Что такое паровая турбина: ПАРОВАЯ ТУРБИНА Большая российская энциклопедия

Паровая турбина — это… Что такое Паровая турбина?

        первичный паровой двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора и непрерывным рабочим процессом; служит для преобразования тепловой энергии пара водяного (См. Пар водяной) в механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины (См. Паровая машина), П. т. использует не потенциальную, а кинетическую 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 конце 19 в., когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, К. Г. П. Лаваль (Швеция) и Ч. А. Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга в 1884—89 создали промышленно пригодные П. т. Лаваль применил расширение пара в конических 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 название активных П. т. Парсонс создал многоступенчатую реактивную П. т., в которой 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 электрического 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 вспомогательных механизмов. Активные П. т. развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых 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 некоторое время применялась (в основном на военных кораблях), но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным П. т., у которых 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 основные группы: чисто конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

         Чисто конденсационные П. т. служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую 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)— основное оборудование конденсационных электростанций (См. Конденсационная электростанция). Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже стоимость 1 квт установленной мощности. Поэтому мощность П. т. растет из года в год и к 1974 достигла 1200 Мвт в агрегате [при давлении свежего пара до 35 Мн/м² (1 нlm² =10^-5кгс/см²) и температуре до 650 °С]. Принятая в СССР частота электрического тока 50 гц требует, чтобы частота вращения П. т., непосредственно соединённой с двухполюсным генератором, равнялась 3000 об/мин. В зависимости от назначения П. т. для электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную 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 (около 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 вспомогательных 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 электрической 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 технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой П. т., зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной П. т. или электросетью, которые 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 отопительную систему. Давление пара П. т. для отопительных целей обычно составляет 0,12 Мн/м², а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5—1,5 Мн/м².

         П. т. специального назначения обычно работают на отбросном тепле металлургических, машиностроительных, и химических 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 которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции П. т.

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

         Все стационарные П. т. имеют нерегулируемые отборы пара из 2—5 ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. В СССР установлено 4 ступени начальных параметров пара: давление 3,5 Мн/м², температура 435 °С для П. т. мощностью до 12 Мвт; 9 Мн/м², 535 °С для П. т. до 50 Мвт; 13 Мн/м², 565 °С для П. т. до 100 Мвт и 24 Мн/м², 565 °С 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. Кинетическая энергия, приобретённая паром при его расширении, эквивалентна уменьшению его энтальпии в процессе расширения. Работа пара (в кгс․м, 1 кгс․м = 10 дж) равна:

         W= 427(i₀ — i₁),

        а скорость истечения (в м /сек):

        ,

         где i₀ — начальная, a i₁ — конечная энтальпия пара. Мощность (в квт), которую можно получить от турбины при расходе пара D кг/ч, равна:

         а расход пара (в кг/ч) соответственно

         Если под i₀ — i₁ подразумевается адиабатическое изменение энтальпии, то вышесказанное справедливо только для идеальной П. т., работающей без потерь. Действительная мощность на валу реальной П. т. (в квт) равна:

         где η_ое — относительно эффективный кпд, представляющий собой отношение действительной мощности, полученной на валу П. т., к мощности идеальной турбины.

        ‘,

         где d_e — расход пара в кг/(квт․ч). Для существующих П. т. удельный расход пара определяется экспериментально, а i₀ — i₁ находят по i—s диаграмме (см. Энтропия, Энтальпия). В активной П. т. свежий пар с давлением p₀ и скоростью c_{0поступает в сопло и расширяется в нём до давления p1, при этом скорость пара возрастает до c1, с которой 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 c2меньшую, чем c1, так как значительная часть кинетической энергии преобразовалась в механическую энергию вращения вала. Давление p1 на входе в канал равно давлению p2 на выходе из него, так как 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, так как 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. Таким образом, в активной турбине падение давления пара происходит в сопле (или нескольких соплах), а давление пара при входе на лопатки и выходе с них одинаково.}

         Кинетическая энергия будет полностью использована, если абсолютная скорость пара c₂ при выходе с лопаток равна нулю. Это условие соблюдено, если c₁ = 2u, где u — окружная скорость. Окружная скорость (в м/сек) равна:

        
         где d — средний диаметр лопаточного венца в м, a n — частота вращения в мин. Следовательно, оптимальная окружная скорость лопаток должна быть          Очевидно, что в реальной турбине c₂ не может быть равна 0, т.к. пар должен уходить с лопаток в конденсатор. Однако выходную скорость стремятся получить минимальной, т.к. кинетическая энергия уходящего потока пара представляет собой потерю полезной работы. Отступление от оптимального отношения м/сек. Поэтому одноступенчатые активные турбины применяют только для привода быстроходных вспомогательных механизмов, экономичность которых 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 несколько 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 оптимальная окружная скорость u, то есть частота вращения ротора.

         Корпус П. т. с несколькими ступенями давления разделяют диафрагмами на отдельные камеры, в каждой из которых помещен 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 c₁ 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, которые были бы необходимы для пропуска всего объёма пара через 1 ступень.

         В ступени давления возможно использовать кинетическую 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 которыми установлен венец неподвижных направляющих лопаток. Пар с давлением p₀ подводится к соплам (рис. 2) и со скоростью c₁ поступает на первый ряд рабочих лопаток, где его скоростной напор частично превращается в работу, а направление потока изменяется. Выйдя со скоростью c₂ с первого ряда рабочих лопаток, пар проходит через направляющие лопатки и, снова изменив направление, входит во второй ряд лопаток со скоростью c’₁, несколько меньшей, чем c₂, вследствие потерь в направляющих лопатках. Второй ряд лопаток пар покидает с незначительной скоростью c’₂.

         Теоретически при 2 ступенях скорости оптимальная окружная скорость u будет в 2 раза меньше, чем для одновенечной ступени, использующей тот же перепад энтальпии. Для z ступеней скорости оптимальная          Характерной особенностью реактивных П. т. является то, что расширение пара происходит у них в каналах неподвижных и подвижных лопаточных венцов, то есть как в соплах, так и на рабочих лопатках. Отношение приходящейся на долю рабочих лопаток части располагаемого адиабатического перепада энтальпии h₂ к общему адиабатическому перепаду ступени h₀ = h₁ + h₂ (где h₁ — теплопадение в направляющих лопатках) называется степенью реактивности         Если

         Венцы рабочих лопаток реактивной П. т. устанавливают в пазах ротора барабанного типа. В промежутках между ними размещают венцы неподвижных направляющих лопаток, закрепленных 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 несколько понижается, а скорость возрастает от c₀ до c₁. Затем пар попадает в первый ряд рабочих лопаток. Между ними пар также расширяется и его относительная скорость возрастает. Однако абсолютная скорость c₂ на выходе с рабочих лопаток будет меньше c₁, так как 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 отдельные зарубежные фирмы традиционно продолжают выпускать П. т. с активной частью высокого давления и последующими реактивными ступенями.

         Конструкция паровых турбин. По направлению движения потока пара различают аксиальные П. т., у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные П. т., направление потока пара в которых 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 высококачественные 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 которых валы всех корпусов находятся на одной оси, и 2-, редко 3-вальные, состоящие из 2 или 3 параллельно размещенных 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 которых 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 электрическим приводом для медленного (4—6 об/мин) проворачивания ротора после останова П. т., что необходимо для равномерного его остывания.

         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.

        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.

        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.

        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.

        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.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
1969—1978.

• Паровая система земледелия
• Пароводяная смесь

Смотреть что такое «Паровая турбина» в других словарях:

• ПАРОВАЯ ТУРБИНА — турбина, в к рой потенц. энергия пара превращается в кинетич., а затем в механич. работу вращающегося вала. П. т. осн. двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Различают активные турбины и реактивные турбины. Габариты П. т. сравнительно… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

• Паровая турбина — Паровая турбина: машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую работу. Примечание Паровая турбина состоит из одного или нескольких цилиндров, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования… Источник:… …   Официальная терминология

• ПАРОВАЯ ТУРБИНА — турбина, преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (напр., на теплоэлектростанции) и транспортные (судовые). Выполняются одно и многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными… …   Большой Энциклопедический словарь

• ПАРОВАЯ ТУРБИНА — ПАРОВАЯ ТУРБИНА, ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, снабженный вращающимся ротором с лопатками, который служит для приведения в действие различных механизмов и для получения электроэнергии. см. также ТУРБИНА …   Научно-технический энциклопедический словарь

• ПАРОВАЯ ТУРБИНА — ПАРОВАЯ ТУРБИНА, преобразует тепловую энергию водяного пара при его расширении в механическую работу. Различают стационарные (например, на тепловых электростанциях) и транспортные (судовые) паровые машины, однои многокорпусные (обычно не более 4) …   Современная энциклопедия

• паровая турбина — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN vapor prime moversteam turbine …   Справочник технического переводчика

• Паровая турбина — ПАРОВАЯ ТУРБИНА, преобразует тепловую энергию водяного пара при его расширении в механическую работу. Различают стационарные (например, на тепловых электростанциях) и транспортные (судовые) паровые машины, одно и многокорпусные (обычно не более… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• Паровая турбина — Монтаж ротора паровой турбины, производства компании Siemens, Германия …   Википедия

• паровая турбина — турбина, преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (например, на ТЭС) и транспортные (судовые). Выполняются одно и многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными (валы всех… …   Энциклопедический словарь

• паровая турбина — 3.16 паровая турбина: Машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую работу. Примечание Паровая турбина состоит из одного или нескольких цилиндров, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования. Источник: ГОСТ 30848 …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Книги

• Книга юного конструктора. Том 1, Абрамов А.. В книге собраны описания различных моделей и приборов: летающие модели самолетов, фотоаппараты, фотоувеличители, кинопроекционный аппарат, электромоторы, паровыемашины, паровая турбина,… Подробнее  Купить за 1612 грн (только Украина)
• Книга юного конструктора. Том 1, Абрамов А.. В книге собраны описания различных моделей и приборов: летающие модели самолетов, фотоаппараты, фотоувеличители, кинопроекционный аппарат, электромоторы, паровые машины, паровая турбина,… Подробнее  Купить за 1433 руб
• Самодельная паровая турбина (печать по требованию), Е. Л. Букш. Воспроизведено в оригинальной авторской орфографии издания 1972 года (издательство`ДОСААФ`). В… Подробнее  Купить за 982 грн (только Украина)

Другие книги по запросу «Паровая турбина» >>

ПАРОВАЯ ТУРБИНА • Большая российская энциклопедия

ПАРОВА́Я ТУРБИ́НА, тур­би­на, в ко­то­рой в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го те­ла ис­поль­зу­ет­ся во­дя­ной пар; слу­жит для пре­об­ра­зо­ва­ния те­п­ло­вой энер­гии па­ра в ме­ха­нич. ра­бо­ту. В от­ли­чие от па­ро­вой ма­ши­ны, в П. т. ис­поль­зу­ют не по­тен­ци­аль­ную, а ки­не­тич. энер­гию па­ра. Осн. на­зна­че­ние П. т. – при­вод (пер­вич­ный дви­га­тель) для ге­не­ра­то­ров элек­трич. то­ка на те­п­ло­вых и атом­ных элек­тро­стан­ци­ях. П. т. и элек­тро­ге­не­ра­тор со­став­ля­ют тур­бо­агре­гат.

Конструкция паровых турбин

Схематический продольный разрез активной паровой турбины с тремя ступенями давления: 1 – кольцевая камера свежего пара; 2 – сопла первой ступени; 3 – лопатки первой ступени; 4 – сопла второй ступени; …

П. т. со­сто­ит из двух осн. час­тей – ро­то­ра с ло­пат­ка­ми (под­виж­ная часть тур­би­ны) и ста­то­ра с со­пла­ми (не­под­виж­ная часть). По­ток па­ра, об­ра­зую­щий­ся в па­ро­вом кот­ле, под вы­со­ким дав­ле­ни­ем по­сту­па­ет че­рез на­прав­ляю­щие (ста­тор с со­пла­ми) на кри­во­ли­ней­ные ло­пат­ки тур­би­ны, за­кре­п­лён­ные по ок­руж­но­сти ро­то­ра, и, воз­дей­ст­вуя на них, при­во­дит ро­тор, за­кре­п­лён­ный на од­ном ва­лу с элек­тро­гене­ра­то­ром, во вра­ще­ние (про­ис­хо­дит пре­об­ра­зо­ва­ние те­п­ло­вой энер­гии па­ра в ме­ха­нич. ра­бо­ту). Ка­ж­дый ряд на­прав­ляю­щих и ло­па­ток на­зы­ва­ет­ся сту­пе­нью тур­би­ны (как пра­ви­ло, П. т. име­ет неск. сту­пе­ней). Кор­пус П. т. с не­сколь­ки­ми сту­пе­ня­ми дав­ле­ния раз­де­ля­ют диа­фраг­ма­ми на отд. ка­ме­ры, в ка­ж­дой из ко­то­рых по­ме­щён один из дис­ков с ло­пат­ка­ми (рис.). 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 ос­та­ют­ся при­мер­но оди­на­ко­вы­ми, что дос­ти­га­ет­ся вы­бо­ром со­от­вет­ст­вую­щих раз­ме­ров со­пел.

Ро­то­ры П. т., пред­на­зна­чен­ные для при­во­да элек­трич. ге­не­ра­то­ров, ра­бо­таю­щих на элек­трич. сеть, име­ют фик­си­ро­ван­ную час­то­ту вра­ще­ния – 3000 об/мин в Рос­сии и 3600 об/мин в США и др. стра­нах. Ро­то­ры П. т., пред­на­зна­чен­ных для др. по­тре­би­те­лей мощ­но­сти, мо­гут иметь др. час­то­ту вра­ще­ния, со­от­вет­ст­вую­щую ха­рак­те­ри­сти­кам обо­ру­до­ва­ния по­тре­би­те­ля (напр., транс­порт­ные тур­би­ны). Дав­ле­ние и темп-ра па­ра пе­ред тур­би­ной оп­ре­де­ля­ют­ся её на­зна­че­ни­ем.

Мощ­ные П. т. име­ют слож­ную кон­струк­цию и боль­шие раз­ме­ры (см. рис. к ст. Кон­ден­са­ци­он­ная тур­би­на). Дли­на все­го аг­ре­га­та мо­жет дос­ти­гать 30 м. П. т. рас­по­ла­га­ет­ся на фун­да­мен­те, пред­став­ляю­щем со­бой мно­го­опор­ную жел.-бе­тон. кон­ст­рук­цию, опи­раю­щую­ся на об­щую фун­да­мент­ную пли­ту. Кон­ст­рук­ция П. т. раз­де­ля­ет­ся на неск. ци­лин­д­ров (час­тей) – вы­со­ко­го дав­ле­ния (ЦВД), сред­не­го дав­ле­ния (ЦСД) и низ­ко­го дав­ле­ния (ЦНД). Обыч­но мощ­ная П. т. име­ет один ЦВД, один или два ЦСД и неск. ЦНД. Пар по­сту­па­ет в тур­би­ну, про­хо­дит че­рез ЦВД по­сле­до­ва­тель­но все сту­пе­ни, да­лее че­рез ЦСД (од­ним или дву­мя па­рал­лель­ны­ми по­то­ка­ми), за­тем, раз­ветв­ля­ясь ещё на неск. па­рал­лель­ных по­то­ков, про­хо­дит ЦНД и сбра­сы­ва­ет­ся в кон­ден­са­тор. Раз­ветв­ле­ние по­то­ков пе­ред кон­ден­са­то­ром не­об­хо­ди­мо для уве­ли­че­ния еди­нич­ной мощ­но­сти тур­би­ны, т. к. од­но­по­точ­ная тур­би­на мо­жет вы­ра­ба­ты­вать ог­ра­ни­чен­ную мощ­ность, ко­то­рая за­ви­сит от дли­ны ра­бо­чих ло­па­ток по­след­ней сту­пе­ни. Для обес­пе­че­ния на­дёж­ной экс­плуа­та­ции П. т. ос­на­ща­ет­ся сис­те­мой безо­пас­но­сти, пре­дот­вра­щаю­щей воз­ник­но­ве­ние и раз­ви­тие ава­рий­ных си­туа­ций. Осн. пре­иму­ще­ст­ва П. т.: вы­со­кая еди­нич­ная мощ­ность, ши­ро­кий диа­па­зон мощ­но­стей, вы­со­кий ре­сурс ра­бо­ты. Не­дос­тат­ки П. т.: вы­со­кая инер­ци­он­ность (дол­гое вре­мя пус­ка и ос­та­но­ва), до­ро­го­виз­на строи­тель­ст­ва и ре­мон­та. В П. т., ис­поль­зуе­мых на ТЭС, дав­ле­ние па­ра мо­жет дос­ти­гать 24 МПа и бо­лее, темп-ра – 545–600 °C; мощ­но­сти П. т., ра­бо­таю­щих на ТЭС, – до 1200 МВт, АЭС – до 1900 МВт. Кпд со­вре­мен­ных П. т. дос­ти­га­ет 40–42%.

Классификация паровых турбин

По прин­ци­пу дей­ст­вия вы­де­ля­ют ак­тив­ные тур­би­ны и ре­ак­тив­ные тур­би­ны. По ко­ли­че­ст­ву сту­пе­ней П. т. под­раз­де­ля­ют на од­но­сту­пен­ча­тые и мно­го­сту­пен­ча­тые тур­би­ны. В од­но­сту­пен­ча­той П. т. не уда­ёт­ся дос­та­точ­но пол­но ис­поль­зо­вать энер­гию па­ра, по­это­му совр. П. т. стро­ят мно­го­сту­пен­ча­ты­ми. По на­прав­ле­нию по­то­ка ра­бо­че­го те­ла вы­де­ля­ют осе­вые (ак­си­аль­ные) П. т. (на­прав­ле­ние по­то­ка сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем оси ро­то­ра, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип П. т., ис­поль­зуе­мых для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров) и ра­ди­аль­ные П. т. (по­ток осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ра­ди­аль­ном на­прав­ле­нии ли­бо от оси ро­то­ра к пе­ри­фе­рии дис­ков, ли­бо на­обо­рот – от пе­ри­фе­рии к оси). В за­ви­си­мо­сти от дав­ле­ния па­ра П. т. бы­ва­ют: низ­ко­го (не вы­ше 0,9 МПа), сред­не­го (не вы­ше 4 МПа), вы­со­ко­го (9–14 МПа) и сверх­кри­тич. дав­ле­ния (24 МПа и бо­лее).

В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра те­п­ло­во­го про­цес­са П. т. под­раз­де­ля­ют на 3 груп­пы: кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны, те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные и спец. на­зна­че­ния.

Те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т. слу­жат для од­но­врем. по­лу­че­ния элек­трич. и те­п­ло­вой энер­гии. Осн. ко­неч­ный про­дукт та­ких П. т. – те­п­ло­та. ТЭС, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т., на­зы­ва­ют­ся те­п­ло­элек­тро­цен­тра­ля­ми. К те­п­ло­фи­ка­ци­он­ным П. т. от­но­сят­ся тур­би­ны с про­ти­во­дав­ле­ни­ем, с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром па­ра, а так­же с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем. У тур­бин с про­ти­во­дав­ле­ни­ем от­сут­ст­ву­ет кон­ден­са­тор. От­ра­бо­тав­ший пар, имею­щий дав­ле­ние вы­ше ат­мо­сфер­но­го, по­сту­па­ет в спец. сбор­ный кол­лек­тор, от­ку­да на­прав­ля­ет­ся к те­п­ло­вым по­тре­би­те­лям для тех­но­ло­гич. це­лей (вар­ка, суш­ка, ото­пле­ние и др.). В тур­би­нах с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а ос­таль­ной пар идёт в кон­ден­са­тор. Дав­ле­ние от­би­рае­мо­го па­ра на всех ре­жи­мах ра­бо­ты тур­бо­аг­ре­га­та ав­то­ма­ти­че­ски под­дер­жи­ва­ет­ся по­сто­ян­ным или же ре­гу­ли­ру­ет­ся в за­дан­ных пре­де­лах, с тем что­бы по­тре­би­тель по­лу­чал пар оп­ре­де­лён­но­го ка­че­ст­ва. Су­ще­ст­ву­ет два ви­да те­п­ло­вых по­тре­би­те­лей: про­мыш­лен­ные, где тре­бу­ет­ся пар с дав­ле­ни­ем до 1,3–1,5 МПа (про­из­водств. от­бор), и ото­пи­тель­ные, с дав­ле­ни­ем 0,05–0,25 МПа (те­п­ло­фи­ка­ци­он­ный от­бор). Ес­ли тре­бу­ет­ся пар как про­из­вод­ст­вен­но­го, так и ото­пит. на­зна­че­ния, то в од­ной тур­би­не мо­гут быть осу­ще­ст­в­ле­ны два ре­гу­ли­руе­мых от­бо­ра; ме­сто от­бо­ра (сту­пень тур­би­ны) вы­би­ра­ют в за­ви­си­мо­сти от нуж­ных па­ра­мет­ров па­ра. У тур­бин с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а весь от­ра­бо­тав­ший пар на­прав­ля­ет­ся из вы­пу­ск­но­го пат­руб­ка в ото­пит. сис­те­му или к се­те­вым по­до­гре­ва­те­лям.

П. т. спе­ци­аль­но­го на­зна­че­ния обыч­но ра­бо­та­ют на от­брос­ном те­п­ле ме­тал­лур­гич., ма­ши­но­стро­ит. и хи­мич. пред­при­ятий. К ним от­но­сят­ся П. т. «мя­то­го па­ра», с про­ме­жу­точ­ным под­во­дом па­ра (тур­би­ны двух дав­ле­ний) и пред­вклю­чён­ные. П. т. «мя­то­го па­ра» ис­поль­зу­ют от­ра­бо­тав­ший пар низ­ко­го дав­ле­ния по­сле тех­но­ло­гич. про­цес­сов (пар порш­не­вых ма­шин, па­ро­вых мо­ло­тов и прес­сов), ко­то­рый по к.-л. при­чи­нам не мо­жет быть ис­поль­зо­ван для ото­пит. или тех­но­ло­гич. нужд. Дав­ле­ние та­ко­го па­ра обыч­но несколько вы­ше ат­мо­сфер­но­го, и он на­прав­ля­ет­ся в спец. кон­ден­сац. тур­би­ну (тур­би­ну «мя­то­го па­ра»). 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 да­лее в обыч­ные кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны.

Историческая справка. 

Пер­вое уст­рой­ст­во, при­во­ди­мое в дви­же­ние па­ром (эо­ли­пил), бы­ло опи­са­но Ге­ро­ном Алек­сан­д­рий­ским. В Рос­сии П. Д. Кузь­мин­ский в нач. 1890-х гг. по­стро­ил и оп­ро­бо­вал су­до­вую П. т. собств. кон­ст­рук­ции.

П. т. по­лу­чи­ла прак­тич. при­ме­не­ние лишь в кон. 19 в., ко­гда та­кие от­рас­ли, как тер­мо­ди­на­ми­ка, ма­ши­но­строе­ние и ме­тал­лур­гия, дос­тиг­ли не­об­хо­ди­мо­го уро­в­ня. К. Г. П. де Ла­валь (1878) и Ч. А. Пар­сонс (1884) соз­да­ли пер­вые про­мыш­лен­но при­год­ные па­ро­вые тур­би­ны. В П. т. Пар­со­нса ис­поль­зо­ван прин­цип по­сту­пен­ча­то­го рас­ши­ре­ния па­ра, ко­то­рый ле­жит в ос­но­ве кон­ст­рук­ции совр. па­ро­вых тур­бин.

В Ев­ро­пе П. т. по­лу­чи­ли все­об­щее при­зна­ние в ка­че­ст­ве при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров толь­ко с 1899, ко­гда на элек­тро­стан­ции г. Эль­бер­фельд (Гер­ма­ния) впер­вые бы­ли при­ме­не­ны две П. т. Пар­сон­са мощ­но­стью по 1000 кВт ка­ж­дая.

В до­ре­во­люц. Рос­сии строи­лись как ста­цио­нар­ные, так и су­до­вые П. т. Осо­бен­но боль­шие ус­пе­хи бы­ли дос­тиг­ну­ты рос. кон­ст­рук­то­ра­ми и тех­но­ло­га­ми в 1910–14 в про­ек­ти­ро­ва­нии и из­го­тов­ле­нии П. т. для круп­ных во­ен. ко­раб­лей. Впер­вые отеч. ста­цио­нар­ные П. т. по­строи­ли на ме­тал­лич. за­во­де в С.-Пе­тер­бур­ге (позд­нее Ле­нингр. ме­тал­лич. за­вод, ЛМЗ), на ко­то­ром в 1907 из­го­тови­ли П. т. для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ра мощ­но­стью 200 кВт. В 1937 на ЛМЗ вы­пу­ще­на пер­вая кон­ден­са­ци­он­ная двух­ци­лин­д­ро­вая од­но­валь­ная тур­би­на мощ­но­стью 100 МВт; в 1977 по­строе­на и сда­на в экс­плуа­та­цию са­мая круп­ная отеч. кон­ден­са­ци­он­ная тур­би­на мощ­но­стью 1200 МВт. На­чи­ная с 1964 в СССР ос­во­ен вы­пуск П. т. для АЭС.

как горячий пар превращается в электричество / Блог компании Toshiba / Хабр

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго


Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.

Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia


Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.

Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.


Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.

Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.

Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.

Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.

Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.

Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.

Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

устройство, принцип действия, основные элементы

Конструкция данного агрегата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Об устройстве паровой турбины рассказывается в книгах следующим образом. Данный вид турбины — это вид двигателя, в котором пар или же нагретый воздух способен вращать вал двигателя без взаимодействия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

Краткое описание устройства

Кратко устройство паровой турбины можно описать следующим образом. На основной элемент, то есть вал, закрепляется диск, к которому крепятся лопатки. Около данных элементов также располагаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, а также диск всей установки. Именно это воздействие приводит во вращение диск турбины вместе с лопатками.

В настоящее время в таких агрегатах чаще всего используется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При таком устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть своей энергии этим элементам. Основное применение паровые турбины нашли на атомных, а также тепловых электрических станциях, где они соединяются с валом электрического тока. Скорость вращения вала паровой турбины достигает 3000 оборотов в минуту. Данного значения хватает для приемлемой работы генераторов электрического тока.

Если говорить о применении данных агрегатов, то стоит упомянуть, что они успешно эксплуатируются на кораблях и суднах. Однако из-за устройства паровой турбины, в частности, по причине того, что необходимо большое количество воды для работы турбины, ее эксплуатация на сухопутных и воздушных средствах передвижения невозможна.

Устройство сопла турбины. На что оно влияет

Одним из важнейших элементов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и осуществляется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены такие вещи, как расширение пара, построить рационально функционирующий агрегат с высоким КПД было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое использовалось вначале, имело одинаковый диаметр по всей своей длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с меньшим давлением, чем внутри, терял давление и увеличивал свою скорость, но только до определенного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Данный параметр называют критическим давлением. Основываясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критической скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

Таких параметров оказалось мало для нормального функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла такой формы пар начинал клубиться из-за расширения в атмосфере. Все эти недостатки удалось устранить, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была узкой, постепенно расширяясь к концу. Основная отличительная особенность, которая стала решающим фактором, — это то, что с такой формой стало возможно привести давление у конца сопла к давлению окружающей среды после трубы. Это решило проблему с клубами пара, которые сильно снижали скорость, а также удалось добиться сверхкритических значений для этого параметра, а также давления.

Устройство паровой турбины и принцип работы

Здесь важно сказать о том, что паровая турбина использует два различных принципа работы, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют активными турбинами. В этом случае, имеются в виду устройства, у которых расширения пара осуществляется только в неподвижных соплах, а также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и принцип работы второго типа называют реактивным. К таким агрегатам относят те, у которых расширение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между таковыми. Еще такие устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет примерно половину от общего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее основных элементов, то нужно обратить внимание на следующее. Внутри турбины происходит такой процесс: струя жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, которое будет зависеть от таких параметров, как расход, скорость при входе, а также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струи по отношению к данной поверхности. Здесь важно отметить, что при такой работе вовсе не нужно делать так, чтобы поток воды бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято избегать, и чаще всего делают так, чтобы струя плавно обтекала лопатку.

Активная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на таком принципе. Здесь за основу взят закон о том, что любое тело, обладающее даже малой скоростью, может иметь высокую кинетическую энергию, если движется с большой скоростью. Однако здесь сразу же надо учитывать, что эта энергия очень быстро пропадает, если скорость тела начнет падать. В таком случае, имеется два варианта развития событий, если струя пара ударится о плоскую поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант — удар происходит о неподвижную поверхность. В таком случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, частично превратится в тепловую энергию, а остальная часть израсходуется на то, чтобы отбросить частицы жидкости в обратном направлении, а также назад. Естественно, что никакой полезной работы выполнено при этом не будет.

Второй вариант — поверхность может перемещаться. В таком случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы сдвинуть платформу с места, а остальная все так же будет затрачена впустую.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, который называется активным, используется именно второй вариант. Естественно, нужно понимать, что при работе агрегата необходимо добиться того, чтобы расход энергии на бесполезную работу был минимальным. Еще одно важное условие заключается в том, что необходимо направить струю пара таким образом, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Достичь выполнения этого условия можно лишь при определенной форме поверхности.

Путем испытаний и расчетов было установлено, что наилучшей поверхностью для работы со струями пара является та, которая сможет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от изначальной. Другими словами, необходимо придать лопаткам форму полукруга. В таком случае, сталкиваясь с препятствием, максимальная часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, заставляя его вращаться. Потери же сведутся к минимуму.

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей — лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

Механическое устройство турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики выглядят так.

Агрегат состоит из трех цилиндров, каждый из которых представляет собой статор, имеющий неподвижный корпус, а также вращающийся ротор. Отдельно расположенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из отдельных роторов цилиндров, а также из генератора и возбудителя, называется валопроводом. Длина данного устройства при максимальном значении составляющих компонентов (в настоящее время — это не больше 5 генераторов) — 80 метров.

Далее, устройство и работа паровой турбины выглядят так. Валопровод выполняет вращательное движение в таких элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, металлической же части этих вкладышей вал во время вращения не касается. На сегодняшний день все роторы конструкции размещаются на двух опорных подшипниках.

В некоторых случаях между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, имеется лишь один общий опорный подшипник. Весь пар, который расширяется в турбине, заставляет каждый из роторов выполнять вращательное движение. Вся мощность, которая вырабатывается каждым из роторов, складывается на полумуфте в общее значение и там достигает своего максимального показателя.

Кроме того, каждый элемент находится под воздействием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, то есть общая осевая нагрузка, передается с гребня на упорные сегменты. Эти детали устанавливаются в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на сегодняшний день они могут достигать 300 МПа, так что корпус данных устройств выполняется двустенным. Это помогает уменьшить разность давления на каждый из них, что позволяет уменьшать толщину каждой из них. Кроме того, это помогает упростить процесс затяжки фланцевых соединений, а также дает возможность турбине при необходимости быстро изменить показатель своей мощности.

Обязательным является наличие горизонтального разъема, который предназначен для легкого процесса монтажа внутрь корпуса, а также должен обеспечивать быстрый доступ к уже установленному ротору, во время проведения ревизии или ремонта. Когда осуществляется непосредственный монтаж турбины, то все плоскости разъемов нижних корпусов монтируются специальным образом. Чтобы упростить данную операцию, принято считать, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в дальнейшем наступает момент монтажа валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это необходимо для того, чтобы избежать ударения ротора о статор во время вращения. Такой дефект может привести к довольно серьезной аварии на объекте. Из-за того, что пар внутри турбины характеризуется очень высокой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не более чем 100 градусов по Цельсию. Это значение подходит как по требованиям пожаробезопасности, так и соответствует наличию определенных смазочных свойств у материала. Для того чтобы добиться таких показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специальных точках — опорах.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. Коэффициент полезного действия у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке — это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды — вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл. Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

• Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
• При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
• В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
• Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
• Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Кроме основных элементов и простого принципа работы, имеется пара дополнительных агрегатов, таких как турбонаддув и подогреватель.

Конструкция паровых турбин — Уралэнергомаш

Общие представления об устройстве паровых турбин

Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

Паровая турбина представляет собою роторный лопаточный двигатель, в котором энергия давления поступающего из котла пара сначала преобразуется в кинетическую энергию пара, вытекающего с большой скоростью из сопел, а затем, на лопатках ротора,- в механическую энергию вращения вала. Сопла это направляющие аппараты, предназначенные для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Схема простейшей паровой турбины представлена на рис. 1.

Основной частью турбины является ротор, состоящий из вала 1 с насаженным на нем рабочим колесом 2, на котором укреплены рабочие лопатки 3 изогнутой формы. Перед диском с рабочими лопатками имеется сопло 4, из которого пар поступает на рабочие лопатки турбины.

1 – вал; 2 – рабочее колесо; 3 – рабочая лопатка; 4 – сопло
Рисунок 3.1– Принцип действия турбины

Сопло и рабочее колесо составляют одну ступень. На рисунке 1.1, таким образом, представлена принципиальная схема одноступенчатой турбины.

Полученный в парогенераторе перегретый пар при температуре 600 С и давлении 30 МПа по паропроводам передаётся в сопла.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость и начальное давление (см. рис. 2), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения и уменьшение давления до значения . Скорость входа пара на рабочую лопатку называют абсолютной скоростью. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется. Абсолютная скорость движения пара уменьшается с до вследствие вращения турбины со скоростью V. V – это окружная или переносная скорость.

Рис.2 – Схема активной турбины

Конструктивно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток.

Реактивными турбинами называют такие турбины, у которых расширение пара происходит не только в соплах перед поступлением пара на рабочие лопатки, но и на лопатках самого рабочего колеса. Это достигается тем, что канал, образованный рабочими лопатками выполняется суживающимся.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины показано на рис. 3. В соплах турбины происходит частичное расширение пара до промежуточного давления .

Дальнейшее расширение пара до давления происходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения , а в началах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до значения .

Рис.3 – Схема работы реактивной турбины

В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем водной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные ступени.

Устройство паровой турбины

Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Рис.4 Устройство паровой турбины

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа » 300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите. В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

При работе турбины пар из котла по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. 4 не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. 4 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис. 4) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

Уплотнение представлено на рис. 5.

Рис.5. Лабиринтное уплотнение для валов турбин

В обойме 7, имеющей такую же конструкцию, как и обойма диафрагм выполнена кольцевая расточка 1, в которую вставляются сегменты уплотнений 3 (по три сегмента в каждую половину обоймы). Сегменты имеют тонкие (до 0,3 мм) кольцевые гребни, устанавливаемые по отношению к валу с очень малым зазором (0,5—0,6 мм). Совокупность кольцевых щелей между гребнями 4 и кольцевыми выступами 6 и кольцевых камер между ними называется лабиринтовым уплотнением. Высокое гидравлическое сопротивление, которым оно обладает, обеспечивает малую утечку пара помимо проточной части турбины.

Типичная рабочая лопатка (рис. 6) состоит из трех основных элементов: профильной части 1; хвостовика 2, служащего для крепления лопатки на диске; шипа 6 прямоугольной, круглой или овальной формы, выполняемого на торце профильной части лопатки за одно целое.

Рис.6.Рабочая лопатка ЦВД и ЦСД

Лопатки изготавливаются из нержавеющей стали, содержащей 13 % хрома, методом штамповки и последующего фрезерования и набираются на диске через два специальных колодца, в которые затем устанавливаются замковые лопатки с хвостовиками специальной формы.

Отдельно прокатывают бандажную ленту 7, в которой пробивают отверстия, соответствующие форме шипов и расстоянию между ними. Лента нарезается на куски со строго рассчитанным числом объединяемых лопаток. Бандажная лента надевается на шипы, которые затем расклепываются. Ряд соседних лопаток (обычно от 5 до 14), объединенных бандажной лентой (бандажом), называется пакетом рабочих лопаток. Главная цель пакетирования — обеспечить вибрационную надежность рабочих лопаток (не допустить их поломки от усталости вследствие колебаний). После расклепки шипов на бандажах рабочих лопаток ротор устанавливают на токарный станок и окончательно протачивают гребни уплотнений.

На рис. 6 показана лишь одна из типичных конструкций, которые отличаются большим разнообразием как типов хвостовиков, так и бандажей. В современных конструкциях бандажи фрезеруют заодно с профильной частью (с шириной бандажа, равной шагу лопаток), иногда соединяют рабочие лопатки в пакете сваркой.

Рис.7 Ротор двухпоточного ЦНД мощной турбины

На рис. 7 показан двухпоточный ротор ЦНД в процессе обработки на токарном станке. Первые две ступени имеют ленточ­ные бандажи, а последние ступени — две проволочные связи.

Главным элементом проточной части турбины, определяющим весь ее облик, является рабочая лопатка последней ступени. Чем большую длину она имеет и чем на большем диаметре она установлена (иными словами, чем больше площадь для прохода пара последней ступени), тем более экономичнее турбина. Поэтому история совершенствования турбин — это история создания последних ступеней. В начале 50-х годов ЛМЗ была разработана рабочая лопатка длиной 960 мм для последней ступени со средним диаметром 2,4 м, и на ее базе созданы турбины мощностью 300, 500 и 800 МВт. В конце 70-х была создана новая рабочая лопатка длиной 1200 мм для ступени со средним диаметром 3 м. Это позволило создать новую паровую турбину для ТЭС мощностью 1200 МВт и для АЭС мощностью 1000 МВт.

Рис.8 Опора валопровода

На рис. 8 показана одна из опор валопровода. Основанием 12 нижняя половина корпуса 2 устанавливается на фундаментную раму (на рисунке не показана). В расточку корпуса на колодках 1, 4 и 10 помещается нижняя половина вкладыша 3. Внутренняя поверхность 8 обеих половин вкладыша выполнена цилиндрической или овальной и залита баббитом, — легкоплавким антифрикционным сплавом на основе олова, допускающего вращение ротора на очень низкой частоте вращения даже при отсутствии смазки. Прямо на поверхность вкладыша 8 и на аналогичную поверхность соседнего вкладыша при монтаже турбины укладывается ротор. Сверху его накрывают верхней половиной вкладыша и притягивают к нижней половине шпильками, ввинчиваемыми в отверстия 9. Затем устанавливается крышка корпуса подшипника.

Масло для смазки шеек валов подается насосами из масляного бака, установленного на нижней отметке конденсационного помещения. Размер масляного бака зависит от мощности турбины: чем больше мощность, тем больше цилиндров и, следовательно, роторов и их опор, требующих смазки. Кроме того, с ростом мощности растет диаметр шеек, и эти два обстоятельства требуют большого расхода масла и соответственно масляного бака большой емкости, достигающей 50—60 м3. Для смазки подшипников используется либо специальное (турбинное) минеральное масло, либо синтетические негорючие масла. Последние намного дороже, но зато пожаробезопаснее.

От насосов по трубопроводам масло, пройдя через маслоохладители, поступает к емкостям, располагаемым в крышках подшипника, а из них — к отверстиям 6 и к выборке 7, раздающей масло на всю ширину шейки вала. Масло за счет гидродинамических сил «загоняется» под шейку вала, и таким образом вал «плавает» на масляной пленке, не касаясь баббитовой заливки. Масло, пройдя под шейкой вала, выходит через торцевые зазоры вкладыша и стекает на дно корпуса подшипника, откуда самотеком направляется обратно в масляный бак. Вкладыш опоры показан на рис. 9.

Рис.9 Опорный вкладыш опоры валопровода

Типы паровых турбин и области их использования

Для понимания места и роли паровых турбин рассмотрим их общую классификацию. Из большого разнообразия используемых паровых турбин, прежде всего можно выделить турбины транспортные и стационарные.

Транспортные паровые турбины чаще всего используются для привода гребных винтов крупных судов.

Стационарные паровые турбины — это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение. В настоящей книге рассматриваются только стационарные паровые турбины.

В свою очередь стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.

1. По назначению различают турбины энергетические, промышленные и вспомогательные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска тепла крупным потребителям, например жилым районам, городам и т.д. Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются, прежде всего, большой мощностью, а их режим работы — постоянной частотой вращения, определяемой постоянством частоты сети.

Основным производителем энергетических паровых турбин в России является Ленинградский металлический завод (Санкт-Петербург). Он выпускает мощные паровые турбины для ТЭС (мощностью 1200, 800, 500, 300 и 200 МВт), ТЭЦ (мощностью 180, 80 и 50 МВт и менее), АЭС (мощностью 1000 МВт).

Другим крупным производителем энергетических паровых турбин является Турбомоторный завод (ТМЗ, г. Екатеринбург). Он выпускает только теплофикационные турбины (мощностью 250, 185, 140, 100 и 50 МВт и менее).

На ТЭС России установлено достаточно много мощных паровых тур­бин Харьковского турбинного завода (ХТЗ, Украина) (мощностью 150, 300 и 500 МВт). Им же произведены все паровые турбины, установленные на АЭС России мощностью 220, 500 и 1000 МВт.

Таким образом, в настоящее время в России функционирует всего два производителя мощных паровых турбин. Если говорить о зарубежных производителях турбин, то их число также является небольшим. Большинство из них являются транснациональными объединениями. В Европе главными производителями паровых турбин являются компании Siemens (Германия), Acea Brown Bovery (ABB, германско-швейцарское объединение), GEC-Alsthom (англо-французское объединение), Scoda (Чехия). В США производителями мощных энергетических турбин являются компании General Electric и Westinghouse, в Японии — Hitachi, Toshiba, Mitsubisi. Все перечисленные производители выпускают паровые турбины вплоть до мощности 1000 МВт и выше. Технический уровень некоторых из них не только не уступает нашим производителям, но и превосходит их.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например, металлургического, текстильного, химического, сахароваренного и др. Часто генераторы таких турбин работают на маломощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических. Основным производителем промышленных турбин в России является Калужский турбинный завод (КТЗ).

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии — обычно для привода питательных насосов и воздуходувок котлов.

Питательные насосы энергоблоков мощностью вплоть до 200 МВт приводятся электродвигателями, а мощностью выше — с помощью паровых турбин, питаемых паром из отбора главной турбины. Например, на энергоблоках мощностью 800 и 1200 МВт установлено соответственно по два и три питательных турбонасоса мощностью 17 МВт каждый, на энергоблоках мощностью 250 (для ТЭЦ) и 300 МВт — один питательный турбонасос мощностью 12 МВт; на энергоблоках мощностью 1000 МВт для АЭС используется два питательных насоса мощностью 12 МВт.

Котлы энергоблоков мощностью 800 и 1200 МВт оборудованы соответственно двумя и тремя воздуходувками, привод которых осуществляется также паровыми турбинами мощностью по 6 МВт каждая. Основным производителем вспомогательных паровых турбин в России является КТЗ.

2. По виду энергии, получаемой от паровой турбины, их делят на конденсационные и теплофикационные.

В конденсационных турбинах (типа К) пар из последней ступени отводится в конденсатор, они не имеют регулируемых отборов пара, хотя, как правило, имеют много нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, а иногда и для внешних тепловых потребителей. Главное назначение конденсационных турбин — обеспечивать производство электроэнергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000—1500 МВт.

Теплофикационные турбины имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Они предназначены для выработки тепловой и электрической энергии, и мощность самой крупной из них составляет 250 МВт. Теплофикационная турбина может выполняться с конденсацией пара и без нее. В первом случае она может иметь отопительные отборы пара (турбины типа Т) для нагрева сетевой воды для обогрева зданий, предприятий и т.д., или производственный отбор пара (турбины типа П) для технологических нужд промышленных предприятий, или тот и другой отборы (турбины типа ПТ и ПР). Во втором случае турбина носит название турбины с противодавлением (турбины типа Р). В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а обычно производственному потребителю. Таким образом, главным назначением турбины с противодавлением является производство пара заданного давления (в пределах 0,3—3 МПа). Турбина с противодавлением может также иметь и регулируемый теплофикационный или промышленный отбор пара, и тогда она относится к типу ТР или ПР.

Теплофикационные турбины с отопительным отбором пара (типа Т) спроектированы так, чтобы при максимальной теплофикационной нагрузке ступени, расположенные за зоной отбора, мощности не вырабатывали. В последние годы ряд турбин проектируются так, что даже при максимальной нагрузке последние ступени вырабатывают мощность. Такие турбины относятся к типу ТК.

3. По используемым начальным параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины докритического и сверхкритического начального давления, перегретого и насыщенного пара, без промежуточного перегрева и с промежуточным перегревом пара.

Как уже известно критическое давление для пара составляет примерно 22 МПа, поэтому все турбины, начальное давление пара перед которыми меньше этого значения, относятся к паровым турбинам докритического начального давления. В России стандартное докритическое давление для паровых турбин выбрано равным 130 ат (12,8 МПа), кроме того, имеется определенный процент турбин на начальное давление 90 ат (8,8 МПа). На докритические параметры выполняются все паровые турбины для АЭС и ТЭЦ (кроме теплофикационной турбины мощностью 250 МВт), а также турбины мощностью менее 300 МВт для ТЭС. Докритическое начальное давление зарубежных паровых турбин обычно составляет 16—17 МПа, а максимальная единичная мощность достигает 600—700 МВт.

Все мощные конденсационные энергоблоки (300, 500, 800, 1200 МВт), а также теплофикационный энергоблок мощностью 250 МВт выполняют на сверхкритические параметры пара (СКД) — 240 ат (23,5 МПа) и 540 °С. Переход от докритических параметров пара к СКД позволяет экономить 3—4 % топлива.

Все турбины ТЭС и ТЭЦ работают перегретым паром, а АЭС — насыщенным (с небольшой степенью влажности).

Все мощные конденсационные турбины на докритические и сверхкритические параметры пара выполняют с промежуточным перегревом. Из теплофикационных турбин только турбина ЛМЗ на докритические параметры мощностью 180 МВт и турбина ТМЗ на СКД мощностью 250 МВт имеют промежуточный перегрев. Устаревшие конденсационные турбины мощностью 100 МВт и менее и многочисленные теплофикационные паровые турбины вплоть до мощности 185 МВт строятся без промперегрева.

4. По зоне использования турбин в графике электрической нагрузки паровые турбины можно разделить на базовые и полупиковые. Базовые турбины работают постоянно при номинальной нагрузке или близкой к ней. Они проектируются так, чтобы и турбина, и турбоустановка имели максимально возможную экономичность. К этому типу турбин следует, безусловно, отнести атомные и теплофикационные турбины. Полупиковыетурбины создаются для работы с периодическими остановками на конец недели (с ночи пятницы до утра в понедельник) и ежесуточно (на ночь). Полупиковые турбины (и турбоустановки) с учетом их малого числа часов работы в году выполняют более простыми и соответственно более дешевыми (на сниженные параметры пара, с меньшим числом цилиндров). Электроэнергетика России в силу ряда причин всегда страдала от недостатка в энергосистеме полупиковых мощностей. Примерно 25 лет назад ЛМЗ спроектировал полупиковую конденсационную турбину мощностью 500 МВт на параметры 12,8 МПа, 510 °С/510 °С. Головной образец этой турбины предполагалось установить на Лукомльской ГРЭС (б. Белоруссия). Однако до сих пор ни одной специальной полупиковой турбины в России не работает. Вместе с тем в Японии и США работают десятки полупиковых турбин упрощенной конструкции.
5. По конструктивным особенностям паровые турбины можно классифицировать по числу цилиндров, частоте вращения и числу валопроводов.

По числу цилиндров различают турбины одно- и многоцилиндровые. Количество цилиндров определяется объемным пропуском пара в конце процесса расширения. Чем меньше плотность пара, т.е. меньше его конечное давление, и чем больше мощность турбины, т.е. больше массовый расход, тем больше объемный пропуск и соответственно требуемая площадь для прохода пара через рабочие лопатки последней ступени. Однако если рабочие лопатки делать длиннее, а радиус их вращения больше, то центробежные силы, отрывающие профильную часть лопатки, могут возрасти настолько, что лопатка оторвется. Поэтому с увеличением мощности сначала переходят на двухпоточный ЦНД, а затем увеличивают их число. Конденсационные турбины можно выполнить одноцилиндровыми вплоть до мощности 50—60 МВт, двухцилиндровыми — до 100—150 МВт, трехцилиндровыми — до 300 МВт, четырехцилиндровыми — до 500 МВт, пятицилиндровыми — вплоть до 1300 МВт.

По частоте вращения турбины делятся на быстроходные и тихоходные. Быстроходные турбины имеют частоту вращения 3000 об/мин = 50 об/с. Они приводят электрогенератор, ротор которого имеет два магнитных полюса, и поэтому частота вырабатываемого им тока равна 50 Гц. На эту частоту строят большинство паровых турбин для ТЭС, ТЭЦ и частично для АЭС в нашей стране и почти во всем мире. В Северной Америке и на части территории Японии быстроходные турбины строят на частоту вращения 3600 об/мин = 60 об/с, так как там принятая частота сети равна 60 Гц.

Ранее в говорилось о том, что поскольку из-за низких начальных параметров работоспособность пара в турбинах АЭС мала, а снижение капитальных затрат требует увеличения мощности, т.е. массы пропускаемого пара, то объемный расход на выходе из турбины оказывается столь значительным, что оказывается целесообразным переход на меньшую частоту вращения. Так как число магнитных полюсов в электрогенераторе должно быть целым и четным, то переход на использование четырехполюсного электрогенератора и получения той же частоты сети, что и при двухполюсном электрогенераторе, требует снижения частоты вдвое. Таким образом, тихоходные турбины в нашей стране имеют частоту вращения 1500 об/мин = 25 об/с.

Рис.10 Тихоходная турбина насыщенного пара мощностью 1160 МВт для американской АЭС

На рис. 10 показана тихоходная атомная турбина фирмы ABB мощностью 1160 МВт на частоту вращения 30 об/с. Гигантские размеры турбины хорошо видны в сравнении с фигурой человека, стоящего у средней опоры ее валопровода. Турбина не имеет ЦСД, и пар из ЦВД направляется в два горизонтальных сепаратора-пароперегревателя (СПП), а из них — раздается на три двухпоточных ЦНД. По такой же схеме на частоту вращения 25 об/с построены энергоблоки мощностью 1000 МВт на Балаковской и Ростовской АЭС.

Для АЭС, построенных для теплых климатических условий, т.е. для высокой температуры охлаждающей воды и соответственно высокого давления в конденсаторе), можно строить и быстроходные атомные турбины (рис. 11). Пар к ЦВД турбины поступает из реакторного отделения по четырем паропроводам 11. Пройдя ЦВД, пар поступает к СПП 10 вертикального типа, а после них с помощью ресивера 3 раздается на три одинаковых двухпоточных ЦНД 4. Под каждым ЦНД установлен свой конденсатор, также хорошо видный на макете.

По числу валопроводов различают турбины одновальные (имеющие один валопровод — соединенные муфтами роторы отдельных цилиндров и генератора) и двухвальные(имеющие два валопровода каждый со своим генератором и связанные только потоком пара). На российских тепловых электростанциях используют только одновальные турбины.В начале 70-х годов на Славянской ГРЭС на Украине построена единственная двухвальная турбина мощностью 800 МВт, да и то потому, что в то время не было электрогенератора мощностью 800 МВт.

Рис.11 Быстроходная атомная турбина мощностью 1093 МВт для испанской АЭС (“ Трилло”), построенная фирмой Siemens

Для обозначения типов турбин ГОСТ предусматривает специальную маркировку, состоящую из буквенной и числовой частей. Буквенная часть указывает тип турбины, следующее за ней число — номинальную мощность турбины в мегаваттах. Если необходимо указать и максимальную мощность турбины, то ее значение приводят через косую черту. Следующее число указывает номинальное давление пара перед турбиной в МПа: для теплофикационных турбин далее через косую черту указывают давление в отборах или противодавление в МПа. Наконец, последняя цифра, если она имеется, указывает номер модификации турбины, принятый на заводе-изготовителе.

Приведем несколько примеров обозначений турбин.

Турбина К-210-12,8-3 — типа К, номинальной мощностью 210 МВт с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см2), третьей модификации.

Трубина П-6-3,4/0,5 — типа П, номинальной мощностью 6 МВт, с на­чальным абсолютным давлением пара 3,4 МПа и абсолютным давлением отбираемого пара 0,5 МПа.

Турбина Т-110/120-12,8 — типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа.

Турбина ПТ-25/30-8,8/1 — типа ПТ, номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 8,8 МПа (90 ат) и абсолютным давлением отбираемого пара 1 МПа.

Турбина Р-100/105-12,8/1,45 — типа Р, номинальной мощностью 100 МВт максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа и абсолютным противодавлением 1,45 МПа.

Турбина ПР-12/15-8,8/1,45/0,7 — типа ПР, номинальной мощностью 12 МВт и максимальной мощностью 15 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа, давлением в отборе 1,45 МПа и противодавлением 0,7 МПа.

Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

Для того чтобы увидеть, насколько совершенной машиной является паровая турбина, достаточно рассмотреть технические требования, предъявляемые к ней. Они сформулированы в государственных стандартах (ГОСТ). Здесь мы остановимся только на наиболее важных из них.

Прежде всего, к турбине предъявляется ряд требований, которые мож­но охватить одним термином — надежность. Надежность технического объекта — это его свойство выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Применительно к паровой турбине надежность — это бесперебойная выработка мощности при предусмотренных затратах топлива и установленной системе эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов, а также недопущения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Важно подчеркнуть, что понятие надежности включает в себя и понятие экономичности. Бесперебойно работающая турбина, работающая с низкой экономичностью из-за износа или с ограничением мощности из-за внутренних неполадок, не может считаться надежной. Надежность — это комплексное свойство, характеризуемое такими подсвойствами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, управляемость, живучесть, безопасность. Не вдаваясь в строгие определения этих подсвойств, отметим главные из них.

Безотказность — это свойство турбины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. Средняя наработка на отказ для турбин ТЭС мощностью 500 МВт и более должна быть не менее 6250 ч, а меньшей мощности — не менее 7000 ч, а для турбин АЭС — не менее 6000 ч. Если учесть, что в календарном году 8760 ч и что какое-то время турбина не работает (например, по указанию диспетчера энергосистемы), то это означает, что отказы по вине турбины в среднем должны происходить не чаще 1 раза в год.

Полный установленный срок службы турбины ТЭС должен быть не менее 40 лет, а турбин АЭС — не менее 30 лет. При этом оговаривается два важных обстоятельства. Первое: этот срок службы не относится к быстро­изнашивающимся деталям, например, рабочим лопаткам, уплотнениям, крепежным деталям. Для таких деталей важен средний срок службы до капитального ремонта (межремонтный период). В соответствии с ГОСТ он должен быть не менее 6 лет (кроме того, на ТЭС и АЭС реализуется плановая система текущих и планово-предупредительных ремонтов).

Для турбин ТЭС, а точнее для их деталей, работающих при температуре свыше 450 °С, кроме такого показателя долговечности, как срок службы, вводится другой показатель — ресурс — суммарная наработка турбины от начала эксплуатации до достижения предельного состояния. На этапе проектирования предельное состояние определяется как назначенный ресурс. По определению — это ресурс, при достижении которого эксплуатация турбины должна быть прекращена независимо от ее технического состояния. На самом деле при достижении назначенного ресурса турбина может сохранить значительную дополнительную работоспособность (остаточный ресурс) и, учитывая ее высокую стоимость, срок работы турбины продляют. Учитывая нелогичность применительно к турбине термина «назначенный ресурс», стали употреблять термин «расчетный ресурс». Таким образом, расчетный (назначенный) ресурс — это наработка турбины, которая гарантируется заводом-изготовителем; при ее достижении должен быть рассмотрен вопрос о ее дальнейшей эксплуатации.

ГОСТ не регламентирует расчетного ресурса (он должен быть установлен в технических условиях или техническом задании на ее проектирование в каждом конкретном случае). Долгие годы расчетный ресурс составлял 100 тыс. ч, сейчас — как правило, 200 тыс. ч. Важнейшим требованием к турбине является высокая экономичность. Коэффициент полезного действия турбины оценивается по КПД ее цилиндров.

Коэффициент полезного действия цилиндра характеризуется той долей работоспособности пара, которую удалось преобразовать в механическую энергию. Наивысшую экономичность имеет ЦСД: в хороших турбинах он составляет 90—94 %. Коэффициент полезного действия ЦВД и ЦНД существенно меньше и в среднем составляет 84—86 %. Это уменьшение обусловлено существенно более сложным характером течения пара в решетках очень малой (несколько десятков миллиметров в первых ступенях ЦВД) и очень большой (1 м и более) в последних ступенях ЦНД высотой решеток. Рассчитать это течение и подобрать под него профили лопаток затруднительно даже при современных вычислительных средствах. Кроме того, значительная часть проточной части ЦНД работает влажным паром, капли влаги имеют скорость существенно меньшую, чем пар, и оказывают на вращающиеся рабочие лопатки тормозящее действие.

Кроме приведенных технических требований ГОСТ содержит многочисленные другие требования, в частности, к системе защиты турбины при возникновении аварийных ситуаций, к маневренности (диапазон длительной работы — обычно 30—100 % номинальной мощности; продолжительности пуска и остановки, число возможных пусков и т.д.), к системе регулирования и управления турбиной, к ремонтопригодности и безопасности (пожаробезопасности, уровня вибрации, шума и т.д.), методов контроля параметров рабочих сред (пара, масла, конденсата), транспортирования и хранения.

Источник: Языки программирования — Life-prog

паровая турбина — это… Что такое паровая турбина?

турбина, преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (например, на ТЭС) и транспортные (судовые). Выполняются одно- и многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными (валы всех корпусов на одной оси) и с параллельным расположением 2—3 валов.

ПАРОВА́Я ТУРБИ́НА, турбина (см. ТУРБИНА), преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины (см. ПАРОВАЯ МАШИНА), паровая турбина использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. По числу корпусов (цилиндров) паровые турбины подразделяют на однокорпусные и 2-, 3-, редко 4-корпусные. По числу валов различают одновальные паровые турбины, у которых валы всех корпусов находятся на одной оси, и 2-, редко 3-вальные, состоящие из двух или трех параллельно размещенных одновальных паровых турбин, связанных общностью теплового процесса, а у судовых турбин — также общей зубчатой передачей (редуктором). В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины обычно подразделяют на 3 основные группы: чисто конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

Чисто конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу.

Эти турбины работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор (см. КОНДЕНСАТОР (теплотехнический)), где поддерживается вакуум. Чисто конденсационные паровые турбины могут быть стационарными или транспортными. Стационарные паровые турбины в соединении с генераторами переменного электрического тока (турбогенераторы (см. ТУРБОГЕНЕРАТОР))— основное оборудование конденсационных электростанций (см. КОНДЕНСАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ). В зависимости от назначения турбины для электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых турбин требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надежность в работе.

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

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. К ним относятся паровые турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением. У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной паровой турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из одной или двух промежуточных ступеней, а остальной пар идет в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень паровой турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара. У паровых турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из одной или двух промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему.

Паровые турбины специального назначения обычно работают на отбросном тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся паровые турбины мятого пара, двух давлений и предвключенные (форшальт). Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключенные турбины представляют собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие турбины с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключенных паровых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны турбины, ранее установленные на электростанции. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Попытки создать паровые турбины делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 век до н. э.). Однако только в конце 19 века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, К. Г. П. Лаваль (Швеция) и Ч. А. Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга в 1884—89 создали промышленно пригодные паровые турбины. Лаваль применил расширение пара в конических неподвижных соплах в один прием от начального до конечного давления и полученную струю (со сверхзвуковой скоростью истечения) направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск. Паровые турбины, работающие по этому принципу, получили название активных турбин. Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, в которой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными (рабочими) лопатками. Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода ротативных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, легкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие паровых турбин шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных паровых турбин различного назначения. Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили свое значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность турбин, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала паровой турбины с вращаемым ею механизмом. Реактивная турбина Парсонса некоторое время применялась (в основном на военных кораблях), но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам, у которых 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.

Доступно о турбинах

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15-22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным -нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.

Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке году забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.

Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.

Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.

Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.

Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.

Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.

Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.

Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

Что такое паровая турбина? (с иллюстрациями)

Паровая турбина — это устройство, способное преобразовывать тепловую энергию сжатого пара во вращательное движение. Это вращательное движение часто используется на электростанциях для выработки электроэнергии, хотя оно может иметь и другие применения. Основной принцип паровых турбин был впервые описан примерно в первом веке нашей эры, а современная паровая турбина была разработана только в 1884 году.

Электростанции вырабатывают электричество, используя стержни ядерного топлива для нагрева воды, которая кипит и приводит в действие паровые турбины.

Первая современная паровая турбина была разработана сэром Чарльзом Парсонсом. Он использовался вместе с динамо-машиной для выработки мощности 7,5 кВт. Вскоре после изобретения устройство нашло основное применение на электростанциях по всему миру и на борту военных кораблей. Раньше поршневые паровые двигатели были менее эффективными, и их было труднее адаптировать для использования на борту кораблей, требуя сложных систем, а не простого механизма прямого привода.

Паровые двигатели приводятся в действие паром высокого давления.В паровых турбинах

используется принцип, позволяющий парам под давлением расширяться с регулируемыми ступенями. Каждая турбина может состоять из нескольких импульсных и реактивных турбин, каждая из которых позволяет пару расширяться и вращать лопасти или лопасти внутри устройства. В большинстве паровых турбин одновременно используются оба этих варианта, при этом импульсные турбины работают под высоким давлением, а в реакционных турбинах используется низкое давление.Разница между ними заключается в том, что в импульсной разновидности используется сопло для подачи высокоскоростного пара в роторы, в то время как роторы реактивных турбин сами по себе представляют собой тип сопла.

Расположение импульсных и реактивных турбин внутри паровой турбины может эффективно сделать систему очень эффективной.За счет использования как высокого, так и низкого давления и наличия пара, работающего на каждой стадии своего расширения, процесс может оставаться в высокой степени изоэнтропичностью . Это просто означает, что энтропия, которая входит в систему, аналогична той, которая выходит. Другое преимущество конструкции заключается в том, что вращение турбин создает вращательное движение, которое может быть идеальным как для выработки электроэнергии, так и для поворота лопастей или других приводных механизмов на кораблях.

Большой процент всей электроэнергии, производимой в мире, производится с помощью паротурбинных генераторов.Они присутствуют как на ископаемом топливе, так и на атомных электростанциях, причем первые сжигают уголь или нефть для нагрева воды до пара, а вторые полагаются на реакцию ядерного деления для генерации пара. Кроме того, некоторая энергия вырабатывается с использованием процесса, известного как , сфокусированная солнечная энергия . Этот тип электростанции может использовать солнце для производства пара, который затем может вращать паровые турбины.

.Паровая турбина

— Принцип работы и типы паровой турбины

ЧТО ТАКОЕ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?

Паровая турбина — это один из видов тепловых машин, в которых тепловая энергия пара преобразуется в механическую работу. Конструкция паровой турбины очень проста. К турбине не прикреплен шток поршня, маховик или золотниковые клапаны. Это довольно просто. Он состоит из ротора и набора вращающихся лопастей, которые прикреплены к валу, причем вал расположен в середине ротора.Электрический генератор, известный как паротурбинный генератор, подключен к валу ротора. Турбогенератор собирает механическую энергию с вала и преобразует ее в электрическую. Парогенератор также повышает КПД турбины.

ИСТОРИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Первая паровая турбина была изобретена греческим математиком Героем Александрийским около 120 г. до н.э. и имела возвратно-поступательное движение. Современная паровая турбина была изготовлена ​​сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.Дизайн многократно менялся. Мощность турбины составляет от 0,75 кВт до 1000 МВт. Это широкий спектр применений, таких как насосы, компрессоры и т. Д. Современная паровая турбина также используется в качестве первичного двигателя на большой тепловой электростанции.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Принцип работы паровой турбины зависит от динамического действия пара. Пар с высокой скоростью выходит из сопел и ударяется о вращающиеся лопасти, которые установлены на диске, установленном на валу.Этот высокоскоростной пар создает динамическое давление на лопасти, при котором лопасти и вал начинают вращаться в одном направлении. Как правило, в паровой турбине энергия давления пара отбирается, а затем преобразуется в кинетическую энергию, позволяя пару проходить через Форсунки. Преобразование кинетической энергии выполняет механическую работу с лопастями ротора, а ротор соединен с паротурбинным генератором, который действует как посредник. Турбогенератор собирает механическую энергию от ротора и преобразует ее в электрическую.Поскольку конструкция паровой турбины проста, ее вибрация намного меньше, чем у другого двигателя при той же скорости вращения. Хотя для повышения скорости вращения турбины используются разные типы систем управления.

ТИПЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

По принципу работы существуют различных типов паровых турбин .

, г.

1. По принципу работы паровые турбины в основном делятся на две категории:

а) Импульсная турбина

б).Реакционная паровая турбина

⇨Когда пар попадает на движущиеся лопасти через сопла, называемые импульсной турбиной, и когда он ударяет по движущимся лопастям под давлением через направляющий механизм, называемый реакционной турбиной.

Паровые турбины можно разделить на следующие категории:

2. По направлению потока пара его можно разделить на две категории: —

а).Паровая турбина с осевым потоком: —

б) Паровая турбина с радиальным потоком: —

⇨ Когда поток пара внутри корпуса параллелен оси вала ротора, это называется паровой турбиной с осевым потоком, а поток пара внутри корпуса радиален по отношению к оси вала ротора, что называется паровой турбиной с радиальным потоком.

3. В соответствии с условиями выпуска пара, он делится на две категории: —

a) Паровая турбина с противодавлением или без конденсации: —

б) Паровая турбина конденсационного типа: —

⇨ После расширения пар выбрасывается в атмосферу, называемую паровой турбиной с противодавлением, или паровой турбиной неконденсирующего типа, в противном случае он выпускается в конденсатор, называемый конденсационной турбиной.

4. По давлению пара его можно разделить на следующие категории: —

а) Паровая турбина высокого давления или с отводом или отбором: —

б) Паровая турбина среднего или противодавления: —

в) Турбина низкого давления: —

⇨ Пар высокого, среднего и низкого давления подается в турбину, называемую паровой турбиной высокого давления или паровой турбиной среднего давления, или паровой турбиной с противодавлением и паровой турбиной низкого давления. Эти турбины используются для различных производственных и нагревательных процессов.

5. По количеству ступеней его можно разделить на следующие категории: —

а) Одноступенчатая паровая турбина: —

б) Многоступенчатая паровая турбина: —

⇨ Пар выходит из форсунок при прохождении через одиночный набор движущихся лопастей, называемых одноступенчатой ​​паровой турбиной, и в многоступенчатый поток движущихся лопастей, называемых многоступенчатой ​​паровой турбиной.

6. По расположению отвала и колес его можно разделить на следующие категории: —

а) Паровая турбина компаундирования под давлением

б) Паровая турбина скоростного компаундирования

c) Комбинированная паровая турбина с импульсной реакцией

г) Паровая турбина с компаундированием по давлению и скорости

РАЗНИЦА МЕЖДУ ПАРОВОЙ ТУРБИНОЙ И ПАРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

☛ Дополнительные вопросы Нажмите здесь

.

Турбина | Британника

Турбина , любое из различных устройств, преобразующих энергию потока жидкости в механическую энергию. Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему стационарных каналов или лопаток, которые чередуются с каналами, состоящими из лопастей, похожих на ребра, прикрепленных к ротору. За счет организации потока так, чтобы на лопасти ротора действовала касательная сила или крутящий момент, ротор вращается, и работа извлекается.

Ветряные турбины возле Техачапи, Калифорния. © Greg Randles / Shutterstock.com

Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер. Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслужить отдельное описание.

Водяная турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы в высоте между верхним водным резервуаром и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий трубопровод), для преобразования этого так называемого напора в работу.Водяные турбины — современные преемники простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.

Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрогенераторами. Турбины приводятся в действие паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в атомном генераторе. Энергию, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии в турбине.Энтальпия отражает формы как тепловой, так и механической энергии в процессе потока и определяется суммой внутренней тепловой энергии и произведением давления на объем. Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с увеличением температуры и давления парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Для газовых турбин энергия, извлеченная из текучей среды, также может быть выражена в единицах изменения энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры в турбине.В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания. Большинство газотурбинных двигателей включает, по крайней мере, компрессор, камеру сгорания и турбину. Обычно они монтируются как единое целое и работают как полный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно учитывать все устройство, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбину.По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье двигатель внутреннего сгорания.

Энергия ветра может быть извлечена ветровой турбиной для производства электроэнергии или для откачки воды из скважин. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важным источником энергии с позднего средневековья до 19 века.

Фред Лэндис

Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реакционные турбины, обычно используемые для напора ниже примерно 450 метров и среднего или высокого расхода.Эти два класса включают в себя основные типы, обычно используемые, а именно, импульсные турбины Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсис, пропеллер, Каплана и Дериаза. Турбины могут иметь горизонтальный или, чаще, вертикальный вал. Для каждого типа возможны широкие вариации конструкции для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Импульсные турбины

В импульсной турбине потенциальная энергия или напор воды сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы.Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ковши, закрепленные на периферии бегунка, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.

Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная водная струя попадает в лопасти турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется, оставляя желоб с обеих сторон. Колеса Пелтона подходят для высоких напоров, обычно выше 450 метров при относительно низком расходе воды.Для максимальной эффективности скорость конца рабочего колеса должна составлять примерно половину скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.

Мощность одного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Для горизонтальных валов характерны двухструйные устройства. Иногда на одном валу устанавливаются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.

Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждое сопло регулируется расположенным в центре наконечником или иглой аккуратной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.

Правильная конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из сопла, остается практически неизменной независимо от отверстия, обеспечивая почти постоянную эффективность в большей части рабочего диапазона.Нецелесообразно внезапно уменьшать поток воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидроудару) в подающем трубопроводе или водопроводе. Таких скачков можно избежать, добавив временное сопло для разлива, которое открывается при закрытии основного сопла, или, что чаще, частично вставляя отражающую пластину между струей и колесом, отклоняя и рассеивая часть энергии при медленном закрытии иглы.

Другой тип импульсной турбины — турбина турго.Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает двигаться по единственному пути, выбрасывая его с другой стороны. Этот тип турбины использовался в установках среднего размера с умеренно высоким напором.

Реакционные турбины

В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочего колеса реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и расходов, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный впускной кожух, который включает регулирующие заслонки для регулирования расхода воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Впоследствии энергия воды отбирается в роторе.

Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: турбины Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерные.В турбинах Каплана с неподвижными лопастями и с регулируемыми лопастями (названными в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана), по существу, существует осевой поток через машину. Турбины типа Фрэнсиса и Дериаза (в честь американского изобретателя британского происхождения Джеймса Б. Фрэнсиса и швейцарского инженера Поля Дериаза, соответственно) используют «смешанный поток», когда вода поступает радиально внутрь и выходит в осевом направлении. Рабочие лопасти на турбинах Фрэнсиса и пропеллера состоят из неподвижных лопастей, в то время как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к ​​главному валу.

.

Что такое паровая турбина и как она работает?

Паровая турбина — это первичный двигатель, преобразующий тепловую энергию в механическую. В обычном цикле паровых турбин в качестве рабочего тела используется вода. Вода в котле нагревается за счет сжигания топлива. Он испаряется в пар, который расширяется в турбине, где вырабатывается механическая энергия. Образующийся пар имеет высокую температуру и высокое давление. Температура обычно находится в диапазоне от 450 до 540 градусов по Цельсию.Давление колеблется от 60 до 120 бар.

Важнейшими частями всех паровых турбин являются сопла и лопатки.

И температура, и давление падают, когда пар проходит через турбину. Чем больше перепад давления, тем больше энергии можно получить из пара. Более эффективные электростанции конденсируют пар обратно в воду в конце турбины.

Теоретический максимальный КПД электростанции на основе паровой турбины определяется разницей между температурой, при которой пар входит в турбину высокого давления, и температурой, при которой он выходит из турбины низкого давления.Чем больше разница температур, тем больше энергии можно извлечь.

Паровые турбины находят все более широкое применение в обрабатывающей промышленности (например, в сталелитейной и химической), производящей большое количество отработанного тепла. Вырабатываемое отработанное тепло можно использовать для выработки пара, а также электроэнергии. Капитальные затраты на такие установки могут быть немного выше, но выработка электроэнергии представляет собой полезный побочный продукт, когда отходы в любом случае необходимо сжигать.

Паровые турбины также могут успешно применяться в отраслях с более высокими требованиями как к пару, так и к энергии.Они используются в когенерации или комбинированном производстве тепла и электроэнергии, где технологический пар также используется в турбине для выработки электроэнергии. Это также приводит к существенному повышению общей эффективности процесса.

1. Ротор
2. Корпус
3. Паровой резервуар
4. Подшипники
5. Муфта
6. Сальники
7. Клапан аварийного останова
8. Регулирующие клапаны
9. Система управления

1. РОТОР:

Лопасти служат для преобразования тепловой энергии пара в механическую.Ротор турбины, как носитель лопаток, передает импульсы механической энергии на движущиеся лопатки, передает импульсы механической энергии на движущихся лопатках в виде энергии вращения на приводимое оборудование.

Ротор турбины изготовлен из хромомолибденовой легированной стали. Подвижные лопасти установлены в пазах, выполненных на роторе. В турбине используются движущиеся и неподвижные лопатки. Неподвижные лопатки либо прикреплены непосредственно к корпусу турбины, либо находятся в держателях.К внешним краям неподвижных лопастей прикреплены короткие полосы металла, покрывающие их. Этот кожух используется для поддержания жесткости лопастей. Импульсное колесо на впускном конце ротора оснащено лопастями другого типа и служит ступенью регулирования.

Радиальное отверстие с резьбой, просверленное в шпильке шейки переднего подшипника, предназначено для установки датчика превышения скорости. Кулачки, выступающие из цилиндрической поверхности шпильки с каждой стороны резьбового отверстия, служат защитой от чрезмерного осевого смещения ротора.Когда во время работы турбины происходит такое недопустимое осевое смещение ротора, любой из двух кулачков входит в зацепление с рычагом устройства аварийного отключения и, таким образом, вызывает прекращение подачи пара.

Зубчатое колесо, установленное путем усадки на задний конец ротора, позволяет в сочетании с механическим блокирующим механизмом медленно вращать ротор вручную во избежание деформации.

2. КОРПУС:

Корпус турбины изготовлен из литой стали и разделен по горизонтали, стык находится на уровне оси ротора.Корпус турбины вмещает и поддерживает ротор турбины, лабиринтные уплотнения и подшипники. Корпус отлит из двух половин и скреплен болтами с металлической посадкой. Корпус обратного давления турбины поддерживается на отдельных опорных тумбах с уровнем опорной поверхности с осью ротора. Это гарантирует, что положение корпуса относительно ротора всегда остается постоянным при всех рабочих температурах. Таким образом, радиальный зазор лезвия не изменяется. Чтобы позволить неограниченное горизонтальное расширение кожуха без смещения его центра.

3. ПАРОВОЙ СУНДУК:

В паровом ящике находится узел дроссельной заслонки. Здесь основной пар сначала входит в турбину. Узел дроссельной заслонки регулирует количество пара, поступающего в турбину. Пройдя через дроссельную заслонку, пар попадает в сопловой блок.

4. ПОДШИПНИКИ:

Для выдерживания веса турбины и управления радиальной и осевой центровкой используются подшипники двух различных типов.

A. ПОДШИПНИК ЖУРНАЛА:

Подшипник скольжения поддерживает радиальное выравнивание турбины и выдерживает вес ротора.Подшипники имеют сферическую посадку, допускающую небольшое радиальное смещение только во время установки. Они расположены на переднем и заднем конце ротора турбины.

B. УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК:

Упорный подшипник расположен в опоре переднего подшипника и предназначен для восприятия остаточного осевого усилия, присутствующего в турбине, которое не было устранено уравновешивающим поршнем, а также для поддержания осевого положения ротора в кожухе.

Упорные подшипники двухстороннего действия, сегментные башмаки, типа Кингсбери, обладающие преимуществами компактности и равномерного распределения давления на всех упорных подушках.

5. САЛЬНИКИ:

Сальники с лабиринтными уплотнениями установлены на обоих концах, где вал проходит через корпус турбины. Лабиринт состоит из уплотнительных лент в неподвижной части сальника и канавок, обработанных на валу.

6. КЛАПАН АВАРИЙНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ:

Клапан аварийного останова предусмотрен на входе пара в турбину. Он устанавливается непосредственно на корпусе с целью уменьшения количества пара, удерживаемого между запорным клапаном и регулирующими клапанами.В случае внезапного сброса нагрузки большее количество захваченного пара может привести к превышению скорости турбины.

7. РЕГУЛИРУЮЩИЕ КЛАПАНЫ:

Регулирующие клапаны регулируют количество пара, поступающего в турбину, в зависимости от нагрузки. Конусы регулирующих клапанов подвешены к балке. Балка поддерживается двумя шпинделями, которые поднимаются и опускаются с помощью системы рычагов с помощью серводвигателя, расположенного рядом с клапанами. Расстояние подвешивания каждого регулирующего клапана регулируется относительно его седла клапана на балке, так что, когда балка поднимается, клапаны последовательно открываются, и пар постепенно поступает в различные группы сопел.

8. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ:

Самая важная и важная часть паровой турбины — это система управления. Система управления должна быть простой по конструкции, стабильной во время работы и высоконадежной. Система управления состоит из ряда основных элементов управления и защиты. Элементами регулирования скорости являются регулятор датчика скорости с соответствующим трансформаторным усилителем, серводвигатель и регулирующие клапаны.

Прилагаются дополнительные усилия для повышения эффективности паровых турбин.Области:

1. Развитие сверхкритических технологий с целью повышения эффективности на 50 процентов.
2. Ремонт и модернизация для большего соотношения цены и качества.
3. Комбинация тепла и электроэнергии для низкой стоимости и большей гибкости.
4. Паровые турбины парогазового цикла — новый рынок.
5. Чистые угольные технологии FBC, PFBC, IGCC и др. Для повышения общей эффективности и снижения уровня загрязнения.

.