§ 22. Главные судовые паровые и газовые турбины, принцип их действия и устройство
Паровые турбины. Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и постоянной скоростью вращения. Рабочим веществом в паровой турбине является водяной перегретый пар, поступающий из парового котла. Насыщенный влажный пар в турбинных установках не применяется, поскольку он вызывает быстрый износ деталей турбин и создает добавочные потери мощности установки.
Наличие в турбине только вращающихся частей, постоянство процесса работы пара и тепловых напряжений в ее основных узлах даже при перемене хода судна, выгодно отличают турбину от энергетических установок с поступательно движущимися частями (паровая машина, двигатель внутреннего сгорания). О недостатках паротурбинных энергетических установок, ограничивающих их широкое применение на морских судах, было сказано в § 17.
Сущность действия паровых турбин заключается в следующем. Свежий пар, поступающий от котлов по паропроводу к турбине, имеет определенный запас потенциальной энергии, которая последовательно превращается в механическую работу вращения подвижной части турбины — ротора. Турбины разделяют на активные и реактивные в зависимости от последовательности преобразования энергии пара на их рабочих органах.
Принцип действия простейшей активной турбины можно пояснить рис. 62. Пар поступает в турбину через специальные устройства — направляющие аппараты, называемые соплами (или насадками). Сопла представляют собой детали, неподвижно закрепленные в корпусе турбины и имеющие внутри постепенно расширяющиеся каналы круглого или прямоугольного поперечного сечения. Давление пара, протекающего вдоль сопловых каналов, постепенно падает от начального на входе до установившегося за выходным сечением сопла. Вследствие понижения давления пар расширяется, что требует затраты некоторой части его потенциальной энергии. Согласно закону сохранения энергии, затраченная потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию паровой струи. Выходящая из сопла 1 паровая струя с большой скоростью направляется в криволинейные каналы рабочих лопаток 2, установленных на ободе подвижного диска (ротора) 4 турбины. Под воздействием паровой струи, движущейся между лопатками, диск 4 вместе с валом 5, свободно лежащим в подшипниках 3, начинает вращаться. На вращение ротора, т. е. на создание механической работы, расходуется большая часть кинетической энергии пара.
Рис. 62. Принцип действия простейшей активной турбины.
Таким образом, в активной паровой турбине происходит двойное преобразование энергии, а именно: потенциальной энергии пара в кинетическую энергию паровой струи и кинетической энергии — в механическую энергию вращения ротора турбины. Изображенную на рис. 62 простейшую активную турбину называют также одноступенчатой. Ступенью в турбине принято называть совокупность одного направляющего аппарата (сопел) и одного венда рабочих лопаток, расположенных соответственно по окружности в корпусе турбины и на ее подвижном диске (роторе).
В одноступенчатой активной турбине по мере превращения части кинетической энергии в механическую работу вращения диска скорость пара на рабочих лопатках уменьшается, оставаясь все же довольно высокой на выходе из них. Пар, отработавший на лопатках турбины, уходит из корпуса по трубопроводу, унося значительную часть кинетической энергии, что приводит к понижению к. п. д. турбины. Вследствие низкого к. п. д., а также невозможности практического использования большой частоты вращения (до 20 000—25 000 об/мин) ротора активные одноступенчатые турбины не нашли применения в судовых энергетических установках.
Получение высоких к. п. д. активных турбин при сравнительно умеренной частоте вращения ротора может быть достигнуто одним из двух способов устройства турбин: со ступенями скорости; со ступенями давления.
Турбины со ступенями скорости устроены так, что кинетическая энергия паровой струи преобразуется в механическую работу не на одном венце рабочих лопаток, а на двух или трех венцах, укрепленных на одном ободе диска. Между венцами рабочих лопаток расположены ряды направляющих лопаток, закрепленных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса турбины. Направляющие лопатки служат только для изменения направления струи пара перед входом на следующий ряд рабочих лопаток. Расширения пара в направляющих лопатках не происходит, поэтому его давление в полости турбины остается постоянным. В то же время скорость пара постепенно понижается, так как часть его кинетической энергии используется на каждом венце рабочих лопаток. Однако увеличение числа ступеней скорости приводит к увеличению потерь энергии пара как на рабочих, так и на направляющих лопатках, что снижает к. п. д. турбины. Поэтому в судовых энергетических установках применяют, как правило, активные турбины с числом ступеней скорости не более четырех.
Принцип устройства турбин со ступенями давления заключается в том, что давление пара понижается не сразу, а постепенно на каждой ступени турбины. Каждая из ступеней работает как одноступенчатая активная турбина, но перерабатывает только небольшую часть общей энергии пара. Очевидно, общая работа пара в турбине будет равна сумме работ на окружности каждой ступени.
Схема активной турбины со ступенями давления изображена на рис. 63. Здесь же помещена диаграмма распределения давления и скорости пара по ступеням турбины. Из диаграммы видно, что в соплах каждой ступени происходит падение давления пара, сопровождающееся возрастанием его скорости. На рабочих лопатках ступеней часть кинетической энергии пара преобразуется в механическую работу вращения дисков 7, закрепленных на валу 6 турбины. Этот процесс сопровождается падением абсолютной скорости пара на рабочих лопатках каждой ступени. Пар поступает в турбину через впускной патрубок 1 и через направляющий аппарат (сопла) 2 попадает на рабочие лопатки 3 первой ступени. Для разделения турбины на ступени применяют массивные стальные или чугунные перегородки 4 и 5, называемые диафрагмами, в которых по всей окружности или на некоторой ее части закреплены сопла второй и третьей ступеней.
Рис. 63. Схема активной турбины со ступенями давления (а) и диаграмма распределения скорости и давления пара в этой турбине (б).
Использование выходной скорости пара в турбине со ступенями давления обеспечивает ей несомненные преимущества перед турбинами других видов. Она становится более экономичной, значительно повышается (до 0,82—0,83) ее к. п. д., уменьшается расход пара на единицу мощности. Однако увеличение числа ступеней давления более пяти — семи нецелесообразно, так как при этом повышаются вес и габариты турбины, усложняется ее конструкция, увеличиваются прогибы вала, что требует увеличения его диаметра, повышаются потери тепла при протекании пара через зазоры у вала ротора в местах его прохода через диафрагмы, снижается к. п. д. турбины за счет потерь тепла.
В судовых энергетических установках активные турбины нашли широкое применение. Турбины со ступенями скорости используют в качестве первичных двигателей для судовых турбовентиляторов, питательных, нефтяных, пожарных, циркуляционных и конденсатных насосов, а также генераторов электроэнергии небольшой мощности. Турбины со ступенями давления применяют в качестве самостоятельных ступеней в главных судовых турбинах большой мощности, главным образом в области высоких и средних давлений пара, а также как первичные двигатели для мощных турбогенераторов (от 300 квт и более) судовых электростанций.
Реактивный принцип работы пара в турбине подобен принципу действия газовой струи, вытекающей с большой скоростью из сопловых камер ракет или реактивных самолетов. В турбине роль такой струи выполняет струя пара, выходящая из каналов между
рабочими лопатками. Форма этих каналов дает возможность пару расширяться в них так же, как в направляющем аппарате активных турбин.
Каждая реактивная ступень турбины представляет собой сочетание двух рядов (венцов) лопаток: направляющего и рабочего. Обычно направляющие и рабочие лопатки выполняются одинакового профиля. Направляющие лопатки 1 (рис. 64, а) крепятся неподвижно в канавках корпуса турбины со стороны впуска пара. Рабочие лопатки 2 располагаются за направляющими и крепятся в канавках пустотелого ротора (барабанного типа). Изображенная на рис. 64,6 диаграмма изменения параметров пара в реактивной ступени показывает, что давление пара р1 перед направляющими лопатками 1 выше, чем перед рабочими, т. е. p1>p' а давление пара перед рабочими лопатками 2 выше, чем за ними, т. е. р'>р2. Скорость пара увеличивается от с0 до с1 в направляющих лопатках и снижается от с1 до с2 на рабочих лопатках, но так, что с2>с0. Такой характер изменения параметров пара обусловлен формой сечений каналов между рабочими и направляющими лопатками, изображенными на рис. 64, б.
На входе пара у направляющих и рабочих лопаток междулопаточные каналы имеют более широкое сечение, чем на выходе. Ввиду сужения выходных сечений каналов происходит падение давления пара на каждом ряде лопаток, что в свою очередь вызывает расширение пара и увеличение его скорости в выходном сечении. Таким образом, в реактивной турбине неподвижные направляющие лопатки (НЛ) выполняют роль сопел, поэтому пар, выходя из них, активно воздействует на рабочие лопатки (РЛ) каждой ступени. В криволинейных каналах рабочих лопаток вследствие падения давления пар продолжает расширяться и при истечении из них со скоростью с2 (рис. 64, а) оказывает также реактивное воздействие на вогнутую поверхность каждой лопатки. Совместное активное и реактивное воздействие пара на рабочие лопатки заставляет ротор турбины вращаться с определенной окружной скоростью.
Рис. 64. Диаграмма изменения параметров пара в реактивной ступени (а), профили рабочих и направляющих лопаток (б).
Наряду с этим при расширении пара в каналах рабочих лопаток возникает осевое давление на каждый рабочий венец. Возникновение осевого давления, обусловленного разностью давлений пара перед рабочими лопатками и за ними, является недостатком реактивной турбины и в то же время обязательным условием ее работы. Для восприятия суммарных усилий (порядка нескольких тонн для многоступенчатой реактивной турбины), направленных вдоль оси ротора, понадобились бы упорные подшипники огромных размеров. Практически разгрузка роторов турбин от осевых усилий осуществляется двумя способами: устройством разгрузочного поршня, или думмиса (рис. 65, а), и уравновешиванием ротора впуском пара (рис. 65,6). Думмис 1 имеет значительно больший диаметр, чем барабан ротора, поэтому давление рд свежего пара на его торцевую поверхность будет направлено противоположно осевому усилию рр ротора. При соответствующем подборе размеров думмиса это усилие будет уравновешено.
Рис. 65. Схемы разгрузки ротора реактивной турбины от осевых усилий.
1 — думмис; 2— входной патрубок; 3 — направляющие лопатки; 4 — рабочие лопатки; 5 — выходной патрубок; 6 — вал ротора; 7 — корпус турбины.
Таким образом, реактивные турбины отличаются от активных тем, что расширение пара происходит не только в направляющем аппарате (в данном случае в направляющих лопатках), но и в каналах между рабочими лопатками; профиль рабочих лопаток не имеет симметричной формы (сравните рис. 63, б и рис. 64, б); отсутствуют диски на валу ротора, ротор обычно пустотелый барабанного типа; осуществляется двусторонний впуск пара на реактивные ступени или применяется думмис на барабане ротора.
Вследствие понижения давления пара в каждой реактивной ступени их можно рассматривать как ступени давления. Кроме того, в реактивной турбине используют и активное действие пара, поэтому судовые паровые турбины, условно называемые реактивными, по существу являются полуреактивными. В реактивных турбинах выполняют не менее пяти-шести ступеней, так как при меньшем числе ступеней создаются высокие окружные скорости, недопустимые по условиям прочности применяемых материалов.