Реактивная и активная турбины. Схема реактивной паровой турбины. График изменения давления и абсолютной скорости пара.
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, например, на газовозах. 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 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 рис. 1. Стрелка символически показывает повышение скорости входа пара и одновременно рост кинетической энергии.
Рис. 1 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 активной ступени паровой турбины показан на рис. 2. Этот принцип может быть осуществлен за счет активного и реактивного действия пара.
Рис.2 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 рис. 3. Здесь показано осевое усилие, возникающее из-за перепада давления перед венцом рабочих лопаток и за ним.
Рис.3 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.
По числу корпусов (цилиндров) турбины подразделяют на однокорпусные и двух-трёх- редко четырёх-пятикорпусные. Многоцилиндровая турбина позволяет использовать большие располага- емые тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней давления, применить высококачественные материалы в частях высокого давления и раздвоение потока пара в частях среднего и низкого давления. Такая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. Поэтому многокорпусные турбины используются в мощных паротурбинных установках.
По числу валов различают одновальные, у которых валы всех корпусов находятся на одной оси, и двух-, редко трёхвальные, состоящие из двух или трёх параллельно размещенных одновальных паровых, связанных общностью теплового процесса, а у судовых паровых турбин – также общей зубчатой передачей (редуктором).
Неподвижную часть – корпус (статор) – выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности выемки или монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм, разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса турбины. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы (решётки), образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему.
В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек пара наружу (со стороны высокого давления) и засасывания воздуха в корпус (со стороны низкого). Уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел.
На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий турбину при увеличении частоты вращения на 10-12% сверх номинальной.
В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на 3 основные группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения.
Конденсационные паровые турбины
Рис. 4 Схема работы паротурбинной установки с конденсационной турбиной:
1 – котельный агрегат; 2 – паропровод свежего пара 3 – паровая турбина; 4 – вал;
5 – электрический генератор; 6 – конденсатор; 7 – циркуляционная вода;
8 – конденсатный трубопровод; 9 – питательный насос
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 электри- ческими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций – электроэнергия.
Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Для соединения быстроходных турбин с гребными винтами, требующими небольшой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.
Схема работы установки с конденсационной турбиной: 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, 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
Рис.5 Схема работы паротурбинной установки с теплофикационной турбиной:
1 – котельный агрегат; 2 – паропровод свежего пара; 3 – паровая турбина; 4 – вал; 5 – электрический генератор; 6 – подогреватель; 7 – сетевая вода; 8 – конденсатный трубопровод; 9 – питательный насос.
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 (рис.5): 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 обычно работают на отбросном тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий и не нашли применения на флоте, поэтому в учебнике не рассматриваются.
Основными характеристиками паровых турбин являются:
– номинальная мощность турбины – наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах электрогенератора, при нормальных величинах основных параметров или при изменении их в пределах, оговоренных отраслевыми и государственными стандартами. Турбина с регулируемым отбором пара может развивать мощность выше номинальной, если это соответствует условиям прочности её деталей;
– экономическая мощность турбины – мощность, при которой турбина работает с наибольшей экономичностью. В зависимости от параметров свежего пара и назначения турбины номинальная мощность может быть равна экономической или более её на 10-25%;
– номинальная температура регенеративного подогрева питательной воды – температура питательной воды за последним по ходу воды подогревателем;
– номинальная температура охлаждающей воды – температура охлаждающей воды при входе в конденсатор.
Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода ротативных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она более быстроходна, компактна, лёгкая, более экономична и уравновешена, чем поршневые двигатели. Развитие паровых турбин шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных турбин различного назначения.
Основными элементами главной ПТУ являются: паровой котел (парогенератор), главная паровая турбина, главный конденсатор, главная зубчатая передача. Совокупность перечисленных элементов (без парового котла) представляет собой главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА).
Рис.6 Главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА):
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
Кроме ГТЗА в ПТУ входят: вспомогательная паровая турбина с конденсатором, приводящая в действие электрогенератор (турбогенератор) судовой электростанции. На судах с электродвижением турбогенератор является главным. Отработанный во вспомогательном турбогенераторе пар может сбрасываться в свой (вспомогательный) или в главный конденсатор.
В ступени реактивной турбины (рис. 7) 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. 8 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 ракт. Так как в рабочем канале пар расширяется, возникает реактивная сила Рреакт, направление которой зависит от формы лопатки. Сложив силы Ракт и Рреакт, 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 Ра, действующей на лопатку вдоль оси ротора. Силы Р и Ра дают результирующую силу Ррез. Одноступенчатые реактивные паровые турбины на практике не применяют.
Рис. 7. Схема преобразования давления и скорости пара в реактивной ступени
Рис. 8. Силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины