ПАРОВАЯ ТУРБИНА

ПАРОВАЯ ТУРБИНА первичный паровой
двигатель с вращат. движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим
процессом; служит для преобразования тепловой энергии пара водяного
в
механич. работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты
на криволинейные лопатки, закреплённые по окружности ротора, и, воздействуя
на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой
паровой машины,
П.
т. использует не потенциальную, а кинетич. энергию пара.

Попытки создать П. т. делались очень давно.
Известно описание примитивной П. т., сделанное Героном Александрийским
(1 в. до н. э.). Однако только в кон. 19 в., когда термодинамика, машиностроение
и металлургия достигли достаточного уровня, К. Г. П. Лавалъ (Швеция)
и Ч. А. Парсоне (Великобритания) независимо друг от друга в 1884-89
создали промышленно пригодные П. т. Лаваль применил расширение пара в конич.
неподвижных соплах в один приём от начального до конечного давления и полученную
струю, (со сверхзвуковой скоростью истечения) направил на один ряд рабочих
лопаток, насаженных на диск. П. т., работающие по этому принципу, получили
назв. активных П. т. Парсонс создал многоступенчатую реактивную П. т.,
в к-рой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно
расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток,
но и между подвижными (рабочими) лопатками.

П. т. оказалась очень удобным двигателем
для привода ротативных механизмов (генераторы электрич. тока, насосы, воздуходувки)
и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной
и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие П. т. шло чрезвычайно
быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной
мощности, так и по пути создания специализированных П. т. различного назначения.

Невозможность получить большую агрегатную
мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых П. т. Лаваля
(до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили
своё значение только для привода вспомогат. механизмов. Активные П. т.
развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в к-рых
расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней.
Это позволило значительно увеличить единичную мощность П. т., сохранив
умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения
вала П. т. с вращаемым ею механизмом. Реактивная П. т. Парсонса нек-рое
время применялась (в основном на воен. кораблях), но постепенно уступила
место более компактным комбинированным активно-реактивным П. т., у к-рых
реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенчатым активным
диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном
аппарате, турбина стала проще и экономичнее.



Классификация паровых турбин. В
зависимости от характера теплового процесса П. т. обычно подразделяют на
3 осн. группы: чисто конденсационные, теплофикационные и спец. назначения.

Чисто конденсационные П. т. служат для
превращения максимально возможной части теплоты пара в механич. работу.
Эти П. т. работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор, где
поддерживается вакуум. Чисто конденсационные П. т. могут быть стационарными
или транспортными. Стационарные П. т. в соединении с генераторами переменного
электрического тока (турбогенераторы)- осн. оборудование конденсационных
электростанций. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее
и тем ниже стоимость 1 кет установленной мощности. Поэтому мощность
П. т. растёт из года в год и к 1974 достигла 1200 Мвт в агрегате
[при давлении свежего пара до 35 Мн/м² (1 н/м²=10^-5кгс/см²)
итемп-ре
до 650 °С]. Принятая в СССР частота электрич. тока 50 гц
требует,
чтобы частота вращения П. т., непосредственно соединённой с двухполюсным
генератором, равнялась 3000 о6/мин. В зависимости от назначения
П. т. для электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную осн.
нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки;
турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции
в электроэнергии. От базовых П. т. требуется высокая экономичность на нагрузках,
близких к полной (ок. 80% ), от пиковых П. т.- возможность быстрого пуска
и включения в работу, от П. т. собственных нужд - особая надёжность в работе.
Все П. т. для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы
(до капитального ремонта).

Транспортные П. т. используются в качестве
главных и вспомогат. двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались
попытки применить П. т. на локомотивах, однако паротурбовозы распространения
не получили. Для соединения быстроходных П. т. с гребными винтами, требующими
невысокой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые
редукторы. В отличие от стационарных П. т. (кроме турбовоздуходувок), судовые
П. т. работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой
скоростью хода судна.

Теплофикационные П. т. служат для одновременного
получения электрич. и тепловой энергии. К ним относятся П. т. с противодавлением,
с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением. У П.
т. с противодавлением весь отработавший пар используется для технологич.
целей (варка, сушка, отопление). Электрич. мощность, развиваемая турбоагрегатом
с такой П. т., зависит от потребности производства или отопит. системы
в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением
обычно работает параллельно с конденсационной П. т. или электросетью, к-рые
покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В П. т. 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 П. т.) выбирают
в зависимости от нужных параметров пара. У П. т. с отбором и противодавлением
часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший
пар направляется из выпускного патрубка в отопит. систему. Давление пара
П. т. для отопит. целей обычно составляет 0,12 Мн/м², а
для технологич. нужд (сах., деревообр., пищ. предприятия) 0,5-1,5 Мн/м².

П. т. специального назначения обычно работают
на отбросном тепле металлургич., маш.-строит. и хим. предприятий. К ним
относятся П. т. мятого пара, двух давлений и предвключённые (форшальт).
П. т. мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых
молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. П. т. двух
давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов,
подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключённые П. т. представляют
собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением;
весь отработавший пар этих П. т. направляют в другие П. т. с более
низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых П. т. возникает
при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов
более высокого давления, на к-рое не рассчитаны ранее установленные на
электростанции П. т.

П. т. спец. назначения не строят сериями,
как конденсационные и теплофикационные П. т., а в большинстве случаев изготовляют
по отд. заказам.

Все стационарные П. т. имеют нерегулируемые
отборы пара из 2-5 ступеней давления для регенеративного подогрева питат.
воды. В СССР установлено 4 ступени начальных параметров пара: давление
3,5 Мн/м², темп-ра 435 ^оС для П. т. мощностью
до 12 Мвт; 9 Мн/м², 535 ^оС для П. т.
до 50 Мвт; 13 Мн/м², 565 ^оС для П.
т. до 100 Мвт и 24 Мн/м², 565 ^оС для
П. т. мощностью 200 и 300 Мвт. Давление отработавшего пара 3,5-5
кн/м².
Удельный
расход тепла от 7,6 кдж/(вт <^.ч)
у самых мощных
П. т. до 13 кдж/(вт <^.ч) у небольших конденсационных
турбин.



Тепловой процесс паровых турбин. Кинетич.
энергия, приобретённая паром при его расширении, эквивалентна уменьшению
его энтальпии в процессе расширения. Работа пара (в кгс <^. м,
1
кгс
<^.
м
= = 10 дж) равна:

а скорость истечения (в м/сек):

где i - начальная, a
i- конечная энтальпия пара. Мощность (в квт), к-рую можно получить
от турбины при расходе пара D кг/ч, равна:

а расход пара (в кг/ч) соответственно:

Если под i - i
подразумевается адиабатич. изменение энтальпии, то вышесказанное справедливо
только для идеальной П. т., работающей без потерь. Действит. мощность на
валу реальной П. т. (в квт) равна:

где n - относительно
эффективный кпд, представляющий собой отношение действит. мощности, полученной
на валу П. т., к мощности идеальной турбины.

где d - расход пара
в кг/(квт <^. ч). Для существующих П. т. удельный
расход пара определяется экспериментально, а i - iнаходят
по i -s диаграмме (см. Энтропия, Энтальпия). В активной П.
т. свежий пар с давлением ро и скоростью Со поступает в сопло и расширяется
в нём до давления pпри этом скорость пара
возрастает до с, с к-рой поток пара и входит на рабочие
лопатки. Поток пара, оказывая давление на лопатки вследствие изменения
направления в криволинейных междулопаточных каналах, заставляет диск и
вал вращаться. На выходе с лопаток поток пара имеет скорость с
меньшую, чем с, т. к. значит. часть кинетич. энергии
преобразовалась в механич. энергию вращения вала. Давление pна
входе в канал равно давлению рна выходе из него, т.
к. междулопаточные каналы имеют одинаковое сечение по длине и расширения
пара в них не происходит (у реально существующих активных турбин сечения
междулопаточных каналов выполняют несколько возрастающими по ходу пара
для сохранения равенства давлений на входе и выходе, т. к. энтальпия пара
при его протекании между лопатками увеличивается из-за трения и ударов
о кромки лопаток). Однако в различных местах криволинейного канала давления
неодинаковы: именно разность давлений на вогнутую и выпуклую сторону каждой
лопатки создаёт момент, заставляющий ротор вращаться. Т. о., в активной
турбине падение давления пара происходит в сопле (или нескольких соплах),
а давление пара при входе на лопатки и выходе с них одинаково.

Кинетич. энергия будет полностью использована,
если абс. скорость пара С при выходе с лопаток равна
нулю. Это условие соблюдено, если с= 2u, где
и
- окружная скорость. Окружная скорость (в м/сек) равна:

где d - ср. диаметр лопаточного
венца в м, a n - частота вращения в мин. Следовательно,
оптим. окружная скорость лопаток должна быть

Очевидно, что в реальной турбине сне
может быть равна 0, т. к. пар должен уходить с лопаток в конденсатор. Однако
выходную скорость стремятся получить минимальной, т. к. кинетич. энергия
уходящего потока пара представляет собой потерю полезной работы. Отступление
от оптим. отношения

вызывает сильное снижение кпд турбины.
Это делает невозможным создание одноступенчатых турбин с высокими начальными
параметрами пара, т. к. ещё (нач. 1970-х гг.) не существует материалов,
способных выдержать напряжения от центробежных сил при окружных скоростях,
значительно превышающих 400 м/сек. Поэтому одноступенчатые активные
турбины применяют только для привода быстроходных вспомогат. механизмов,
экономичность к-рых не имеет решающего значения. Хорошая экономичность
П. т., работающей с умеренными окружными скоростями при большом теплопадении,
достигается применением ступеней давления.

Если разделить располагаемый перепад давления
на неск. ступеней с равными перепадами тепла, то в этих ступенях скорость
истечения (в м/сек) равна:

где z - число ступеней. Следовательно,
в каждой ступени скорость будет в

раз меньше, чем в одноступенчатой П. т.
Соответственно ниже будет и оптим. окружная скорость и, т. е. частота
вращения ротора.

Корпус П.т. с неск. ступенями давления
разделяют диафрагмами на отд. камеры, в каждой из к-рых помещён один из
дисков с рабочими лопатками (рис. 1). Пар может проникать из одной камеры
в другую только через сопла, расположенные по окружности диафрагм. Давление
пара снижается после каждой ступени, а скорости истечения пара C
остаются примерно одинаковыми, что достигается выбором соответствующих
размеров сопел. Число ступеней давления у мощных турбин с высокими начальными
параметрами пара достигает 30-40. Поскольку объём пара по мере его расширения
увеличивается, сечения сопел и высоты лопаток возрастают от первой ступени
к последней. Последние ступени мощных П. т. обычно выполняют сдвоенными,
а у самых больших П. т.- строенными и даже счетверёнными ввиду неприемлемо
больших размеров лопаток последних ступеней, к-рые были бы необходимы для
пропуска всего объёма пара через 1 ступень.

Рис. 1. Схематический продольный разрез
активной турбины с тремя ступенями давления: 1 - кольцевая камера свежего
пара; 2 - сопла первой ступени; 3 - рабочие лопатки первой ступени; 4 -
сопла второй ступени; 5 - рабочие лопатки второй ступени; 6 - сопла третьей
ступени: 7 - рабочие лопатки третьей ступени.

В ступени давления возможно использовать
кинетич. энергию не в одном, а в нескольких венцах лопаток, применив ступени
скорости. Для этого на ободе диска размещают 2 (редко 3) венца рабочих
лопаток, между к-рыми установлен венец неподвижных направляющих лопаток.
Пар с давлением рподводится к соплам (рис. 2) и со
скоростью с поступает на первый ряд рабочих лопаток,
где его скоростной напор частично превращается в работу, а направление
потока изменяется. Выйдя со скоростью с с первого ряда
рабочих лопаток, пар проходит через направляющие лопатки и, снова изменив
направление, входит во второй ряд лопаток со скоростью с';
неск. меньшей, чем с, вследствие потерь в направляющих
лопатках. Второй ряд лопаток пар покидает с незначит. скоростью с'.

Рис. 2. Схематический разрез активной
турбины с двумя ступенями скорости: 1 - вал; 2- диск; 3 - первый ряд рабочих
лопаток; 4 - сопло; 5 - корпус; 6 - второй ряд рабочих лопаток; 7 - направляющие
лопатки.

Теоретически при 2 ступенях скорости оптим.
окружная скорость и будет в 2 раза меньше, чем для одновенечной
ступени, использующей тот же перепад энтальпии. Для z ступеней скорости
оптим,

Однако много ступеней скорости практически
не применяют из-за больших потерь в лопатках. Наиболее распространённым
типом турбины можно считать активную П. т. с одним двухвенечным диском
в первой ступени давления и одновенечными дисками в остальных ступенях.
Значение двухвенечного диска в том, что, используя значит. часть располагаемого
перепада энтальпии в первой ступени давления, он позволяет понизить темп-ру
и давление в корпусе П. т. и одновременно уменьшить нужное число ступеней
давления, т. е. укоротить и удешевить П. т.

Характерной особенностью реактивных П.
т. является то, что расширение пара происходит у них в каналах неподвижных
и подвижных лопаточных венцов, т.е. как в соплах, так и на рабочих лопатках.
Отношение приходящейся на долю рабочих лопаток части располагаемого адиаба-тич.
перепада энтальпии h к общему адиабатич. перепаду ступени
h= h h(где h- теплопадение в направляющих лопатках) наз. степенью реактивности

Если

то такую турбину принято наз. реактивной.
У чисто активной турбины должно бы быть p = 0, но практически активные
турбины всегда работают с небольшой степенью реактивности, более высокой
в последних ступенях. Это даёт некоторое повышение кпд, особенно на режимах,
отличных от расчётного.

Венцы рабочих лопаток реактивной П. т.
устанавливают в пазах ротора барабанного типа. В промежутках между ними
размещают венцы неподвижных направляющих лопаток, закреплённых в корпусе
турбины и образующих сопловые каналы. Профили подвижных и неподвижных лопаток
обычно одинаковы. Свежий пар поступает в кольцевую камеру (рис. 3), откуда
идёт в первый ряд неподвижных лопаток. В междулопаточных каналах этого
ряда пар расширяется, давление его неск. понижается, а скорость возрастает
от С до C. Затем пар попадает в первый
ряд рабочих лопаток. Между ними пар также расширяется и его относит. скорость
возрастает. Однако абсолютная скорость с на выходе с
рабочих лопаток будет меньше с, т.к. за счёт уменьшения
кинетической энергии получена механическая работа. В последующих ступенях
процесс повторяется. Для уменьшения утечек пара через зазоры между лопатками,
ротором и корпусом П. т. располагаемый перепад давлений делят на большое
число (до 100) ступеней, благодаря чему разность давлений между смежными
ступенями получается небольшой.

В СССР не строят стационарных реактивных
П. т., но отд. зарубежные фирмы традиционно продолжают выпускать П. т.
с активной частью высокого давления и последующими реактивными ступенями.

Рис. 3. Схематический разрез небольшой
реактивной турбины:1 - кольцевая камера свежего пара; 2 - разгрузочный
поршень; 3 - соединительный паропровод; 4 - барабан ротора; 5,8 - рабочие
лопатки; 6,9 - направляющие лопатки; 7 - корпус.



Конструкция паровых турбин. Понаправлению
движения потока пара различают аксиальные П. т., у к-рых поток пара движется
вдоль оси турбины, и радиальные П. т., направление потока пара в к-рых
перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения.
В СССР строят только аксиальные П. т. По числу корпусов (цилиндров) П.
т. подразделяют на однокорпусные и 2-3-, редко 4-корпусные. Многокорпусная
конструкция (рис. 4) позволяет использовать большие располагаемые перепады
энтальпии, разместив большое число ступеней давления, применить высококачеств.
металлы в части высокого давления и раздвоение потока пара в части низкого
давления; однако такая П. т. получается более дорогой, тяжёлой и сложной.
По числу валов различают одновальные П. т., у к-рых валы всех корпусов
находятся на одной оси, и 2-, редко 3-вальные, состоящие из 2 или 3 параллельно
размещённых одновальных П. т., связанных общностью теплового процесса,
а у судовых П. т.- также общей зубчатой передачей (редуктором). Неподвижную
часть П. т.- корпус - выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для
возможности монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм,
разъём к-рых совпадает с плоскостью разъёма корпуса. По периферии диафрагм
размещены сопловые каналы, образованные криволинейными лопатками, залитыми
в тело диафрагм или приваренными к нему. В местах прохода вала сквозь стенки
корпуса установлены концевые уплотнения лабиринтового типа для предупреждения
утечек пара наружу (со стороны высокого давления) и засасывания воздуха
в корпус (со стороны низкого). Лабиринтовые уплотнения устанавливают в
местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени
в ступень в обход сопел. На переднем конце вала устанавливают предельный
регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий П. т.
при увеличении частоты вращения на 10-12% сверх номинальной. Задний конец
ротора снабжают валоповоротным устройством с электрич. приводом для медленного
(4-6 об/мин) проворачивания ротора после останова П. т., что необходимо
для равномерного его остывания.

Рис. 4. Двухкорпусная паровая турбина
(со снятыми крышками): 1-корпус высокого давления; 2 - лабиринтовое уплотнение;
3 - колесо Кертиса; 4 - ротор высокого давления; 5 - соединительная муфта;
6 - ротор низкого давления; 7 - корпус низкого давления.

Лит.: Лосев С. М., Паровые турбины
и конденсационные устройства. Теория, конструкции и эксплуатация, 10 изд.,
М.-Л., 1964; Щегляев А. В., Паровые турбины. Теория теплового процесса
и конструкции турбин, 4 изд., М.- Л., 1967.

С. М. Лосев.