Турбины принцип действия: 403 — Доступ запрещён – 403 — Доступ запрещён

устройство, принцип действия, основные элементы

Конструкция данного агрегата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Об устройстве паровой турбины рассказывается в книгах следующим образом. Данный вид турбины — это вид двигателя, в котором пар или же нагретый воздух способен вращать вал двигателя без взаимодействия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

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.

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.

Устройство паровой турбины и принцип работы

Здесь важно сказать о том, что паровая турбина использует два различных принципа работы, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют активными турбинами. В этом случае, имеются в виду устройства, у которых расширения пара осуществляется только в неподвижных соплах, а также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и принцип работы второго типа называют реактивным. К таким агрегатам относят те, у которых расширение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между таковыми. Еще такие устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет примерно половину от общего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее основных элементов, то нужно обратить внимание на следующее. Внутри турбины происходит такой процесс: струя жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, которое будет зависеть от таких параметров, как расход, скорость при входе, а также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струи по отношению к данной поверхности. Здесь важно отметить, что при такой работе вовсе не нужно делать так, чтобы поток воды бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято избегать, и чаще всего делают так, чтобы струя плавно обтекала лопатку.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант — удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант — поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным. Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности.

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей — лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

Механическое устройство турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики выглядят так.

Агрегат состоит из трех цилиндров, каждый из которых представляет собой статор, имеющий неподвижный корпус, а также вращающийся ротор. Отдельно расположенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из отдельных роторов цилиндров, а также из генератора и возбудителя, называется валопроводом. Длина данного устройства при максимальном значении составляющих компонентов (в настоящее время — это не больше 5 генераторов) — 80 метров.

Далее, устройство и работа паровой турбины выглядят так. Валопровод выполняет вращательное движение в таких элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, металлической же части этих вкладышей вал во время вращения не касается. На сегодняшний день все роторы конструкции размещаются на двух опорных подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, имеется лишь один общий опорный подшипник. Весь пар, который расширяется в турбине, заставляет каждый из роторов выполнять вращательное движение. Вся мощность, которая вырабатывается каждым из роторов, складывается на полумуфте в общее значение и там достигает своего максимального показателя.

Кроме того, каждый элемент находится под воздействием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, то есть общая осевая нагрузка, передается с гребня на упорные сегменты. Эти детали устанавливаются в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на сегодняшний день они могут достигать 300 МПа, так что корпус данных устройств выполняется двустенным. Это помогает уменьшить разность давления на каждый из них, что позволяет уменьшать толщину каждой из них. Кроме того, это помогает упростить процесс затяжки фланцевых соединений, а также дает возможность турбине при необходимости быстро изменить показатель своей мощности.

Обязательным является наличие горизонтального разъема, который предназначен для легкого процесса монтажа внутрь корпуса, а также должен обеспечивать быстрый доступ к уже установленному ротору, во время проведения ревизии или ремонта. Когда осуществляется непосредственный монтаж турбины, то все плоскости разъемов нижних корпусов монтируются специальным образом. Чтобы упростить данную операцию, принято считать, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в дальнейшем наступает момент монтажа валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это необходимо для того, чтобы избежать ударения ротора о статор во время вращения. Такой дефект может привести к довольно серьезной аварии на объекте. Из-за того, что пар внутри турбины характеризуется очень высокой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не более чем 100 градусов по Цельсию. Это значение подходит как по требованиям пожаробезопасности, так и соответствует наличию определенных смазочных свойств у материала. Для того чтобы добиться таких показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специальных точках — опорах.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. Коэффициент полезного действия у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке — это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды — вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл. Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

• Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
• При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
• В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
• Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
• Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Активная турбина — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Схема активной турбины Схема активной (слева) и реактивной (справа) турбин, где ротор (красный) — вращающаяся часть, а статор (зелёный) — неподвижная. В активной (импульсной) турбине расширение рабочего тела (пара) происходит в соплах, а в реактивной в каналах, образованных лопатками турбины.

Акти́вная турби́на (англ. action turbine) — турбина, в которой потенциальная энергия рабочего тела (газа, пара, жидкости) преобразуется в кинетическую (то есть давление рабочего тела уменьшается, а скорость растёт) в неподвижных каналах (соплах), а превращение кинетической энергии в механическую работу происходит на рабочих лопатках. Данную конструкцию также называют

импульсной турбиной или турбиной равного давления, поскольку давление рабочего тела внутри самой турбины не изменяется. Альтернативная конструкция, в которой давление рабочего тела падает во время прохождения через турбину, называется реактивной турбиной.^[1]

К преимуществам активных турбин обычно относят:

• бо́льшую свободу расположения подводящих каналов по отношению к турбине в связи с более равномерным распределением давления в камере;
• меньшие требования к величине зазоров между турбиной и корпусом, облегчающие изготовления и требования к подшипникам, так как утечка через зазоры в условиях малой разности давления незначительна;
• малую продольную нагрузку на вал;
• меньшую по сравнению с реактивными турбинами скорость вращения, облегчающую сопряжение с машинами.

Сечение активной паровой турбины с соплом Лаваля Т и лопатками. Стрелка обозначает направление вращения. Линия тока изображена штрих-пунктиром

Лопатки активной турбины обычно имеют ковшеобразную форму (см. диаграмму слева).

При написании этой статьи использовался материал из издания «Казахстан. Национальная энциклопедия» (1998—2007), предоставленного редакцией «Қазақ энциклопедиясы» по лицензии Creative Commons BY-SA 3.0 Unported.

Конструкция паровых турбин — Уралэнергомаш

Общие представления об устройстве паровых турбин

Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

Паровая турбина представляет собою роторный лопаточный двигатель, в котором энергия давления поступающего из котла пара сначала преобразуется в кинетическую энергию пара, вытекающего с большой скоростью из сопел, а затем, на лопатках ротора,- в механическую энергию вращения вала. Сопла это направляющие аппараты, предназначенные для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Схема простейшей паровой турбины представлена на рис. 1.

Основной частью турбины является ротор, состоящий из вала 1 с насаженным на нем рабочим колесом 2, на котором укреплены рабочие лопатки 3 изогнутой формы. Перед диском с рабочими лопатками имеется сопло 4, из которого пар поступает на рабочие лопатки турбины.

1 – вал; 2 – рабочее колесо; 3 – рабочая лопатка; 4 – сопло
Рисунок 3.1– Принцип действия турбины

Сопло и рабочее колесо составляют одну ступень. На рисунке 1.1, таким образом, представлена принципиальная схема одноступенчатой турбины.

Полученный в парогенераторе перегретый пар при температуре 600 С и давлении 30 МПа по паропроводам передаётся в сопла.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость

и начальное давление (см. рис. 2), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения и уменьшение давления до значения . Скорость входа пара на рабочую лопатку называют абсолютной скоростью. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется. Абсолютная скорость движения пара уменьшается с до вследствие вращения турбины со скоростью V. V – это окружная или переносная скорость.

Рис.2 – Схема активной турбины

Конструктивно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток.

Реактивными турбинами называют такие турбины, у которых расширение пара происходит не только в соплах перед поступлением пара на рабочие лопатки, но и на лопатках самого рабочего колеса. Это достигается тем, что канал, образованный рабочими лопатками выполняется суживающимся.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины показано на рис. 3. В соплах турбины происходит частичное расширение пара до промежуточного давления

.

Дальнейшее расширение пара до давления происходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения , а в началах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до значения .

Рис.3 – Схема работы реактивной турбины

В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем водной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные ступени.

Устройство паровой турбины

Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется

валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Рис.4 Устройство паровой турбины

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте

12 максимального значения.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа » 300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях —

опорах Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите. В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

При работе турбины пар из котла по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. 4 не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. 4 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис. 4) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

Уплотнение представлено на рис. 5.

Рис.5. Лабиринтное уплотнение для валов турбин

В обойме 7, имеющей такую же конструкцию, как и обойма диафрагм выполнена кольцевая расточка 1, в которую вставляются сегменты уплотнений 3 (по три сегмента в каждую половину обоймы). Сегменты имеют тонкие (до 0,3 мм) кольцевые гребни, устанавливаемые по отношению к валу с очень малым зазором (0,5—0,6 мм). Совокупность кольцевых щелей между гребнями 4 и кольцевыми выступами 6 и кольцевых камер между ними называется лабиринтовым уплотнением. Высокое гидравлическое сопротивление, которым оно обладает, обеспечивает малую утечку пара помимо проточной части турбины.

Типичная рабочая лопатка (рис. 6) состоит из трех основных элементов: профильной части 1; хвостовика 2, служащего для крепления лопатки на диске; шипа 6 прямоугольной, круглой или овальной формы, выполняемого на торце профильной части лопатки за одно целое.

Рис.6.Рабочая лопатка ЦВД и ЦСД

Лопатки изготавливаются из нержавеющей стали, содержащей 13 % хрома, методом штамповки и последующего фрезерования и набираются на диске через два специальных колодца, в которые затем устанавливаются замковые лопатки с хвостовиками специальной формы.

Отдельно прокатывают бандажную ленту 7, в которой пробивают отверстия, соответствующие форме шипов и расстоянию между ними. Лента нарезается на куски со строго рассчитанным числом объединяемых лопаток. Бандажная лента надевается на шипы, которые затем расклепываются. Ряд соседних лопаток (обычно от 5 до 14), объединенных бандажной лентой (бандажом), называется пакетом рабочих лопаток. Главная цель пакетирования — обеспечить вибрационную надежность рабочих лопаток (не допустить их поломки от усталости вследствие колебаний). После расклепки шипов на бандажах рабочих лопаток ротор устанавливают на токарный станок и окончательно протачивают гребни уплотнений.

На рис. 6 показана лишь одна из типичных конструкций, которые отличаются большим разнообразием как типов хвостовиков, так и бандажей. В современных конструкциях бандажи фрезеруют заодно с профильной частью (с шириной бандажа, равной шагу лопаток), иногда соединяют рабочие лопатки в пакете сваркой.

Рис.7 Ротор двухпоточного ЦНД мощной турбины

На рис. 7 показан двухпоточный ротор ЦНД в процессе обработки на токарном станке. Первые две ступени имеют ленточ­ные бандажи, а последние ступени — две проволочные связи.

Главным элементом проточной части турбины, определяющим весь ее облик, является рабочая лопатка последней ступени. Чем большую длину она имеет и чем на большем диаметре она установлена (иными словами, чем больше площадь для прохода пара последней ступени), тем более экономичнее турбина. Поэтому история совершенствования турбин — это история создания последних ступеней. В начале 50-х годов ЛМЗ была разработана рабочая лопатка длиной 960 мм для последней ступени со средним диаметром 2,4 м, и на ее базе созданы турбины мощностью 300, 500 и 800 МВт. В конце 70-х была создана новая рабочая лопатка длиной 1200 мм для ступени со средним диаметром 3 м. Это позволило создать новую паровую турбину для ТЭС мощностью 1200 МВт и для АЭС мощностью 1000 МВт.

Рис.8 Опора валопровода

На рис. 8 показана одна из опор валопровода. Основанием 12 нижняя половина корпуса 2 устанавливается на фундаментную раму (на рисунке не показана). В расточку корпуса на колодках 1, 4 и 10 помещается нижняя половина вкладыша 3. Внутренняя поверхность 8 обеих половин вкладыша выполнена цилиндрической или овальной и залита баббитом, — легкоплавким антифрикционным сплавом на основе олова, допускающего вращение ротора на очень низкой частоте вращения даже при отсутствии смазки. Прямо на поверхность вкладыша 8 и на аналогичную поверхность соседнего вкладыша при монтаже турбины укладывается ротор. Сверху его накрывают верхней половиной вкладыша и притягивают к нижней половине шпильками, ввинчиваемыми в отверстия 9. Затем устанавливается крышка корпуса подшипника.

Масло для смазки шеек валов подается насосами из масляного бака, установленного на нижней отметке конденсационного помещения. Размер масляного бака зависит от мощности турбины: чем больше мощность, тем больше цилиндров и, следовательно, роторов и их опор, требующих смазки. Кроме того, с ростом мощности растет диаметр шеек, и эти два обстоятельства требуют большого расхода масла и соответственно масляного бака большой емкости, достигающей 50—60 м3. Для смазки подшипников используется либо специальное (турбинное) минеральное масло, либо синтетические негорючие масла. Последние намного дороже, но зато пожаробезопаснее.

От насосов по трубопроводам масло, пройдя через маслоохладители, поступает к емкостям, располагаемым в крышках подшипника, а из них — к отверстиям 6 и к выборке 7, раздающей масло на всю ширину шейки вала. Масло за счет гидродинамических сил «загоняется» под шейку вала, и таким образом вал «плавает» на масляной пленке, не касаясь баббитовой заливки. Масло, пройдя под шейкой вала, выходит через торцевые зазоры вкладыша и стекает на дно корпуса подшипника, откуда самотеком направляется обратно в масляный бак. Вкладыш опоры показан на рис. 9.

Рис.9 Опорный вкладыш опоры валопровода

Типы паровых турбин и области их использования

Для понимания места и роли паровых турбин рассмотрим их общую классификацию. Из большого разнообразия используемых паровых турбин, прежде всего можно выделить турбины транспортные и стационарные.

Транспортные паровые турбины чаще всего используются для привода гребных винтов крупных судов.

Стационарные паровые турбины — это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение. В настоящей книге рассматриваются только стационарные паровые турбины.

В свою очередь стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.

1. По назначению различают турбины энергетические, промышленные и вспомогательные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска тепла крупным потребителям, например жилым районам, городам и т.д. Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются, прежде всего, большой мощностью, а их режим работы — постоянной частотой вращения, определяемой постоянством частоты сети.

Основным производителем энергетических паровых турбин в России является Ленинградский металлический завод (Санкт-Петербург). Он выпускает мощные паровые турбины для ТЭС (мощностью 1200, 800, 500, 300 и 200 МВт), ТЭЦ (мощностью 180, 80 и 50 МВт и менее), АЭС (мощностью 1000 МВт).

Другим крупным производителем энергетических паровых турбин является Турбомоторный завод (ТМЗ, г. Екатеринбург). Он выпускает только теплофикационные турбины (мощностью 250, 185, 140, 100 и 50 МВт и менее).

На ТЭС России установлено достаточно много мощных паровых тур­бин Харьковского турбинного завода (ХТЗ, Украина) (мощностью 150, 300 и 500 МВт). Им же произведены все паровые турбины, установленные на АЭС России мощностью 220, 500 и 1000 МВт.

Таким образом, в настоящее время в России функционирует всего два производителя мощных паровых турбин. Если говорить о зарубежных производителях турбин, то их число также является небольшим. Большинство из них являются транснациональными объединениями. В Европе главными производителями паровых турбин являются компании Siemens (Германия), Acea Brown Bovery (ABB, германско-швейцарское объединение), GEC-Alsthom (англо-французское объединение), Scoda (Чехия). В США производителями мощных энергетических турбин являются компании General Electric и Westinghouse, в Японии — Hitachi, Toshiba, Mitsubisi. Все перечисленные производители выпускают паровые турбины вплоть до мощности 1000 МВт и выше. Технический уровень некоторых из них не только не уступает нашим производителям, но и превосходит их.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например, металлургического, текстильного, химического, сахароваренного и др. Часто генераторы таких турбин работают на маломощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических. Основным производителем промышленных турбин в России является Калужский турбинный завод (КТЗ).

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии — обычно для привода питательных насосов и воздуходувок котлов.

Питательные насосы энергоблоков мощностью вплоть до 200 МВт приводятся электродвигателями, а мощностью выше — с помощью паровых турбин, питаемых паром из отбора главной турбины. Например, на энергоблоках мощностью 800 и 1200 МВт установлено соответственно по два и три питательных турбонасоса мощностью 17 МВт каждый, на энергоблоках мощностью 250 (для ТЭЦ) и 300 МВт — один питательный турбонасос мощностью 12 МВт; на энергоблоках мощностью 1000 МВт для АЭС используется два питательных насоса мощностью 12 МВт.

Котлы энергоблоков мощностью 800 и 1200 МВт оборудованы соответственно двумя и тремя воздуходувками, привод которых осуществляется также паровыми турбинами мощностью по 6 МВт каждая. Основным производителем вспомогательных паровых турбин в России является КТЗ.

2. По виду энергии, получаемой от паровой турбины, их делят на конденсационные и теплофикационные.

В конденсационных турбинах (типа К) пар из последней ступени отводится в конденсатор, они не имеют регулируемых отборов пара, хотя, как правило, имеют много нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, а иногда и для внешних тепловых потребителей. Главное назначение конденсационных турбин — обеспечивать производство электроэнергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000—1500 МВт.

Теплофикационные турбины имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Они предназначены для выработки тепловой и электрической энергии, и мощность самой крупной из них составляет 250 МВт. Теплофикационная турбина может выполняться с конденсацией пара и без нее. В первом случае она может иметь отопительные отборы пара (турбины типа Т) для нагрева сетевой воды для обогрева зданий, предприятий и т.д., или производственный отбор пара (турбины типа П) для технологических нужд промышленных предприятий, или тот и другой отборы (турбины типа ПТ и ПР). Во втором случае турбина носит название турбины с противодавлением (турбины типа Р). В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а обычно производственному потребителю. Таким образом, главным назначением турбины с противодавлением является производство пара заданного давления (в пределах 0,3—3 МПа). Турбина с противодавлением может также иметь и регулируемый теплофикационный или промышленный отбор пара, и тогда она относится к типу ТР или ПР.

Теплофикационные турбины с отопительным отбором пара (типа Т) спроектированы так, чтобы при максимальной теплофикационной нагрузке ступени, расположенные за зоной отбора, мощности не вырабатывали. В последние годы ряд турбин проектируются так, что даже при максимальной нагрузке последние ступени вырабатывают мощность. Такие турбины относятся к типу ТК.

3. По используемым начальным параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины докритического и сверхкритического начального давления, перегретого и насыщенного пара, без промежуточного перегрева и с промежуточным перегревом пара.

Как уже известно критическое давление для пара составляет примерно 22 МПа, поэтому все турбины, начальное давление пара перед которыми меньше этого значения, относятся к паровым турбинам докритического начального давления. В России стандартное докритическое давление для паровых турбин выбрано равным 130 ат (12,8 МПа), кроме того, имеется определенный процент турбин на начальное давление 90 ат (8,8 МПа). На докритические параметры выполняются все паровые турбины для АЭС и ТЭЦ (кроме теплофикационной турбины мощностью 250 МВт), а также турбины мощностью менее 300 МВт для ТЭС. Докритическое начальное давление зарубежных паровых турбин обычно составляет 16—17 МПа, а максимальная единичная мощность достигает 600—700 МВт.

Все мощные конденсационные энергоблоки (300, 500, 800, 1200 МВт), а также теплофикационный энергоблок мощностью 250 МВт выполняют на сверхкритические параметры пара (СКД) — 240 ат (23,5 МПа) и 540 °С. Переход от докритических параметров пара к СКД позволяет экономить 3—4 % топлива.

Все турбины ТЭС и ТЭЦ работают перегретым паром, а АЭС — насыщенным (с небольшой степенью влажности).

Все мощные конденсационные турбины на докритические и сверхкритические параметры пара выполняют с промежуточным перегревом. Из теплофикационных турбин только турбина ЛМЗ на докритические параметры мощностью 180 МВт и турбина ТМЗ на СКД мощностью 250 МВт имеют промежуточный перегрев. Устаревшие конденсационные турбины мощностью 100 МВт и менее и многочисленные теплофикационные паровые турбины вплоть до мощности 185 МВт строятся без промперегрева.

4. По зоне использования турбин в графике электрической нагрузки паровые турбины можно разделить на базовые и полупиковые. Базовые турбины работают постоянно при номинальной нагрузке или близкой к ней. Они проектируются так, чтобы и турбина, и турбоустановка имели максимально возможную экономичность. К этому типу турбин следует, безусловно, отнести атомные и теплофикационные турбины. Полупиковыетурбины создаются для работы с периодическими остановками на конец недели (с ночи пятницы до утра в понедельник) и ежесуточно (на ночь). Полупиковые турбины (и турбоустановки) с учетом их малого числа часов работы в году выполняют более простыми и соответственно более дешевыми (на сниженные параметры пара, с меньшим числом цилиндров). Электроэнергетика России в силу ряда причин всегда страдала от недостатка в энергосистеме полупиковых мощностей. Примерно 25 лет назад ЛМЗ спроектировал полупиковую конденсационную турбину мощностью 500 МВт на параметры 12,8 МПа, 510 °С/510 °С. Головной образец этой турбины предполагалось установить на Лукомльской ГРЭС (б. Белоруссия). Однако до сих пор ни одной специальной полупиковой турбины в России не работает. Вместе с тем в Японии и США работают десятки полупиковых турбин упрощенной конструкции.
5. По конструктивным особенностям паровые турбины можно классифицировать по числу цилиндров, частоте вращения и числу валопроводов.

По числу цилиндров различают турбины одно- и многоцилиндровые. Количество цилиндров определяется объемным пропуском пара в конце процесса расширения. Чем меньше плотность пара, т.е. меньше его конечное давление, и чем больше мощность турбины, т.е. больше массовый расход, тем больше объемный пропуск и соответственно требуемая площадь для прохода пара через рабочие лопатки последней ступени. Однако если рабочие лопатки делать длиннее, а радиус их вращения больше, то центробежные силы, отрывающие профильную часть лопатки, могут возрасти настолько, что лопатка оторвется. Поэтому с увеличением мощности сначала переходят на двухпоточный ЦНД, а затем увеличивают их число. Конденсационные турбины можно выполнить одноцилиндровыми вплоть до мощности 50—60 МВт, двухцилиндровыми — до 100—150 МВт, трехцилиндровыми — до 300 МВт, четырехцилиндровыми — до 500 МВт, пятицилиндровыми — вплоть до 1300 МВт.

По частоте вращения турбины делятся на быстроходные и тихоходные. Быстроходные турбины имеют частоту вращения 3000 об/мин = 50 об/с. Они приводят электрогенератор, ротор которого имеет два магнитных полюса, и поэтому частота вырабатываемого им тока равна 50 Гц. На эту частоту строят большинство паровых турбин для ТЭС, ТЭЦ и частично для АЭС в нашей стране и почти во всем мире. В Северной Америке и на части территории Японии быстроходные турбины строят на частоту вращения 3600 об/мин = 60 об/с, так как там принятая частота сети равна 60 Гц.

Ранее в говорилось о том, что поскольку из-за низких начальных параметров работоспособность пара в турбинах АЭС мала, а снижение капитальных затрат требует увеличения мощности, т.е. массы пропускаемого пара, то объемный расход на выходе из турбины оказывается столь значительным, что оказывается целесообразным переход на меньшую частоту вращения. Так как число магнитных полюсов в электрогенераторе должно быть целым и четным, то переход на использование четырехполюсного электрогенератора и получения той же частоты сети, что и при двухполюсном электрогенераторе, требует снижения частоты вдвое. Таким образом, тихоходные турбины в нашей стране имеют частоту вращения 1500 об/мин = 25 об/с.

Рис.10 Тихоходная турбина насыщенного пара мощностью 1160 МВт для американской АЭС

На рис. 10 показана тихоходная атомная турбина фирмы ABB мощностью 1160 МВт на частоту вращения 30 об/с. Гигантские размеры турбины хорошо видны в сравнении с фигурой человека, стоящего у средней опоры ее валопровода. Турбина не имеет ЦСД, и пар из ЦВД направляется в два горизонтальных сепаратора-пароперегревателя (СПП), а из них — раздается на три двухпоточных ЦНД. По такой же схеме на частоту вращения 25 об/с построены энергоблоки мощностью 1000 МВт на Балаковской и Ростовской АЭС.

Для АЭС, построенных для теплых климатических условий, т.е. для высокой температуры охлаждающей воды и соответственно высокого давления в конденсаторе), можно строить и быстроходные атомные турбины (рис. 11). Пар к ЦВД турбины поступает из реакторного отделения по четырем паропроводам 11. Пройдя ЦВД, пар поступает к СПП 10 вертикального типа, а после них с помощью ресивера 3 раздается на три одинаковых двухпоточных ЦНД 4. Под каждым ЦНД установлен свой конденсатор, также хорошо видный на макете.

По числу валопроводов различают турбины одновальные (имеющие один валопровод — соединенные муфтами роторы отдельных цилиндров и генератора) и двухвальные(имеющие два валопровода каждый со своим генератором и связанные только потоком пара). На российских тепловых электростанциях используют только одновальные турбины.В начале 70-х годов на Славянской ГРЭС на Украине построена единственная двухвальная турбина мощностью 800 МВт, да и то потому, что в то время не было электрогенератора мощностью 800 МВт.

Рис.11 Быстроходная атомная турбина мощностью 1093 МВт для испанской АЭС (“ Трилло”), построенная фирмой Siemens

Для обозначения типов турбин ГОСТ предусматривает специальную маркировку, состоящую из буквенной и числовой частей. Буквенная часть указывает тип турбины, следующее за ней число — номинальную мощность турбины в мегаваттах. Если необходимо указать и максимальную мощность турбины, то ее значение приводят через косую черту. Следующее число указывает номинальное давление пара перед турбиной в МПа: для теплофикационных турбин далее через косую черту указывают давление в отборах или противодавление в МПа. Наконец, последняя цифра, если она имеется, указывает номер модификации турбины, принятый на заводе-изготовителе.

Приведем несколько примеров обозначений турбин.

Турбина К-210-12,8-3 — типа К, номинальной мощностью 210 МВт с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см2), третьей модификации.

Трубина П-6-3,4/0,5 — типа П, номинальной мощностью 6 МВт, с на­чальным абсолютным давлением пара 3,4 МПа и абсолютным давлением отбираемого пара 0,5 МПа.

Турбина Т-110/120-12,8 — типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа.

Турбина ПТ-25/30-8,8/1 — типа ПТ, номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 8,8 МПа (90 ат) и абсолютным давлением отбираемого пара 1 МПа.

Турбина Р-100/105-12,8/1,45 — типа Р, номинальной мощностью 100 МВт максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа и абсолютным противодавлением 1,45 МПа.

Турбина ПР-12/15-8,8/1,45/0,7 — типа ПР, номинальной мощностью 12 МВт и максимальной мощностью 15 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа, давлением в отборе 1,45 МПа и противодавлением 0,7 МПа.

Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

Для того чтобы увидеть, насколько совершенной машиной является паровая турбина, достаточно рассмотреть технические требования, предъявляемые к ней. Они сформулированы в государственных стандартах (ГОСТ). Здесь мы остановимся только на наиболее важных из них.

Прежде всего, к турбине предъявляется ряд требований, которые мож­но охватить одним термином — надежность. Надежность технического объекта — это его свойство выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Применительно к паровой турбине надежность — это бесперебойная выработка мощности при предусмотренных затратах топлива и установленной системе эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов, а также недопущения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Важно подчеркнуть, что понятие надежности включает в себя и понятие экономичности. Бесперебойно работающая турбина, работающая с низкой экономичностью из-за износа или с ограничением мощности из-за внутренних неполадок, не может считаться надежной. Надежность — это комплексное свойство, характеризуемое такими подсвойствами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, управляемость, живучесть, безопасность. Не вдаваясь в строгие определения этих подсвойств, отметим главные из них.

Безотказность — это свойство турбины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. Средняя наработка на отказ для турбин ТЭС мощностью 500 МВт и более должна быть не менее 6250 ч, а меньшей мощности — не менее 7000 ч, а для турбин АЭС — не менее 6000 ч. Если учесть, что в календарном году 8760 ч и что какое-то время турбина не работает (например, по указанию диспетчера энергосистемы), то это означает, что отказы по вине турбины в среднем должны происходить не чаще 1 раза в год.

Полный установленный срок службы турбины ТЭС должен быть не менее 40 лет, а турбин АЭС — не менее 30 лет. При этом оговаривается два важных обстоятельства. Первое: этот срок службы не относится к быстро­изнашивающимся деталям, например, рабочим лопаткам, уплотнениям, крепежным деталям. Для таких деталей важен средний срок службы до капитального ремонта (межремонтный период). В соответствии с ГОСТ он должен быть не менее 6 лет (кроме того, на ТЭС и АЭС реализуется плановая система текущих и планово-предупредительных ремонтов).

Для турбин ТЭС, а точнее для их деталей, работающих при температуре свыше 450 °С, кроме такого показателя долговечности, как срок службы, вводится другой показатель — ресурс — суммарная наработка турбины от начала эксплуатации до достижения предельного состояния. На этапе проектирования предельное состояние определяется как назначенный ресурс. По определению — это ресурс, при достижении которого эксплуатация турбины должна быть прекращена независимо от ее технического состояния. На самом деле при достижении назначенного ресурса турбина может сохранить значительную дополнительную работоспособность (остаточный ресурс) и, учитывая ее высокую стоимость, срок работы турбины продляют. Учитывая нелогичность применительно к турбине термина «назначенный ресурс», стали употреблять термин «расчетный ресурс». Таким образом, расчетный (назначенный) ресурс — это наработка турбины, которая гарантируется заводом-изготовителем; при ее достижении должен быть рассмотрен вопрос о ее дальнейшей эксплуатации.

ГОСТ не регламентирует расчетного ресурса (он должен быть установлен в технических условиях или техническом задании на ее проектирование в каждом конкретном случае). Долгие годы расчетный ресурс составлял 100 тыс. ч, сейчас — как правило, 200 тыс. ч. Важнейшим требованием к турбине является высокая экономичность. Коэффициент полезного действия турбины оценивается по КПД ее цилиндров.

Коэффициент полезного действия цилиндра характеризуется той долей работоспособности пара, которую удалось преобразовать в механическую энергию. Наивысшую экономичность имеет ЦСД: в хороших турбинах он составляет 90—94 %. Коэффициент полезного действия ЦВД и ЦНД существенно меньше и в среднем составляет 84—86 %. Это уменьшение обусловлено существенно более сложным характером течения пара в решетках очень малой (несколько десятков миллиметров в первых ступенях ЦВД) и очень большой (1 м и более) в последних ступенях ЦНД высотой решеток. Рассчитать это течение и подобрать под него профили лопаток затруднительно даже при современных вычислительных средствах. Кроме того, значительная часть проточной части ЦНД работает влажным паром, капли влаги имеют скорость существенно меньшую, чем пар, и оказывают на вращающиеся рабочие лопатки тормозящее действие.

Кроме приведенных технических требований ГОСТ содержит многочисленные другие требования, в частности, к системе защиты турбины при возникновении аварийных ситуаций, к маневренности (диапазон длительной работы — обычно 30—100 % номинальной мощности; продолжительности пуска и остановки, число возможных пусков и т.д.), к системе регулирования и управления турбиной, к ремонтопригодности и безопасности (пожаробезопасности, уровня вибрации, шума и т.д.), методов контроля параметров рабочих сред (пара, масла, конденсата), транспортирования и хранения.

Источник: Языки программирования — Life-prog

Принцип действия активной и реактивной ступеней турбины. Преобразование энергии пара

Турбинной ступенью называется совокупность неподвижного ряда сопловых (направляющих) лопаток, в каналах которых происходит расширение и ускорение потока пара (преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию движущейся струи пара), и следующего за ним подвижного вращающегося ряда рабочих лопаток, в которых кинетическая энергия движущегося потока пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Простейшая одноступенчатая активная турбина (рис. 42.а) состоит из ряда неподвижных сопловых лопаток, образующих сужающиеся каналы – сопла в дозвуковых турбинах, и сужающе-расширяющиеся сопла – в сверхзвуковых турбинах. В каналах соплового аппарата потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом происходит расширение пара и он с большой скоростью поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. Так как каналы рабочих лопаток активной турбины имеют постоянное (по ходу движения пара) проходное сечение, то расширения пара в них не происходит. В каналах рабочих лопаток пар только изменяет направление движения, оказывая силовое воздействие на рабочие лопатки, закрепленные на диске. Усилие, развиваемое паром на рабочих лопатках, через диск передается на вал турбины, приводя его во вращение. Вал турбины вращается в подшипниках, установленных в корпусе. Корпус турбины образует замкнутое пространство, организуя движение пара и препятствуя его рассеянию в окружающую среду. Пройдя ряд сопловых и рабочих лопаток, отработавший пар покидает корпус турбины, и через выхлопной патрубок поступает в главный конденсатор (у конденсационных турбин) или в магистраль отработавшего пара (у противодавленческих турбин). Каналы рабочих и сопловых лопаток составляют проточную часть турбины.

Принцип действия реактивной турбины (рис. 42.б) несколько иной. На пустотелый вал насажены пустотелые спицы, заканчивающиеся в радиальных направлениях соплами. Пар поступает по валу и спицам к соплам, разгоняется в них до больших скоростей, и при истечении через сопла оказывает реактивное воздействие на спицы, приводя во вращение вал.

Описанная конструкция реактивной турбины из-за огромной частоты вращения на практике не применяется. Наибольшее распространение в судовых паротурбинных установках нашли реактивные турбины, использующие рассмотренный выше принцип работы, но схожие по своему устройству с активными турбинами. В таких реактивных турбинах расширение пара осуществляется как в направляющем аппарате, так и на рабочих лопатках.

Активная турбинная ступень

В активной турбине (рис. 43) свежий пар с начальными параметрами: давлением p₀ , температурой t₀ и абсолютной скоростью c₀ , подводится к сопловому аппарату (сечение 0). В каналах соплового аппарата происходит расширение пара, в результате чего скорость потока пара на выходе из сопл (сечение 1) увеличивается до значения c ₁ , а давление снижается до значения p₁. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. В каналах рабочих лопаток происходит изменение направления движения потока пара без его расширения. Абсолютная скорость пара на выходе из каналов рабочих лопаток (сечение 2) уменьшается до величины выходной скорости c₂ , а давление пара остается равным значению p₁ . В результате обтекания рабочих лопаток и поворота потока пара возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки в сторону выпуклой, передающаяся через диск на вал и создающая крутящий момент на валу турбины. Диск турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

На диаграмме i — s начальным параметрам пара на входе в сопловый аппарат соответствует точка A₀ . Теоретически (без учета потерь) процесс расширения пара в сопловом аппарате от давления p₀ до давления p₁ протекает изоэнтропно. Параметрам пара после соплового аппарата при изоэнтропном расширении соответствует точка А_Нt , а сам процесс расширения выглядит как вертикальная линия A₀ — A_Нt .

Разность значений энтальпии в начальной и конечной точках при изоэнтропном расширении пара представляет собой располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад в сопловом аппарате –h_ai . В реальных условиях при движении пара через проточную часть турбины неизбежны потери энергии. Процесс расширения пара в этом случае не является изоэнтропным, а точка, характеризующая действительные параметры пара за соплами – А_Н , смещается вправо по изобаре p₁ на величину потерь энергии в сопловом аппарате – q_Н.

В каналах рабочих лопаток активной турбины расширения пара не происходит, поэтому значения давлений пара на входе в каналы рабочих лопаток и на выходе из них одинаковы. На диаграмме i — s действительные параметры пара на выходе из рабочих лопаток обозначены точкой А_Р , а процесс, протекающий изобарно в каналах рабочих лопаток – линией A_H — A_P. Точка А_Р отстоит от точки А_Н на величину потерь энергии – q_Р .

Пар, выходящий из каналов рабочих лопаток, обладает конечной скоростью c₂ и уносит с собой некоторую часть кинетической энергии. Эта энергия пара не используется в турбине и называется потерей с выходной скоростью – q_A . Действительные параметры пара на выходе из турбины характеризуются точкой A_a .

Весь располагаемый теплоперепад h_a , срабатываемый в активной турбине, полностью срабатывается в сопловом аппарате: h_a = h_aH.

Реактивная турбинная ступень

В реактивной турбине (рис. 44) свежий пар с начальными параметрами: p₀ , t₀ , и абсолютной скоростью c₀, подводится к направляющему аппарату (сечение 0). В сужающихся каналах направляющего аппарата происходит расширение пара, в результате чего на выходе из него (сечение 1) скорость потока пара увеличивается до значения c₁, а его давление снижается до значения p₁. С этой скоростью пар поступает к рабочим лопаткам турбины. В реактивной турбине рабочие лопатки образуют сужающиеся каналы, в результате чего в них происходит дальнейшее расширение пара. При этом на выходе из лопаток (сечение 2) давление пара снижается до величины p₂ , а скорость потока пара – до значения c₂. При обтекании потоком пара рабочих лопаток и повороте потока на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Вместе с тем, при расширении и ускорении потока пара, в каналах рабочих лопаток возникает дополнительная реактивная сила, воздействующая на них в том же направлении. Суммарное усилие, действующее на рабочие лопатки, передается валу турбины и создает на нем крутящий момент. Ротор турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u.

Теоретический процесс расширения пара в реактивной турбине протекает изоэнтропно и изображается на диаграмме i — s в виде вертикальной линии А_о – А_2t(рис. 44). Линия A_o – A_1t на диаграмме изображает теоретический процесс расширения пара в каналах направляющего аппарата. При расширении пара в направляющем аппарате срабатывается теплоперепад – h_ai. Фактически процесс расширения пара в направляющем аппарате протекает по линии A₀ — A_H, а точка A_I характеризует действительные параметры пара на выходе из направляющего аппарата. Точка A_Í отстоит от теоретической A_1t на величину потерь – qÍ . Дальнейший процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток начинается из точки A_Í , и при изоэнтропийном расширении выглядит как вертикальная линия A_H — A_pt . При расширении пара в каналах рабочих лопаток срабатывается теплоперепад h_ad . Фактически процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток протекает по линии A_h — A_p , а точка A_Р характеризует действительные параметры пара за выходной кромкой рабочих лопаток. Точка A_Р отстоит от теоретической A_Рt на величину потерь – q_Ð . По аналогии с активной турбиной, в реактивной также имеют место потери с выходной скоростью – q_Â , при этом действительные параметры пара за реактивной турбиной описываются состоянием рабочего тела в точке A_Â .

В отличие от активной, в реактивной турбине весь располагаемый теплоперепад – h_à срабатывается частично в направляющем аппарате – h_àÍ , частично на рабочих лопатках – h_àÐ .

Степенью реактивности турбинной ступени – p называется отношение величины изоэнтропийного теплоперепада на рабочих лопатках к сумме располагаемых изоэнтропийных теплоперепадов на направляющих и рабочих лопатках, которая примерно равна располагаемому теплоперепаду всей турбинной ступени:

Таким образом, чем больше степень расширения пара в каналах рабочих лопаток, тем больше степень реактивности турбинной ступени:

P = 0 – для чисто активных турбин (расширение пара происходит только в сопловом (направляющем) аппарате: h_aD = 0; h_a = h_aI

P = 0,5 – для чисто реактивных степеней (расширение пара происходит в равной степени в направляющем аппарате и рабочих лопатках: h_aI = h_aD).

В настоящее время в турбостроении чисто активные ступени не применяются ввиду сложности подвода пара к рабочим лопаткам (пар должен поступать перпендикулярно плоскости лопаток). В действительности активные турбины всегда имеют некоторую степень реактивности – p = 0,03 ÷ 0,2 , что позволяет снизить величину потерь энергии в турбинной ступени. Поэтому когда речь идет об активных и реактивных турбинах, в большей степени имеют ввиду конструктивные отличия в исполнении проточных частей этих типов паровых турбин.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

Похожие статьи

как горячий пар превращается в электричество / Toshiba corporate blog / Habr

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.

Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.

Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.

Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.

Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.

Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.

Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.

Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.

Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

Газовая турбина. Устройство и принцип действия. Промышленное оборудование :: SYL.ru

«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», — эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.

Российский машиностроительный лидер ОДК

России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК — Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков – «Росатом», «Газпром» и другие «киты» химической промышленности и энергетики.

Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.

А начиналось все так просто…

Поиски и пар

Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар — это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.

Рождение газовых турбин

Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.

Газовая турбина Николы Тесла

Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, — в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.

Принципиальная схема

Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.

Достоинства авиационных турбин

Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.

Есть у газотурбинных двигателей и недостатки

Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.

Охлаждение газовых турбин – сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.

Правильное применение

Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого – газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…

Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.

Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.

Тригенераторные электростанции

Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, — от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.

Ядерные энергоустановки

Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.

Широкое применение

Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.

Принцип работы газовых турбин

Газовой турбиной принято называть непрерывно действующий двигатель. Далее пойдёт речь о том, как устроена газовая турбина, в чем заключается принцип работы агрегата. Особенностью такого двигателя является то, что внутри него энергия продуцируется сжатым или нагретым газом, результатом преобразования которого является механическая работа на валу.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.! Конечно же, своего существенног
о расцвета данный механизм достиг только сейчас. Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием и совершенствованием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Менялись принципы механизмов, материалы, сплавы, всё совершенствовалось и вот, на сегодняшний день человечеству известна наиболее совершенная из всех ранее существующих форм газовой турбины, которая разграничивается на различные типы. Есть авиационная газовая турбина, а есть промышленная.

Технические характеристики газовой турбины

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

Устроена она таким образом, что главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. Газ, воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо в свою очередь жёстко скреплено с валом. Этот тандем имеет специальное название – ротор турбины. Вследствие этого движения, происходящего внутри двигателя газовой турбины, достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

 

Активные и реактивные турбины

Воздействие газовой струи на лопатки турбины может быть двояким. Поэтому турбины разделяются на классы: класс активных и реактивных турбин. Отличаются реактивная и активная газовая турбина принципом устройства.

Активная турбина

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки, струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила. С помощью этой силы лопатки приводятся в движение. Во время всего описанного пути газа происходит потеря части его энергии. Такая энергия и направлена на движение рабочего колеса и вала.

Реактивная турбина

В реактивной турбине всё несколько иначе. Здесь поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается. Таким образом, струя газа создаёт своего рода реактивную силу.

Из описываемого выше механизма следует, что устройство газовой турбины достаточно непростое. Дабы такой агрегат работал бесперебойно и приносил своему владельцу прибыль и выгоду, следует доверить его обслуживание профессионалам. Сервисные профильные компании обеспечивают сервисное обслуживание установок, использующих газовые турбины, поставки комплектующих, всевозможных частей и деталей. DMEnergy — одна из таких компаний (подробнее), которые обеспечивают своему клиенту спокойствие и уверенность в том, что он не останется один на один с проблемами, возникающими в ходе эксплуатации газовой турбины.

   Бесплатная публикация статей на Promdevelop.ru