Парова турбіна

Наши партнеры ArtmMisto

Парів а я турб і на, первинний паровий двигун з обертальним рухом робочого органу - ротора і безперервним робочим процесом; служить для перетворення теплової енергії пара водяного в механічну роботу. Потік водяної пари поступає через направляючі апарати на криволінійні лопатки, закріплені по колу ротора, і, впливаючи на них, призводить ротор в обертання. На відміну від поршневий парової машини , П. т. використовує не потенційну, а кінетичну енергію пара.

Спроби створити П. т. Робилися дуже давно. Відомо опис примітивного П. т., Зроблене Героном Олександрійським (1 в. До н. Е.). Однак тільки в кінці 19 ст., Коли термодинаміка, машинобудування і металургія досягли достатнього рівня, К. Г. П. Лаваль (Швеція) і Ч. А. Парсонс (Великобританія) незалежно один від одного в 1884-89 створили промислово придатні П. т. Лаваль застосував розширення пари в конічних нерухомих соплах в один прийом від початкового до кінцевого тиску і отриману струмінь (з надзвуковою швидкістю витікання) направив на один ряд робочих лопаток, насаджених на диск. П. т., Що працюють за цим принципом, отримали назву активних П. т. Парсонс створив багатоступінчасту реактивну П. т., В якій розширення пари здійснювалося у великому числі послідовно розташованих рівнів не тільки в каналах нерухомих (що направляють) лопаток, але і між рухливими (робітниками) лопатками.

П. т. Виявилася дуже зручним двигуном для приводу ротативних механізмів (генератори електричного струму, насоси, повітродувки) і суднових гвинтів; вона була більш швидкохідної, компактною, легкої, економічною і врівноваженою, ніж поршнева парова машина. Розвиток П. т. Йшло надзвичайно швидко як в напрямку поліпшення економічності та підвищення одиничної потужності, так і по шляху створення спеціалізованих П. т. Різного призначення.

Неможливість отримати велику агрегатну потужність і дуже висока частота обертання одноступінчатих П. т. Лаваля (до 30 000 об / хв у перших зразків) привели до того, що вони зберегли своє значення тільки для приводу допоміжних механізмів. Активні П. т. Розвивалися в напрямку створення багатоступеневих конструкцій, в яких розширення пари здійснювалося в ряді послідовно розташованих рівнів. Це дозволило значно збільшити одиничну потужність П. т., Зберігши помірну частоту обертання, необхідну для безпосереднього з'єднання валу П. т. З обертається нею механізмом.

Реактивна П. т. Парсонса деякий час застосовувалася (в основному на військових кораблях), але поступово поступилася місцем більш компактним комбінованим активно-реактивним П. т., У яких реактивна частина високого тиску замінена одно- або вінцевих активним диском. В результаті зменшилися втрати на витоки пари через зазори в лопатковому апараті, турбіна стала простіше і економічніше.

Класифікація парових турбін. Залежно від характеру теплового процесу П. т. Зазвичай підрозділяють на 3 основні групи: чисто конденсаційні, теплофікаційні та спеціального призначення.

Чисто конденсаційні П. т. Служать для перетворення максимально можливої ​​частини теплоти пара в механічну роботу. Ці П. т. Працюють з випуском відпрацьованої пари в конденсатор , Де підтримується вакуум. Чисто конденсаційні П. т. Можуть бути стаціонарними або транспортними. Стаціонарні П. т. В з'єднанні з генераторами змінного електричного струму ( турбогенератори ) - основне устаткування конденсаційних електростанцій . Чим більше потужність турбогенератора, тим він економічніше і тим нижче вартість 1 квт встановленої потужності. Тому потужність П. т. Зростає з року в рік і до 1974 досягла 1200 Мвт в агрегаті [при тиску свіжої пари до 35 Мн / м 2 (1 нlm 2 = 10 -5 кгс / см 2) і температурі до 650 ° С] . Прийнята в СРСР частота електричного струму 50 гц вимагає, щоб частота обертання П. т., Безпосередньо з'єднаної з двополюсним генератором, дорівнювала 3000 об / хв. Залежно від призначення П. т. Для електростанцій можуть бути базовими, що несуть постійну основне навантаження; піковими, короткочасно працюють для покриття піків навантаження; турбінами власних потреб, що забезпечують потребу електростанції в електроенергії. Від базових П. т. Потрібна висока економічність на навантаженнях, близьких до повної (близько 80%), від пікових П. т.- можливість швидкого пуску і включення в роботу, від П. т. Власних потреб - особлива надійність в роботі. Все П. т. Для електростанцій розраховуються на 100 тис. Ч роботи (до капітального ремонту).

Транспортні П. т. Використовуються в якості головних і допоміжних двигунів на кораблях і судах. Неодноразово робилися спроби застосувати П. т. На локомотивах , Однак паротурбовози поширення не отримали. Для з'єднання швидкохідних П. т. З гребними гвинтами, які вимагають невисокої (від 100 до 500 об / хв) частоти обертання, застосовують зубчасті редуктори. На відміну від стаціонарних П. т. (Крім турбовоздуходувок), суднові П. т. Працюють зі змінною частотою обертання, яка визначається необхідною швидкістю ходу судна.

Теплофікаційні П. т. Служать для одночасного отримання електричної та теплової енергії. До них відносяться П. т. З протитиском, з регульованим відбором пари, а також з відбором і протитиском. У П. т. З протитиском вся відпрацьована пара використовується для технологічних цілей (варіння, сушіння, опалення). Електрична потужність, що розвивається турбоагрегатом з такою П. т., Залежить від потреби виробництва або опалювальної системи в гріє парі і змінюється разом з нею. Тому турбоагрегат з протитиском зазвичай працює паралельно з конденсаційної П. т. Або електромережею, які покривають виникає дефіцит в електроенергії. В П. т. З регульованим відбором частина пари відводиться з 1 або 2 проміжних рівнів, а решті пар йде в конденсатор. Тиск відібраного пара підтримується в заданих межах системою регулювання. Місце відбору (рівень П. т.) Вибирають залежно від корисних властивостей пара. У П. т. З відбором і протитиском частина пара відводиться з 1 або 2 проміжних рівнів, а вся відпрацьована пара прямує з випускного патрубка в опалювальну систему. Тиск пара П. т. Для опалювальних цілей зазвичай становить 0,12 Мн / м 2, адля технологічних потреб (цукрові, деревообробні, харчові підприємства) 0,5-1,5 Мн / м 2.

П. т. Спеціального призначення зазвичай працюють на отбросном теплі металургійних, машинобудівних, і хімічних підприємств. До них відносяться П. т. М'яту пару, двох тисків і предвключённие (форшальт). П. т. М'яту пару використовують відпрацьована пара поршневих машин, парових молотів і пресів, що має тиск трохи вище атмосферного. П. т. Двох тисків працюють як на свіжому, так і на відпрацьованому парі парових механізмів, що підводиться в одну з проміжних ступенів. Предвключённие П. т. Є турбіни з високим початковим тиском і високим противодавлением; вся відпрацьована пара цих П. т. направляють в інші П. т. з більш низьким початковим тиском пари. Необхідність в предвключённих П. т. Виникає при модернізації електростанцій, пов'язаної з установкою парових котлів більш високого тиску, на яке не розраховані раніше встановлені на електростанції П. т.

П. т. Спеціального призначення не будують серіями, як конденсаційні і теплофікаційні П. т., А в більшості випадків виготовляють за окремими замовленнями.

Всі стаціонарні П. т. Мають нерегульовані відбори пари з 2-5 ступенів тиску для регенеративного підігріву живильної води. В СРСР встановлено 4 ступені початкових параметрів пари: тиск 3,5 Мн / м 2, температура 435 ° С для П. т. Потужністю до 12 МВт; 9 Мн / м 2, 535 ° С для П. т. До 50 Мвт; 13 Мн / м 2, 565 ° С для П. т. До 100 Мвт і 24 Мн / м 2, 565 ° С для П. т. Потужністю 200 і 300 Мвт .Тиск відпрацьованої пари 3,5-5 кн / м 2 . Питома витрата тепла від 7,6 кдж / (вт × ч) у найпотужніших П. т. до 13 кДж / (вт × ч) у невеликих конденсаційних турбін.

Тепловий процес парових турбін. Кінетична енергія, придбана парою при його розширенні, еквівалентна зменшенню його ентальпії в процесі розширення. Робота пара (в кгс × м, 1 кгс × м = 10 дж) дорівнює:

W = 427 (i0 - i1),

а швидкість витікання (в м / сек):

,

де i0 - початкова, a i1 - кінцева ентальпія пара. Потужність (у квт), яку можна отримати від турбіни при витраті пара D кг / год, дорівнює:

а витрата пара (в кг / ч) відповідно

Якщо під i0 - i1 мається на увазі адіабатичне зміна ентальпії, то вищесказане справедливо тільки для ідеальної П. т., Що працює без втрат. Дійсна потужність на валу реальною П. т. (У квт) дорівнює:

де h е - щодо ефективний ккд, що є відношенням дійсної потужності, отриманої на валу П. т., до потужності ідеальної турбіни.

',

де d e - витрата пара в кг / (квт × ч). Для існуючих П. т. Питома витрата пари визначається експериментально, а i0 - i1 знаходять по i-s діаграмі (див. ентропія , ентальпія ). В активній П. т. Свіжа пара з тиском p0 і швидкістю c0 надходить в сопло і розширюється в ньому до тиску p1, при цьому швидкість пара зростає до c1, з якої потік пара і входить на робочі лопатки. Потік пара, чинячи тиск на лопатки внаслідок зміни напрямку в криволінійних каналах междулопаточних, змушує диск і вал обертатися. На виході з лопаток потік пари має швидкість c2 меншу, ніж c1, так як значна частина кінетичної енергії перетворилася в механічну енергію обертання валу. Тиск p1 на вході в канал дорівнює тиску p2 на виході з нього, так як междулопаточних канали мають однаковий перетин по довжині і розширення пара в них не відбувається (у реально існуючих активних турбін перетину междулопаточних каналів виконують кілька зростаючими по ходу пара для збереження рівності тисків на вході і виході, так як ентальпія пари при його протіканні між лопатками збільшується через тертя і ударів об кромки лопаток). Однак в різних місцях криволінійного каналу тиску неоднакові: саме різниця тисків на увігнуту і опуклу сторону кожної лопатки створює момент, що змушує ротор обертатися. Таким чином, в активній турбіні падіння тиску пари відбувається в соплі (або декількох соплах), а тиск пари при вході на лопатки і виході з них однаково.

Кінетична енергія буде повністю використана, якщо абсолютна швидкість пара c 2 при виході з лопаток дорівнює нулю. Це умова дотримана, якщо c 1 = 2u, де u - окружна швидкість. Окружна швидкість (у м / сек) дорівнює:

де d - середній діаметр лопаточного вінця в м, a n - частота обертання в мин. Отже, оптимальна окружна швидкість лопаток повинна бути .

Очевидно, що в реальному турбіні c 2не може бути дорівнює 0, тому що пар повинен йти з лопаток в конденсатор. Однак вихідну швидкість прагнуть отримати мінімальною, тому що кінетична енергія, що минає потоку пара представляє собою втрату корисної роботи. Відступ від оптимального відношення викликає сильне зниження ккд турбіни. Це робить неможливим створення одноступінчатих турбін з високими початковими параметрами пари, так як ще (початок 1970-х рр.) Не існує матеріалів, здатних витримати напруги від відцентрових сил при окружних швидкостях, значно перевищують 400 м / сек. Тому одноступінчаті активні турбіни застосовують лише для приводу швидкохідних допоміжних механізмів, економічність яких не має вирішального значення. Хороша економічність П. т., Що працює з помірними окружними швидкостями при великому теплопаденіі, досягається застосуванням ступенів тиску.

Якщо розділити перепад тиску на декілька рівнів з рівними перепадами тепла, то в цих щаблях швидкість витікання (в м / сек) дорівнює:

,

де z - число ступенів. Отже, в кожному ступені швидкість буде в разів менше, ніж в одноступінчастої П. т. Відповідно нижче буде і оптимальна окружна швидкість u, тобто частота обертання ротора.

Корпус П. т. З декількома ступенями тиску поділяють діафрагмами на окремі камери, в кожній з яких поміщений один з дисків з робочими лопатками (рис. 1). Пар може проникати з однієї камери в іншу тільки через сопла, розташовані по колу діафрагм. Тиск пара знижується після кожного ступеня, а швидкості витікання пари c 1 залишаються приблизно однаковими, що досягається вибором відповідних розмірів сопел. Число ступенів тиску у потужних турбін з високими початковими параметрами пари досягає 30-40. Оскільки обсяг пара в міру його розширення збільшується, перетину сопів і висоти лопаток зростають від першого ступеня до останньої. Останні рівні потужних П. т. Зазвичай виконують здвоєними, а у найбільших П. т. - строєними і навіть счетверённимі зважаючи неприйнятно великих розмірів лопаток останніх ступенів, які були б необхідні для пропуску всього об'єму пари через 1 щабель.

У ступені тиску можливо використовувати кінетичну енергію не в одному, а в декількох вінцях лопаток, застосувавши ступені швидкості. Для цього на ободі диска розміщують 2 (рідко 3) вінця робочих лопаток, між якими встановлено вінець нерухомих направляючих лопаток. Пар з тиском p 0 підводиться до сопел (рис. 2) і зі швидкістю c 1 надходить на перший ряд робочих лопаток, де його швидкісний натиск частково перетворюється в роботу, а напрямок потоку змінюється. Вийшовши зі швидкістю c 2 з першого ряду робочих лопаток, пара проходить через напрямні лопатки і, знову змінивши напрям, входить в другий ряд лопаток зі швидкістю c'1, дещо меншою, ніж c 2, внаслідок втрат в направляючих лопатках. Другий ряд лопаток пар покидає з незначною швидкістю c '2.

Теоретично при 2 ступенях швидкості оптимальна окружна швидкість u буде в 2 рази менше, ніж для одновенечной ступені, що використовує той же перепад ентальпії. Для z ступенів швидкості оптимальна . Однак багато ступенів швидкості практично не застосовують через великі втрат в лопатках. Найбільш поширеним типом турбіни можна вважати активну П. т. З одним двухвенечним диском в першому ступені тиску і одновенечнимі дисками в інших щаблях. Значення двухвенечного диска в тому, що, використовуючи значну частину наявного перепаду ентальпії в першій ступені тиску, він дозволяє знизити температуру і тиск в корпусі П. т. І одночасно зменшити потрібне число ступенів тиску, тобто укоротити і здешевити П. т.

Характерною особливістю реактивних П. т. Є те, що розширення пара відбувається у них в каналах нерухомих і рухомих лопаток вінців, тобто як в соплах, так і на робочих лопатках. Ставлення припадає на частку робочих лопаток частини наявного адіабатичного перепаду ентальпії h 2 до загального адіабатичного перепаду ступені h 0 = h 1 + h 2 (де h 1 - теплопаденіе в направляючих лопатках) називається ступенем реактивності .

якщо , То таку турбіну прийнято називати реактивної. У чисто активної турбіни повинно б бути r = 0, але практично активні турбіни завжди працюють з невеликим ступенем реактивності, вищої в останніх щаблях. Це дає деяке підвищення ккд, особливо на режимах, відмінних від розрахункового.

Вінці робочих лопаток реактивною П. т. Встановлюють в пазах ротора барабанного типу. У проміжках між ними розміщують вінці нерухомих направляючих лопаток, закріплених в корпусі турбіни і утворюють соплові канали. Профілі рухомих і нерухомих лопаток зазвичай однакові. Свіжий пар надходить в кільцеву камеру (рис. 3), звідки йде в перший ряд нерухомих лопаток. У междулопаточних каналах цього ряду пар розширюється, тиск його декілька знижується, а швидкість зростає від c 0 до c 1. Потім пара потрапляє в перший ряд робочих лопаток. Між ними пар також розширюється і його відносна швидкість зростає. Однак абсолютна швидкість c 2 на виході з робочих лопаток буде менше c 1, так як за рахунок зменшення кінетичної енергії отримана механічна робота. У наступних щаблях процес повторюється. Для зменшення витоків пари через зазори між лопатками, ротором і корпусом П. т. Перепад тисків ділять на велике число (до 100) ступенів, завдяки чому різниця тисків між суміжними ступенями виходить невеликий.

В СРСР не будують стаціонарних реактивних П. т., Але окремі зарубіжні фірми традиційно продовжують випускати П. т. З активною частиною високого тиску і подальшими реактивними ступенями.

Конструкція парових турбін. У напрямку руху потоку пара розрізняють аксіальні П. т., У якіх потік парі рухається уздовж осі турбіни, и радіальні П. т., Напрям потоку парі в якіх перпендикулярно, а робочі лопатки розташовані паралельно осі Обертаном. В СРСР будують лишь аксіальні П. т. По числу корпусів (ціліндрів) П. т. Підрозділяють на однокорпусні и 2-3, Рідко 4-корпусні. Багатокорпусний конструкція (рис. 4) дозволяє використовуват Великі наявні Перепаді ентальпії, розмістівші велосипеді число ступенів тиску, застосуваті вісокоякісні метали в части високого тиску и роздвоєння потоку пари в части низьких тиску; Проти така П. т. Вихід дорожча, важка и складаний. За кількістю валів розрізняють одновальні П. т., У яких вали всіх корпусів знаходяться на одній осі, і 2-, рідко 3-вальні, що складаються з 2 або 3 паралельно розміщених одновальних П. т., Пов'язаних спільністю теплового процесу, а у суднових П. т.- також загальної зубчастої передачею (редуктором).

Нерухому частину П. т. - корпус - виконують рознімної в горизонтальній площині для можливості монтажу ротора. У корпусі є виточки для установки діафрагм, роз'єм яких збігається з площиною роз'єму корпусу. По периферії діафрагм розміщені соплові канали, утворені криволінійними лопатками, залитими в тіло діафрагм або привареними до нього. У місцях проходу вала крізь стінки корпусу встановлені кінцеві ущільнення лабіринтового типу для попередження витоків пари назовні (з боку високого тиску) і засмоктування повітря в корпус (з боку низького). Лабіринтові ущільнення встановлюють в місцях проходу ротора крізь діафрагми щоб уникнути перетоків пари з рівня в рівень в обхід сопів. На передньому кінці вала встановлюють граничний регулятор (регулятор безпеки), автоматично зупиняє П. т. При збільшенні частоти обертання на 10-12% понад номінальну. Задній кінець ротора забезпечують валоповоротного пристроєм з електричним приводом для повільного (4-6 об / хв) провертання ротора після зупинки П. т., Що необхідно для рівномірного його охолодження.

Літ .: Лосєв С. М., Парові турбіни і конденсаційні пристрої. Теорія, конструкції та експлуатація, 10 вид., М. - Л., 1964; Щегляєв А. В., Парові турбіни. Теорія теплового процесу і конструкції турбін, 4 видавництва., М. - Л., 1967.

С. М. Лосєв.

Мал. 2. Схематичний розріз активної турбіни з двома ступенями швидкості: 1 - вал; 2 - диск; 3 - перший ряд робочих лопаток; 4 - сопло; 5 - корпус; 6 - другий ряд робочих лопаток; 7 - напрямні лопатки.

Мал. 4. Двокорпусна парова турбіна (із знятими кришками): 1 - корпус високого тиску; 2 - Лабірінтовий ущільнення; 3 - колесо Кертіса; 4 - ротор високого тиску; 5 - сполучна муфта; 6 - ротор низького тиску; 7 - корпус низького тиску.

Мал. 3. Схематичний розріз невеликої реактивної турбіни: 1 - кільцева камера свіжої пари; 2 - розвантажувальний поршень; 3 - з'єднувальний паропровід; 4 - барабан ротора; 5, 8 - робочі лопатки; 6, 9 - напрямні лопатки; 7 - корпус.

Мал. 1. Схематичний поздовжній розріз активної турбіни з трьома ступенями тиску: 1 - кільцева камера свіжої пари; 2 - сопла першого ступеня; 3 - робочі лопатки першого ступеня; 4 - сопла другого ступеня; 5 - робочі лопатки другого ступеня; 6 - сопла третього ступеня; 7 - робочі лопатки третього ступеня.