяженности паропроводов, увеличению теплопотерь во внешнюю среду и делает невозможным ремонт вспомогательного котла в ходовом режиме. Если в составе парогенераторной установки имеются два вспомогательных агрегата, то роль сепаратора обычно выполняет только один котел.

Отработавший пар от турбины поступает в конденсатор 13, откуда в виде конденсата откачивается конденсатным насосом 14 по трубопроводу 20 в теплый ящик. По пути конденсат проходит через холодильник эжектора 15. Конденсат от потребителей, пройдя смотровую цистерну 10, поступает в атмосферный конденсатор 11 и из него самотеком по трубопроводу 21 в теплый ящик. Атмосферный конденсатор предназначен для исключения парения в теплом ящике, а смотровая цистерна -- для контроля содержания в конденсате нефтепродуктов. Излишки пара из утилизационного котла могут быть сброшены в конденсаторы 11 или 13 через регулирующий клапан 7.

Рис. 1. Типовая принципиальная схема глубокой утилизации теплоты с отдельным сепаратором:

1 - цистерна запаса воды

3 - вспомогательный котел;

4 - общая магистраль;

5 - электромагнитный клапан;

7 - регулирующий клапан;

8 - утилизационный котел4

10 - смотровая цистерна;

11 - атмосферный конденсатор;

14 - конденсатный насос;

18 - питательный насос;

19 - теплый ящик;

Работа пара в реактивной ступени. Чисто реактивные турбины из-за чрезмерно высокой частоты вращения в практике применения не нашли. Используются полуреактивные турбины (называемые упрощенно реактивными), в которых пар поровну расширяется в неподвижных направляющих каналах и в подвижных каналах между рабочими лопатками дисков.

В ступени реактивной турбины (рис. 2) пар давлением р₀ со скоростью с₀ поступает в неподвижные аппараты, образованные направляющими лопатками 2, в корпусе 1 турбины, где он частично расширяется до давления р₁ (как в соплах) и приобретает скорость с₁. С этой скоростью пар входит в каналы рабочих лопаток, укрепленных в роторе 3, и, воздействуя на эти лопатки, отдает им приобретенную кинетическую энергию. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до значения выходной скорости. Таким образом, здесь также осуществляется активный принцип. Вследствие суживающейся формы каналов рабочих лопаток пар в них дополнительно расширяется до давления р₂, что вызывает появление реактивной силы, действующей на каждую лопатку (направление движения лопаток показано стрелкой).

На рис. 3 показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины. Попадая из направляющего канала 1 в рабочий канал 2, струя изменяет направление течения, вследствие чего развиваются центробежные силы частиц пара. Суммарное усилие, испытываемое рабочей лопаткой от активного действия струи, выразится силой р_акт. Так как в рабочем канале пар расширяется, возникает реактивная сила Р_реакт, направление которой зависит от формы лопатки. Сложив силы Р_акт и Р_реакт, получим равнодействующую силу Р, вращающую рабочую лопатку. Кроме того, разность давлений р₁ и р₂ у входа в ра-бочий лопаточный канал и у выхода из него вызывает появление до-полнительной неуравновешенной силы Р_а, действующей на лопатку вдоль оси ротора. Силы Р и Р_а дают результирующую силу Р_рез. Одноступенчатые реактивные паровые турбины на практике не применяют.

Рис. 2. Схема преобразования давления и скорости пара в реактивной ступени

Рис. 3. Силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины

Схема работы пара в многоступенчатой реактивной турбине дана на рис. 4. Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопатки 3, и ротора 2, на котором размещены подвижные рабочие лопатки 1. Пар давлением р₀ подводится к кольцевому каналу 5 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до давления р₁ и увеличивает свою скорость до значения с₁. Проходя далее по первому ряду рабочих лопаток, пар продолжает расширяться. Абсолютная скорость пара на рабочих лопатках уменьшается до значения с₂ вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляющие лопатки второй ступени пар входит, имея абсолютную скорость с₂. Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою скорость от с₂ до с₁ с которой поступает на второй ряд рабочих лопаток, и т. д., пока пар не пройдет все облопачивание и не будет использован весь располагаемый для работы турбины перепад энтальпий.

Вследствие разности давлений пара при входе на рабочие лопатки и при выходе с них и динамического усилия потока в турбине создается осевое усилие, стремящееся сдвинуть ротор в сторону движения пара. Для разгрузки этого усилия в передней части ротора установлен думмис (разгрузочный поршень) 6. Сущность действия думмиса заключается в том, что пространство перед ним сообщается при помощи трубы 7 с полостью отработавшего пара и таким образом создается разность давлений, действующая в сторону, противоположную направлению движения пара.

Реактивные турбины большой мощности с целью уменьшения длины лопаток их последних ступеней часто делают двухпоточными. В этом случае турбина будет уравновешенной в осевом направлении и необходимость в думмисе отпадает.

На рис. 5, а показана турбина с расходящимся, а на рис. 5, б -- со встречным течением пара.

Из-за разности давлений на лопатках в турбине реактивного типа наблюдается протечка пара через радиальные зазоры у концов направляющих рабочих лопаток. В чисто активной турбине протечки возможны только через зазоры диафрагмы, так как здесь давление пара по обе стороны рабочих лопаток одинаково. Для уменьшения протечек пара у реактивной турбины зазоры между рабочими лопатками и корпусом, а также между направляющими лопатками и ротором делают как можно меньше.

Рис. 4. Многоступенчатая реактивная турбина

лопатки незначительной высоты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки пара через зазоры.

В случае же применения пара низкого давления в реактивной турбине относительные значения радиальных зазоров получаются небольшими. При этом и потери на протечки незначительны, и к. п. д. немного выше, чем у активной турбины.

Таким образом, при умеренных параметрах пара активная и реактивная турбины мало отличаются одна от другой по экономичности (а также по массе и размерам). Однако реактивную турбину, имеющую массивный барабанный ротор, требуется длительно прогревать перед пуском, и ей необходимо продолжительное время на смену режима при маневрировании.

При активном облопачивании уменьшается число ступеней и допускаются более высокие окружные скорости. Турбина с дисковым ротором небольшой длины более приспособлена к работе при высоких параметрах, чем реактивная. Ротор активной турбины сравнительно быстро прогревается при соприкосновении с паром, имея в процессе прогревания примерно одинаковую с корпусом турбины температуру; при этом уменьшаются деформации деталей турбины и сохраняются почти постоянными радиальные и осевые зазоры в проточной части. Поэтому в настоящее время отечественные турбостроительные заводы и зарубежные фирмы строят активные паровые судовые турбины.

Рис. 5. Двухпроточные реактивные турбины

Сопловой аппарат предназначен для превращения потенциальной энергии пара в кинетическую и для направления парового потока на рабочие лопатки. Он состоит из спрофилированных сопловых (направляющих) лопаток, которые могут располагаться по всей окружности диска или в части ее. В первом случае обеспечивается полный впуск пара (на все рабочие лопатки), во втором -- парциальный впуск пара (на определенную часть рабочих лопаток).

Сопловые лопатки первой ступени турбины крепятся непосредственно в корпусе или в сопловой коробке, а промежуточных ступеней -- в диафрагмах.

Впуск свежего пара в ТВД обеспечивается сопловым аппаратом (рис. 2). В носовой части корпуса ТВД вварены сопловые коробки 2 и 5, в которых расположены четыре группы сопл, обеспечивающих парциальный впуск пара. Каждая группа сопл образует сопловой сегмент, который вваривается в сопловую коробку.

В верхней сопловой коробке размещены три регулируемые группы сопл 3, каждая из которых имеет свой сопловой клапан / и поэтому называется регулируемой группой. В нижней коробке закреплена нерегулируемая группа сопл 4, не имеющая соплового клапана.

Пар поступает на турбину по двум паропроводам: к нерегулируемой группе сопл через патрубок 5 и на сопловую коробку к регулируемым группам сопл, которые могут вводиться в работу не одновременно, а по мере необходимости. Благодаря такой конструкции соплового аппарата различной комбинацией полностью открытых сопловых клапанов можно получать промежуточные мощности турбины, требующиеся для заданного хода судна.

Сопловой аппарат ТНД состоит из сопл, набранных в расточке кормовой части корпуса и застопоренных винтами. Сопловой аппарат ТЗХ представляет собой диск с просверленными в нем сопловыми каналами. Диск состоит из двух половин и крепится в пазах корпуса ТЗХ болтами.

Рис. 2. Сопловой аппарат ТВД

Сопловая коробка. Сопла первых ступеней переднего и заднего хода современных турбин обычно устанавливают и закрепляют (болтами или шпильками) во вставных сопловых коробках, которые отливают из обыкновенной углеродистой стали, если турбина будет работать на паре нормальных параметров, и из хромоникелевой или молибденовой стали, если ей предстоит работать на паре высоких параметров. Толщина стенок коробки обычно равна 20--25 мм.

Верхняя сопловая коробка (рис. 3) имеет три группы сопл со своими сопловыми клапанами. Пропускная способность сопл составляет 10, 20 и 30% расхода пара при нормальной мощности. Нижняя сопловая коробка имеет одну группу сопл с пропускной способностью 50% расхода пара.

Действительный процесс расширения пара в соплах. Потери в соплах. Пар, расширяясь в соплах, преодолевает ряд сопротивлений, на что затрачивается часть, кинетической энергии, приобретенной им. (Потери в соплах будут рассмотрены совместно с потерями на рабочих лопатках.) Поэтому действительная скорость с₁ выхода пара из сопла меньше теоретической с_1t Это уменьшение скорости можно учесть с помощью скоростного коэффициента сопла ф, который представляет собой отношение действительной скорости за соплом к теоретической (? = с₁/c₁_t):

Кинетическая энергия пара, затраченная на преодоление вредных сопротивлений, преобразуется в тепловую, вследствие чего энтальпия пара массой 1 кг в выходном сечении сопла при том же давлении будп немного больше той, которую он имел бы при изоэнтропийном расширении (i₁ > i_lt). Повышение энтальпии (i₁ -- i_lt) эквивалентно потере кинетической энергии в соплах, выраженной в тепловых единицах, и носит название потери q_c в соплах.

Если значение скоростного коэффициента ? для данного сопла известно, то легко найти потерю в соплах:

где c 2 ₁_t/2-- кинетическая энергия при адиабатном процессе расширения;

c 2 ₁/2-- кинетическая энергия при действительном процессе расширения

где ? -- коэффициент потерь энергии в соплах.

Потери при расширении пара в соплах (потери в сопловых решетках) у современных турбин невелики, ? = 0,93 -:- 0,98 и соответственно

Потери в суживающихся соплах обычно меньше, чем в расширяющихся, поэтому в паровых турбинах обычно устанавливают суживающиеся сопла, у которых скорости истечения пара меньше критической.

Потери в соплах, а следовательно, коэффициент скорости ф зависят от качества поверхности сопл, поэтому поверхность сопл полируют, а при ремонтах очищают от отложений.

Процесс действительного расширения пара или газа в соплах изобразится в is-диаграмме не адиабатой (изоэнтропой) А₀А₁_t а некоторой политропой А₀А₁ (рис. 4).

Рис. 4. Действительный процесс расширения пара в соплах на is-диаграмме

Точку А₁, характеризующую состояние пара при выходе из сопл, находят следующим образом. По изоэнтропе от точки А_1t вверх откладывают потерю в соплах q_c = i₁ -- i_lt. Получив точку В₁ проводят через нее горизонталь до пересече-ния с изобарой конечного давления р₁ и находят точку А₁. Обычно кривую процесса -- политропу А₀А₁ приближенно вычерчивают как прямую, соединяя точки А₀ и A₁

Схема работы пара в многоступенчатой реактивной турбине дана на рис. 6. Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопатки 3, и ротора 2, на котором размещены подвижные рабочие лопатки 1. Пар давлением р₀ подводится к кольцевому каналу 5 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до давления р₁ и увеличивает свою скорость до значения с₁. Проходя далее по первому ряду рабочих лопаток, пар продолжает расширяться. Абсолют-ная скорость пара на рабочих лопатках уменьшается до значения с₂ вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляющие лопатки второй ступени пар входит, имея абсолютную скорость с₂.

Рис. 6. Многоступенчатая реактивная турбина

Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою скорость от с₂ до с₁ с которой поступает на второй ряд рабочих лопаток, и т. д., пока пар не пройдет все облопачивание и не будет использован весь располагаемый для работы турбины перепад энтальпий.

По сравнению с активными паровые реактивные турбины менее выгодны в случае применения пара высокого давления. Поскольку такой пар имеет малый удельный объем, это приводит к необходимости применять лопатки незначительной высоты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки пара через зазоры.

В многоступенчатой турбине со ступенями давления весь располагаемый перепад энтальпий -- от начального состояния пара до давления в выпускном патрубке турбины-- распределяется по всем ступеням. Число ступеней давления выбирается таким, чтобы на одну ступень приходился небольшой перепад энтальпий. При этом при умеренных окружных скоростях можно легко достигнуть наивыгоднейшего отношения скоростей u/c₁ и более высоких значений ?, обеспечивающих получение максимального окружного к. п. д. ?_umax. Невысокие (в пределах скорости звука) скорости пара при небольших диаметрах ротора обусловливают возможность увеличения высоты сопла и степени впуска пара (парциальности), что также способствует повышению к. п. д. турбины. Многоступенчатые турбины обладают еще рядом преимуществ, о которых сказано ниже.

Многоступенчатые судовые турбины в большинстве своем строятся с активными ступенями с небольшой степенью реактивности в области высокого давления (ТВД) и с реактивными ступенями или с активными ступенями с большой степенью реактивности в области низкого давления (ТНД). У современных активных ТЗА степень реактивности в ступенях ТВД колеблется от 3--12% в первых (регулировочных) ступенях до 15--30% в последних. Степень реактивности в первых ступенях ТНД обычно равна 5--10%, а в последних увеличивается до 30--60%.

Рис. 7. Реактивная турбина с шестью ступенями давления и диаграмма изменения скоростей и давлений по длине проточной части.

1. А.Г. Верете, Судовые паро-энергетические установки и газовые турбины, М., Транспорт, 1982

2. А.М. Манькова, Судовые паро-энергетические установки, М., Транспорт, 1989

Паровая турбина относится к двигателям, в которых тепловая энергия подведенного пара вначале превращается в кинетическую и только после этого используется для работы. Паротурбинные двигатели на судах применяются с 1895 г. Практически турбинный двигатель впервые был установлен на боевых кораблях в первом десятилетии XX в., а уже позднее стал использоваться на больших пассажирских судах. В 50-е гг. началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными установками за применение на больших судах для перевозки массовых грузов и на танкерах. Сначала на судах дедвейтом 30—40 тыс. т и больше преобладали паротурбинные установки, однако быстрое развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что в настоящее время ряд судов дедвейтом более 100 тыс. т оснащается дизельными установками. Только на очень больших судах дедвейтом более 200 тыс. т устанавливают паротурбинные двигатели. Паротурбинные установки сохранились также на крупных боевых кораблях военно-морского флота, а также на быстроходных и больших контейнерных судах, когда мощность главного двигателя составляет 29440 кВт и более. Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, в которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счет этого упрощается конструкция и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3000 до 8000 об/мин.

Каждая турбина включает в себя следующие основные конструктивные детали:

- неподвижные направляющие лопатки или сопла, в которых тепловая энергия пара за счет перепада давления и температуры преобразуется в кинетическую (энергия потока);

- направляющие лопатки как части ротора, при сквозном проходе, через которые кинетическая энергия пара производит работу.

Направляющие лопатки применяют в том случае, когда конечное давление расширения составляет более 55% давления пара на входе, в других случаях используют сопла. Скорость выхода пара из турбины достигает 500—600 м/с. Прохождение потока пара через сопло показано на рисунке. Стрелка символически показывает повышение скорости входа пара и одновременно рост кинетической энергии.

Прохождение пара в расширительном устройстве паровой турбины

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет свое направление и за счет этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины. Принцип действия ступени паровой турбины показан на рисунке ниже. Этот принцип может быть осуществлен за счет активного и реактивного действия пара.

Ступень активной паровой турбины:

1 — направляющие лопатки; 2 — рабочие лопатки; 3 — вал ротора

В активных турбинах тепловая энергия преобразуется в кинетическую непосредственно в неподвижных расширительных устройствах; по обеим сторонам венца рабочих лопаток действует одинаковое давление. В реактивной турбине только часть тепловой энергии в неподвижных расширительных установках преобразуется в кинетическую. В каналах между рабочими лопатками происходит дальнейшее падение давления и превращение оставшейся тепловой энергии в кинетическую, которая используется там одновременно для выполнения механической работы. По обеим сторонам ротора рабочих лопаток в реактивной турбине действуют различные давления, которые вызывают дополнительное осевое усилие, стремящееся вращать ротор в направлении основного потока пара. Ступень реактивной турбины изображена на следующей рисунке. Здесь показано осевое усилие, возникающее из-за перепада давления перед венцом рабочих лопаток и за ним.

Ступень реактивной паровой турбины

Современные паровые турбины главной энергетической установки состоят обычно из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом — низкого. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через .неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее. В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины главной энергетической установки на судах, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами главной энергетической установки в машинных отделениях судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Иногда их используют и на судах с дизельной энергетической установкой, например на танкерах, в качестве турбогенераторов или грузовых насосов с турбоприводом.

Судовая паровая турбина

1 — турбина высокого давления; 2 — турбина низкого давления; 3 — подшипник вала турбины; 4 — редуктор: 5 — подшипник вала с фундаментом; 6 — подшипник вала турбины; 7 — гребной винт; 8 — управляющий клапан переднего хода; 9 — управляющий клапан заднего хода

Параметры рабочего пара современных паровых турбин главной энергетической установки достигают 7,85 МПа при температуре перегрева от 510 до 520°С. Расход пара равен 2,72 кг/(кВт-ч), в то время как в поршневых паровых машинах в зависимости от типа и конструкции он составляет 5,4—8,2 кг/(кВт-ч). Мощность турбин главной энергетической установки в настоящее время достигает 36 800 кВт, удельный расход топлива — 272 г/(кВт-ч). Почти до 1920 г. частота вращения главных паровых турбин подгонялась к частоте вращения гребного вала, в связи с чем строили турбины с очень большим диаметром ротора. Для возможности увеличения частоты вращения турбин независимо от частоты вращения гребных винтов между турбинами и гребными валами стали устанавливать редукторные передачи.

Читайте также: