Устройство паровых и газовых турбин

Паровые и газовые турбины, установленные на судне, делятся на главные, работающие на гребной вал, и вспомогательные, приводящие в действие какой-либо вспомогательный механизм (насос, вентилятор, электрогенератор и т. д.). Главные паротурбинные установки выполняют в виде сложных агрегатов, состоящих из двух-трех корпусов турбин: высокого давления (ТВД), среднего давления (ТСД), а также турбин заднего хода (ТЗХ). Последние устанавливают для обеспечения маневрирования судна и располагают в отдельных корпусах или в одном корпусе вместе со ступенями переднего хода (обычно в ТСД или ТНД).

На рис. 68 показан профильный разрез одной из турбин турбоагрегата — турбины среднего давления активного типа. Турбина состоит из двух основных частей: неподвижной статора и вращающейся, подвижной — ротора. К статору относятся наиболее крупные и ответственные узлы турбины: корпус (обычно разъемный), опорные и упорные подшипники, стулья подшипников, диафрагмы, лабиринтовые уплотнения, арматура, а также теплоизоляция, обшивка и др.

Корпус турбины представляет собой полый тонкостенный металлический (стальной или реже чугунный) цилиндр сложной конфигурации, предназначенный для установки в нем ротора и крепления к нему других неподвижных узлов и деталей. Каждый корпус главной судовой турбины имеет горизонтальный разъем, необходимый для вскрытия корпуса турбины, укладки и подъема ротора при сборке и ремонте. Кроме горизонтального, корпус турбины часто имеет вертикальные разъемы, которые значительно упрощают технологию отливки деталей корпуса.

Такой корпус с одним горизонтальным и двумя вертикальными разъемами показан на рис. 68. Он состоит из верхних 11, 5 и нижних 18, 23 носовых частей, носового 17 и кормового 24 стульев подшипников, отлитых заодно с нижними частями корпуса и предназначенных для крепления турбины к судовому фундаменту. В носовых частях корпуса располагается двухступенчатая активная турбина заднего хода, пар для которой подается в кольцевую полость 12, затем поступает в сопла диафрагмы 10, а из сопел — на рабочие лопатки дисков турбины. Шесть ступеней активной турбины переднего хода располагаются в кормовых частях корпуса. Пар для этих ступеней подается в кольцевое пространство 22, оттуда поступает в сопла 4 первой ступени, а затем через сопла диафрагмы 19 на рабочие лопатки 6 дисков 7 ротора турбины. Совокупность направляющих аппаратов (сопел) и рабочих лопаток образует проточную часть турбины.

Рис. 68. Паровая турбина среднего давления (ТСД)

При работе турбины переднего хода свежий пар на ступени турбины заднего хода не подается, поэтому часть механической работы вращения ротора турбины затрачивается на бесполезное вращение дисков ТЗХ, что снижает общий к. п. д. турбинной установки. Пар, отработавший в ступенях ТПХ (или ТЗХ), выходит в среднюю полость 20 турбины и через патрубок 21 поступает в конденсатор.

Диафрагмы 10 и 19 представляют собой стальные сварные или чугунные диски, которые крепят в кольцевых выточках корпуса турбины. Диафрагмы по назначению и расположению в турбине делятся на промежуточные и разделяющие. Промежуточные диафрагмы служат для разделения внутренней полости корпуса турбины на отдельные камеры (ступени) с различным давлением пара. Каждая такая диафрагма имеет в центре отверстие для прохода вала ротора, а на периферии — сопла, расположенные либо по всей окружности диафрагмы, либо только на части ее. Разделяющие диафрагмы предназначены для разделения ступеней переднего и заднего хода, расположенных в одном корпусе. Такие диафрагмы выполняются глухими и не имеют сопел (на рис. 68 разделяющих диафрагм нет).

В местах выхода вала из корпуса турбины, а также в местах его прохода через промежуточные и разделяющие диафрагмы расположены специальные уплотнения, препятствующие утечке пара из турбины наружу и из одной ступени в другую. В первом случае уплотнение называется наружным 3, во втором случае — внутренним 8. В главных судовых турбинах применяют различные металлические лабиринтовые уплотнения (радиальные, осевые, радиально-осевые, елочные и др.), а в турбинах вспомогательных механизмов — угольные. В реактивных турбинах имеются в основном наружные уплотнения, а внутренние выполняют только в том месте корпуса, где располагается разгрузочный поршень (думмис), или в том случае, когда в корпусе реактивной турбины имеются регулировочные ступени активного типа.

В состав статора входят также опорные и упорный подшипники. Опорный подшипник 14 и упорный 16 располагаются в носовом стуле 17, а опорный подшипник 2 — в кормовом стуле 24 корпуса турбины. Опорные подшипники предназначены для восприятия веса ротора и радиальных усилий, возникающих при работе пара в турбине, при качке судна и т. д., а также для обеспечения центровки ротора относительно корпуса турбины и уменьшения трения при вращении ротора. Упорный подшипник служит для восприятия неуравновешенных осевых сдал, действующих на ротор, и для удержания его в определенном положении относительно корпуса турбины.

Подвижная часть турбины — ротор — состоит из вала 9, жестко посаженных на него дисков 7 с рабочими лопатками 6, деталей крепления лопаток и дисков между собой и с валом, думмиса (только у реактивных турбин), упорного гребня 15, маслоотбойных колец 13 (если выполняются как отдельные детали) и соединительной муфты 1, предназначенной для соединения валов ротора и редуктора. По способу изготовления роторы бывают цельноковаными и составными, а по конструкции подразделяются на дисковые, барабанные и роторы смешанной конструкции. Ротор барабанного типа показан на рис. 69.

Рис. 69. Конструкция составного барабанного ротора реактивной турбины.

1 — полый барабан с диском регулировочной ступени; 2 — думмис; 3, 4 — шпильки с гайками; 5 — вал; 6 — маслоотбойные гребни; 7 — центровочные штифты.

Паровые турбины как привод к вспомогательным механизмам выполняют только однокорпусными, в основном активного типа.

По устройству они более простые, чем главные турбины, но имеют те же основные узлы.

Газовые турбины отличаются от паровых конструктивным исполнением корпуса, рабочих и направляющих лопаток. На рис. 70 показан продольный разрез газовой турбины судна «Павлин Виноградов». В состав статора турбины входят: корпус 8, опорные подшипники 12 и 6, упорный подшипник 4, направляющие лопатки переднего хода 2 и заднего хода 11, уплотнения 3 ротора и другие мелкие детали. Ротор состоит из вала 5, дисков ротора с рабочими лопатками переднего хода 1 и заднего хода 10, упорного гребня маслоотбойных колец и других деталей. Диски напрессовываются на вал ротора и составляют шесть ступеней давления ИХ и две ступени давления ЗХ. На ступени давления ПХ газ подают через патрубок 7 и кольцевое пространство А, откуда он через направляющие аппараты поступает на рабочие лопатки. Отработавший газ направляется через выходное пространство В в генератор, а затем в дымовую трубу. При работе ступеней ЗХ газ через патрубок 9 поступает в кольцевое пространство Б и, совершив работу на рабочих лопатках 10 турбины ЗХ, идет в выходное пространство В.

Рис. 70. Продольный разрез газовой турбины.

Вследствие значительного нагрева горячими газами деталей газовой турбины многие из них охлаждают воздухом или водой. Охлаждение водой более целесообразно, чем охлаждение воздухом, и производится в основном тремя способами: принудительной циркуляцией жидкости; естественной циркуляцией жидкости; впрыском распыленной воды на наружные поверхности рабочих лопаток.

Широко применяют в судовых энергетических установках и вспомогательные газовые турбины, например турбины наддувочных насосов у форсированных четырехтактных дизелей и т. д.