Принцип действия судовых паровых турбин
Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и постоянной частотой вращения. Рабочим телом в паровой турбине является водяной перегретый пар, поступающий из парогенератора.
Принцип действия паровой турбины (рис. 44) заключается в следующем. Свежий пар, поступающий из парогенератора по трубопроводу, направляется на неподвижные направляющие сопла 1, имея определенный запас потенциальной энергии. Вытекая из сопла, пар расширяется и, так как давление его уменьшается, приобретает большую скорость. С этой скоростью пар поступает на рабочие лопатки 2, расположенные на цилиндрической части колеса или диска 3, закрепленного на валу 4 турбины. Струя пара, вытекающего из сопла, создавая давление на рабочие лопатки, заставляет колесо турбины вместе с валом вращаться и совершать механическую работу.
Рис. 44. Схема действия паровой турбины.
Таким образом, в паровой турбине происходит двойное превращение энергии: первоначально тепловая энергия пара в направляющем аппарате превращается в кинетическую энергию.
Кинетической называется энергия движения тела; в нашем случае этим телом является пар. Кинетическая энергия пара на лопатках турбины превращается в механическую работу вращения ротора.
В зависимости от способа преобразования энергии пара на рабочих лопатках турбины разделяются на активные и реактивные. В активных турбинах пар расширяется только в направляющих аппаратах (соплах), а на рабочих лопатках используется лишь кинетическая энергия пара. В реактивных турбинах расширение пара происходит как в направляющем аппарате (соплах), так и на рабочих лопатках.
На рис. 45 показана схема активной паровой одноступенчатой турбины, у которой ротор состоит из вала 1 и диска 3 с рабочими лопатками 4. В переднее днище корпуса 2 турбины вставлены одно или несколько сопел 5, к которым подводится пар. Сопла и лопатки, по которым протекает пар, называются проточной частью турбины. Оси сопел расположены под небольшим углом а (рис. 45, б) к направлению вращения лопаток, представляющих собой изогнутые в виде желоба пластины с утолщением к середине (см. нижнюю правую часть рис. 45, б). На рис. 45, а (вверху) показана диаграмма изменения давления р и скорости с пара в различных местах проточной части турбины. Из диаграммы видно, что пар подходит к соплам с начальным давлением р0; при расширении пара в соплах давление его уменьшается до р1 и остается постоянным на лопатках и в корпусе до выхода из турбины. Скорость пара до сопел свх вследствие расширения пара при протекании его по соплам увеличивается до с1. С этой скоростью пар поступает в образованные рабочими лопатками криволинейные каналы. Изменение направления течения пара вызывает возникновение на рабочих лопатках силы, вращающей ротор. Вследствие преобразования части кинетической энергии пара в механическую работу, а также затраты части энергии на преодоление вредных сопротивлений скорость пара с1 по мере протекания его по рабочим лопаткам постепенно уменьшается до с2. С этой скоростью пар и оставляет рабочие лопатки.
Рис. 45. Схема активной одноступенчатой паровой турбины.
Таким образом, основные характерные особенности активной турбины заключаются в следующем:
— увеличение скорости пара происходит только в сопле или в направляющем аппарате благодаря их особой форме;
— при выходе из сопла пар с большой скоростью протекает по криволинейным каналам между рабочими лопатками колеса; скорость его при этом уменьшается, а давление остается неизменным вследствие того, что каналы имеют постоянное сечение и пар в них не расширяется. Следовательно, в активной турбине давление пара при входе на рабочие лопатки и выходе с них одинаково.
Активные турбины легко отличить от реактивных по профилю рабочих лопаток (рис. 46).
Рис. 46. Профиль рабочих и направляющих лопаток активной турбины.
Рис. 47. Профиль рабочих и направляющих лопаток реактивной турбины.
В реактивных турбинах форма каналов между рабочими лопатками (рис. 47) дает возможность пару расширяться не только в направляющих аппаратах (соплах), но и при проходе через эти каналы. Сечение каналов между рабочими лопатками в реактивных турбинах различное: на выходе пара оно меньше, чем на входе. Поэтому скорость пара на выходе из рабочих лопаток получается большей, чем на входе, вследствие чего возникает реактивная сила, действующая на лопатки в сторону, противоположную движению струи пара, выходящей с лопаток.
Таким образом, реактивная турбина характеризуется следующими особенностями:
— расширение пара происходит не только в соплах, но и на рабочих лопатках;
— входные сечения каналов между рабочими лопатками больше, чем на выходе.
Для наиболее выгодного и удобного использования энергии пара при относительно небольшой частоте вращения делают турбины с многодисковыми роторами, у которых каждый отдельный диск ротора работает на определенном давлении или скорости пара. Такие многоступенчатые турбины делятся на турбины со ступенями давления и со ступенями скорости.
Турбины со ступенями скорости бывают только активные, а турбины со ступенями давления — и активные и реактивные. Название «турбина со ступенями скорости» объясняется ступенчатым понижением скорости пара на рабочих лопатках. Число ступеней скорости определяется по числу венцов рабочих лопаток, в которых происходит превращение кинетической энергии в механическую работу. Турбины со ступенями скорости применяют в качестве двигателей для вспомогательных механизмов, а также в качестве регулировочной ступени главной турбины. Назначение регулировочной ступени заключается в том, чтобы количественно регулировать впуск пара в турбину и наиболее полно использовать его тепловую энергию в начале проточной части турбины с целью получения более высокого КПД. Регулирование впуска пара производится при помощи нескольких групп сопел, каждая из которых имеет сопловые клапаны.
В турбинах со ступенями давления пар не имеет возможности расширяться в одном направляющем аппарате от начального до конечного давления; этот перепад давления разделен на несколько частей по числу ступеней давления. При этом преобразование давления пара в скорость происходит последовательно в нескольких направляющих аппаратах, разделенных рабочими колесами. Таким образом, турбина со ступенями давления как бы состоит из нескольких элементарных (простых) турбин, каждая из которых в свою очередь состоит из неподвижных направляющих аппаратов и подвижных рабочих колес.