Принцип работы паровой турбины

Критическое давление и критическая скорость

Первые попытки изобретателей еще не изучивших процесса расширения пара, построить промышленно пригодную паровую турбину натолкнулись на следующее затруднение: оказывается, что если сосуд, в котором находится пар под давлением, снабдить нерасширяющейся трубкой (соплом) цилиндрической или иной формы (рис. 4), через которую будет происходить истечение пара в пространство с меньшим давлением, то пар в этой трубке будет терять давление и приобретать скорость, но только до определенного предела; в случае сухого насыщенного пара у выхода из трубки давление его не может быть меньше 0,58 начального давления. Это давление называется критическим давлением. Соответственно этому давлению мы получим и некоторую предельную скорость истечения, которая называется критической скоростью. Для перегретого пара критическое давление равно 0,546 от начального давления.

 

Таким образом, если в нашем сосуде находится сухой насыщенный пар при давлении р₀=10 ата, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получим давление

р₁=10*0,58=5,8 ата,

то есть мы используем для превращения в скоростной напор перепад давлений, равный только

10-5,8=4,2 ата.

Дальше, выйдя из устья сопла, пар, расширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его в направлении оси сопла почти не произойдет. Следовательно, пользоваться цилиндрическим (нерасширяющимся)соплом целесообразно только тогда, когда начальное давление пара не превышает примерно двойного давления в пространстве, куда он вытекает; например, при выпуске пара в атмосферу рабочее давление перед соплом не должно превышать 1,8 ата.

Если отношение давлений перед и за трубкой больше 1,8, то для полного преобразования энергии давления в скоростную энергию нужно, чтобы трубка (сопло) имела после узкого сечения расширяющуюся часть (рис. 5).

Отличительная особенность расширяющегося сопла заключается в том, что давление пара у выхода из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он вытекает. При этих условиях пар вытекает из сопла с сверхкритической скоростью и идет ровной струей, вся энергия которой может быть использована на лопатках турбины. Расширяющееся сопло дает возможность использовать любые перепады давлений, полностью преобразовываю в пределах данного перепада давлений потенциальную энергию пара в кинетическую.

Два принципа работы пара в турбине

Из сказанного выше вытекает, что, используя расширение пара в турбине, мы можем получить механическую работу, эквивалентную располагаемому перепаду тепла за вычетом потерь. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу может происходить различным образом в зависимости от типа турбины.

Турбины, у которых расширение пара происходит только в неподвижных соплах до вступления его на рабочие лопатки, называется активными турбинами.

Турбины, у которых расширение пара совершается не только до вступления его на рабочие (подвижные) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинами, работающими с реакцией. Если теплопадение в соплах составляет примерно половину общего теплопадения (или меньше), турбину принято называть реактивной.

Струя жидкости, направленная на лопатку, оказывает на нее давление, которое зависит от расхода жидкости, скорости ее при входе на поверхность и при выходе с нее, формы поверхности лопатки, угла направления струи относительно этой поверхности и разности давлений жидкости перед и за лопаткой. При этом вовсе не требуется, чтобы струя ударяла о лопатку; наоборот, этого нужно всегда избегать и стремиться к тому, чтобы поток не ударял о лопатку, а плавно ее обтекал.

Дело в том, что при обтекании паром лопаток, так же как при обтекании воздухом крыла самолета, с обеих сторон поверхности лопатки образуется разное давление: с вогнутой стороны давление всегда выше, чем с выпуклой. Вследствие этого получается сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны; она заставляет лопатки перемещаться и совершать работу. Отцом русской авиации" профессором Н. Е. Жуковским установлены основные законы для определения "подъемной силы" крыла самолета, обтекаемого воздухом; применение этих законов помогает конструкторам современных турбин создавать наилучшие профили лопаток, обеспечивающие малые потери.

Однако при элементарном изучении преобразования энергии в турбине и конструкций турбин удобнее и нагляднее разделять и рассматривать особо активные и реактивные ступени и происходящие в них процессы. При этом часто вводятся еще некоторые упрощения; в частности, поток пара в соплах и между лопатками рассматривается в ряде случаев как некоторая сплошная струя несжимаемой жидкости, имеющая одинаковые скорости и давления в любой точке входного или выходного сечения.

Ниже рассмотрим подробнее, как работают активная и реактивная ступени турбины.

Активный принцип

Так как кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату скорости его движения, то даже тела с очень малой массой, но движущиеся с большими скоростями могут обладать большой кинетической энергией. С другой стороны, кинетическая энергия чрезвычайно быстро уменьшается при уменьшении скорости движения тела. По закону сохранения энергии всякое тело, движущееся с некоторой скоростью и задержанное в своем движении должно отдать при этом всю ту энергию, которую нужно было затратить, чтобы сообщить ему скорость, с которой оно двигалось.

При ударе струи о плоскую поверхность, перпендикулярную направлению движения струи, можно предположить два возможных случая:

а) Поверхность закреплена неподвижно; тогда кинетическая энергия задержанной в своем движении струи частично превратится в тепловую энергию, а частично будет расходоваться на отбрасывание частиц жидкости в стороны и в обратном направлении, на образование вихрей в струе и на разрушение поверхности. Никакой полезной работы при этом не будет совершено вследствие неподвижности поверхности.

б) Поверхность может перемещаться (рис 6,а); тогда кинетическая энергия частично превратится в работу перемещения поверхности, которую можно полезно использовать, а частично будет затрачена бесполезно (как и при неподвижной поверхности).

Очевидно, что в паровой турбине потеря энергии, то есть та часть энергии, которая не превращается в полезную работу, должна быть минимальной; кроме того, струя пара не должна повреждать поверхностей лопаток, на которые она направлена. Достигнуть этого при ударном действии струи нельзя; фурма лопаток турбины должна быть выбрана такой, чтобы струя пара, выходящая из сопла, плавно вступала на лопатки и передавала им наибольшую возможную часть своей энергии.

Путем расчета и опытов было найдено, что поверхности тела, на которую направлена струя, следует придать такую форму, чтобы направленная на него струя совершала поворот и меняла направление своего движения на прямо противоположное (рис. 6,б).

Законы механики так объясняют взаимодействие между струей и предметом. На предмет (лопатку) действует со стороны движущейся криволинейно струи центробежная сила; она распределена по поверхности лопатки, оказывает на нее давление и заставляет перемещаться и совершать работу.

На (рис. 7) изображена полукруглая лопатка. Предположим, что на нее направлена струя пара. Каждая частица пара действует на лопатку с силой, равной центробежной силе и направленной по нормали к поверхности лопатки, то есть по линии, соединяющей центр А полуокружности лопатки с центром тяжести частицы. Рассмотрим три такие частицы а, b, и с. Центробежные силы Р, возникающие от частиц а и с, по законам механики можно разложить на силы Р₁, напралвенные вертикально, и на силы Р₂, направленные горизонтально. Вертикальные силы Р₁ направлены во взаимно противоположные стороны и, будучи равными по величине, взаимно уничтожаются, то есть не оказывают влияния на движение лопатки.

Горизонтальные силы Р₂ становятся тем больше, чем ближе частица расположена к точке В, в которой Р₂=Р₁, а Р₁=0. Сумма сил Р₂ представляет собой ту силу, которая заставляет перемещаться лопатку вправо; помножив эту силу на путь, пройденный лопаткой, мы получим полезную работу, совершенную струей пара. При каких условиях эта работа будет максимально малой, мы рассмотрим ниже

На практике струя обычно направлена под некоторым углом к направлению движения лопаток (рис. 8). Профили лопаток не представляют собой полуокружностей; они образуются отрезками кривых и прямых линий так, чтобы было обеспечено безударное вступление струи пара и высокое использование ее скорости.

Рабочий процесс активной турбины

Свежий пар с давлением р₀ и скоростью с₀ поступает в сопло 4 и расширяется в нем до давления р₁; при этом скорость струи пара возрастает до величины с₁. С этой скоростью струя подходит к рабочим лопаткам 3 и, воздействуя на лопатки, заставляет диск 2 и вал 1 вращаться, производя механическую работу.

По выходе из рабочих лопаток струя имеет скорость с₂ (выходную скорость) меньшую, чем с₁, так как кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. Хотя давление в различных местах криволинейного канала, образованного рабочими лопатками, неодинаково, но при входе в канал и при выходе из него оно одинаково, так как каналы между лопатками имеют одинаковое сечение по длине и в них не происходит добавочного расширения пара.

Практически, как мы увидим ниже, сечения каналов между лопатками активных турбин приходится выполнять несколько возрастающими по направлению течения пара; это вызывается тем обстоятельством, что вследствие трения и ударов при протекании паровой струи между лопатками теплосодержание пара несколько возрастает; следовательно, для того чтобы давление его оставалось неизменным, необходимо постепенное увеличение сечений каналов.

Отработавший пар с давлением р₂=р₁ уходит из турбины через выпускной патрубок 6.

Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: Падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и при выходе с них одинаково.

Необходимая скорость на окружности турбинного диска

Нетрудно сообразить, что если лопатка (рис. 7) движется под действием какой-либо внешней силы с той же самой скоростью, что и направленная на нее струя пара, то она не оказывает струе какого-либо сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии. Такое же явление получится, если скорость лопатки будет больше скорости струи; в этом случае лопатка просто уйдет вперед, обгоняя струю.

Вообразим теперь, что лопатка закреплена в неподвижном состоянии; тогда струя пара, направленная на изогнутую поверхность лопатки, не совершит работы ее передвижения, а переменит направление своего движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила, если не считать небольших потерь на трение о поверхность лопатки; следовательно, кинетическая энергия струи останется неиспользованной.

Рассмотрим теперь такой пример: допустим, что скорость подтекания струи пара равна 500 м/сек, м скорость лопатки равна 250 м/сек; в этом случае струя вступит на лопатку с относительной скоростью в 250 м/сек и, изменив направление своего движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/сек относительно лопатки.

Но так как лопатка движется вперед со скоростью 250 м/сек, то скорость обратного движения струи равна и противоположна по направлению скорости лопатки и по отношению к какой-либо неподвижной точке пространства будет равна нулю.

Из сказанного можно сделать тот вывод, что для полного использования кинетической энергии пара скорость движения лопатки активной турбины должна быть в 2 раза меньше скорости истечения струи пара из сопла.

Скорость истечения пара из сопла, как мы уже говорили, зависит от разности его начальной и конечной энтальпии. Чем больше перепад тепла при расширении пара, тем больше скорость его истечения. Современные котельные установки строятся для давлений 35-90 ата и выше (до 300 ата), выпускают же отработавший в турбине пар обычно в конденсатор, где давление держат возможно более низким. Если бы соответствующий теплоперепад был использован сразу для получения скорости, ее значения превосходили бы 1000 м/сек; например, при расширении насыщенного пара от сравнительно невысокого давления 10 ата до давления, равного 0,1 ата (в конденсаторе), скорость истечения достигает 1167 м/сек, то есть будет значительно больше скорости полета пули, выпущенной из винтовки. При применении перегретого пара скорости истечения получаются еще большими, так как возрастают располагаемые перепады тепла.

Для наивыгоднейшего использования кинетической энергии пара скорость u на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали, только в 2 раза меньше скорости с₁ истечения пара из сопла. Так, для скорости истечения пара с₁=1200 м/сек скорость u на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/сек. Такую высокую окружную скорость осуществить в турбине пока невозможно, так как еще не существует материалов, могущих выдержать колоссальные напряжения от центробежной силы, развивающиеся при окружных скоростях, значительно превышающих 400 м/сек. Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/с₁ вызывает сильное снижение к.п.д. турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине можно использовать с хорошим к.п.д. лишь сравнительно небольшие теплопадения.

В турбинах с небольшими расходами и высокими скоростями пара приходится применять диски небольшого диаметра для того, чтобы не получить слишком низкими рабочие лопатки. К тому же диски малого диаметра легче изготовить лучшего качества. Но при малых диаметрах диска и высоких окружных скоростях получается высоким число оборотов.

 

Большинство же приводимых турбинами машин (генераторы, насосы и т.п.) требует числа оборотов порядка 3000 об/мин и ниже, а следовательно, высокооборотной турбиной и вращаемой ею машиной приходится вводить понизительную зубчатую передачу (редуктор); при этом размеры передачи не редко превышают размеры самой турбины, а к.п.д. установки понижается за счет механических потерь в редукторе.

На электростанциях зубчатые редукторы почти не применяются, но они нашли широкое применение на кораблях, так как для гребных винтов необходимо очень низкое число оборотов (от 100 до 500 об/мин), а турбина с таким числом оборотов получилась бы громадных размеров.

Невысокий к.п.д. и некоторые конструктивные трудности ограничивают мощность одноступенчатых турбин величиной 500-800 квт.

Одноступенчатые турбины, однако весьма просты и надежны в работе, и они часто применяются для привода вспомогательных механизмов, экономичность которых не имеет существенного значения.

 

Повышения экономичности турбины, работающей при большом теплопадении с умеренными окружными скоростями, можно достигнуть путем:

 

1) применения ступеней давления;

2) применения ступеней скорости.

Ступени давления

Идея ступеней давления заключается в следующем: вместо того чтобы вести расширение пара от давления в котле до противодавления в один прием, можно разделить этот процесс на части или ступени, используя в каждой ступени небольшие перепады давлений. Подобного рода устройства примененное для водяной турбины, изображено на (рис. 10), рассмотрим его подробно.

Как видно из чертежа, уровень воды в баке на 500 м выше сопла 1; при этом скорость истечения воды из сопла будет равна примерно 100 м/сек, и наивыгоднейшая скорость на окружности колеса турбины должна равняться 100/2=50 м/сек, для чего нужно 2000 об/мин при диаметре колеса 0,5 м.

Если же мы напор воды разделим на четыре части так, чтобы сопла 2,3,4 и 5 питались каждое из бака, в котором уровень воды стоит на высоте, в 4 раза меньшей, то есть 125 м, то скорость истечения из этих сопел будет уже не 100 м/сек, а только 50 м/сек, и колеса, насаженные на общий вал, должны будут вращаться с окружной скоростью 50/2=25 м/сек, то есть делать только 1000 об/мин при том же диаметре. Количество работы, которое мы при этом получаем, будет тем же самым, если не считать несколько большие потери на трение во втором случае.

Подобным же образом паровую турбину с несколькими ступенями давления можно рассматривать как состоящую из нескольких одноступенчатых турбин, соединенных последовательно, причем все диски сидят на общем валу, а пар, сработав в первой турбине часть располагаемого перепада давлений, переходит во вторую, затем в третью и т.д. до тех пор, пока давление его не сравняется с противодавлением атмосферы или конденсатора.

Турбина с числом ступеней равно 9 будет иметь наивыгоднейшую окружную скорость в 3 раза, а турбина с 16 ступенями в 4 раза меньшую, чем одноступенчатая турбина, использующая тот же перепад тепла.

На (рис. 11), изображающем схематический разрез активной турбины с тремя ступенями давления, видно, что корпус турбины разделен диафрагмами (перегородками) на три отделmные камеры. Пар может проникать из одной камеры в следующую только через сопла , расположенные в диафрагмах по их окружности. Расширение пара происходит следующим образом: пар высокого давления подводят из паропровода в кольцевую камеру 1, по окружности которой имеется ряд сопел 2. В соплах 2 происходит некоторое понижение давления, и по выходе из сопел пар приобретает известную скорость, энергию которой и перепад лопатками 3 первого диска. За лопатками 3 пар имеет небольшую скорость, но пройдя через сопла 4, опять несколько расширяется и приобретает большую скорость, которую и передает лопаткам 5. То же самое происходит и в следующей ступени, в которой расширение ведут до давления в пространстве 6, соединенном с атмосферой или конденсатором.

Весь этот процесс легко проследить по нанесенным в верхней части (рис. 11) кривым, определяющим давления и скорости пара перед и за соплами и за рабочими лопатками. Сравнив эти кривые с имеющимися на (рис. 8), мы увидим, что рабочий процесс одноступенчатой турбины здесь повторяется 3 раза, по числу ступеней давления; при этом давление в каждой следующей ступени понижается, а скорости истечения примерно одинаковы. Последнее достигается выбором соответствующих размеров сопле.

При значительном числе ступеней перепады давлений в каждой ступени получаются небольшими и скорости истечения пара ниже критической; поэтому применение расширяющихся сопел в многоступенчатых турбинах стало уже необязательным; в современных турбинах, как правило, применяют лишь суживающиеся сопла. Этому способствует рассмотренная ниже возможность расширения пара в косом срезе суживающихся сопел до давления ниже критического.

 

Перепад тепла между ступенями турбины распределяют иногда поровну, чаще же принимают более высокие перепады в первой и последних ступенях; это дает возможность, с одной стороны, понизить давление и температуру в корпусе турбины за счет срабатывания большого перепада давлений в первой ступени, а с другой,- получить меньшую высоту лопаток в последних ступенях за счет больших скоростей протекания пара.

Падения давления по ступеням всегда получаются неодинаковыми: в первых ступенях давление падает резко, в последних же незначительно.

В качестве примера ниже приведена таблица распределения давлений по ступеням активной турбины с 13 ступенями давления, работающей свежим паром давлением 28 ата, температура пара= 400^о С и с противодавлением в конденсаторе= 0,05 ата

При этом перепады тепла составляют от 16,2 ккал/кг в первых ступенях до 32 ккал/кг в последней ступени.

N ступени	Давление перед соплами, ата	Давление после сопле, ата	Перепад давлений, ата	N  ступени	Давление  перед соплами, ата	Давление  после сопле, ата	Перепад давлений, ата
1	28,0	21,8	6,2	8	3,4	2,1	1,3
2	21,8	16,9	4,9	9	2,1	1,2	0,9
3	16,9	13,0	3,9	10	1,2	0,6	0,6
4	13,0	10,0	3,0	11	0,6	0,3	0,3
5	10,0	7,3	2,7	12	0,3	0,16	0,14
6	7,3	5,1	2,2	13	0,16	0,05	0,11
7	5,1	3,4	1,7

Порядковые номера ступеней давления всегда отсчитываются по направлению течения пара в турбине

Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то сечения сопел и высота лопаток постепенно возрастают от первой ступени к последней. За редкими исключениями диафрагмы делают разъемными на две части, причем плоскость разъема проходит через чентр диафрагмы и совпадает с плоскостью разъема корпуса турбины. При установке ротора на место его диски поместятся между соответствующими диафрагмами.

Внутренняя расточка диафрагмы снабжается уплотнениями для уменьшения неизбежной утечки пара помимо сопел. При выходе ротора из корпуса также имеются концевые уплотнения.

Ступени скорости

Если затормозить вращающийся диск турбины до полной его остановки, то пар, вступив на лопатки, уйдет с них, не совершив работы, и, следовательно, сохранит всю свою скорость за исключением небольших потерь на трение.

Допустим теперь, что диск вращается, но медленно, так что скорость лопаток значительно меньше половины скорости пара. В этом случае пар, вступив на движущиеся лопатки, совершит некоторую работу, отдаст часть своей кинетической энергии и уйдет с лопаток, обладая еще значительной скоростью. Естественно напрашивается мысль использовать оставшуюся скорость дальше; если направить пар на второй ряд лопаток, установив его, например, на том же самом диске, то пар отдаст им часть оставшейся кинетической энергии.

Сущность происходящего явления легче понять, если рассмотреть (рис. 12) и (рис. 13). Изображенная на (рис. 12) тележка А движется со скоростью, равной половине скорости подхода струи, и струя, отдавая ей всю свою энергию, уходит с вогнутой поверхности со скоростью в направлении движения тележки, равной нулю (относительно какой-либо неподвижной точки пространства).

Тележка Б (рис. 13) движется со скоростью, равной четверти скорости подхода струи. По выходе с верхней вогнутой поверхности 1 струя будет иметь скорость, равную половине начальной; затем, не теряя скорости, она меняет направление на неподвижной направляющей лопатке 2 и подходит, таким образом, к поверхности 3 со скоростью, уже удовлетворяющей выведенному нами выше условию, то есть в 2 раза большей, чем скорость тележки. На поверхности 3 струя отдает остаток своей скоростной энергии. Таким образом, благодаря применению двух ступеней скорости тележка Б может двигаться в 2 раза медленнее тележки А, использую весь скоростной напор струи.

В паровой турбине деление скорости на ступени производится следующим образом.

Свежий пар с давлением Р₀ подводится к соплу 4 (рис. 14), где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Вытекая со скоростью С₁ из сопла пар вступает в первый ряд рабочих лопаток 3, где часть его скоростной энергии превращается в работу; при этом изменяется направление движения потока. Выйдя с скоростью С₂ с первого ряда рабочих лопаток, пар попадает в кольцо (или часть кольца) с неподвижными направляющими лопатками 7, поставленными так, что направление пара опять меняется, и во второй ряд рабочих лопаток он входит в направлении, соответствующем профилю второго ряда рабочих лопаток. Сопла и лопатки выполнены так, что пар, проходя через сопла, расширяется до давления Р₁, имеющегося в камере, в которой находится вращающийся диск с лопатками; следовательно, выйдя из сопел, пар больше уже не расширяется и на лопатках менется его скорость, а давление остается без изменения.

Во втором ряду рабочих лопаток, куда пар входит с скоростью С^/₁, несколько меньшей чем С₂, вследствие потерь в направляющих лопатках ( см. схему вверху рис. 14), превращается в работу еще часть скоростной энергии потока; покидая рабочие лопатки второго ряда, пар имеет незначительную скорость С^/₂.

На (рис. 15) изображена часть диска с двумя рядами лопаток; такой диск нередко называют "колесо Кертиса". На (рис. 16) показана секция венца направляющих лопаток (направляющего аппарата).

Теоретически при двух ступенях скорости наивыгоднейшая окружная скорость u будет в 2 раза меньше, чем для одноступенчатой турбины, использующей тот же перепад тепла; при трех ступенях скорости u будет в 3 раза меньше и так далее. Это положение можно доказать математически.

В действительной турбине это отношение несколько меняется; оно зависит помимо числа ступеней от угла между направлениями скоростей u и С^/₁, от величины потерь в соплах, рабочих лопатках и потерь на трение диска о пар.

Из приведенного выше вытекает, что любой перепад давлений и соответствующую ему скорость истечения пара можно использовать в одной ступени давления, подобрав число ступеней скорости так, чтобы окружная скорость не превысила практически допустимых границ. Однако этот метод при большом числе ступеней скорости оказывается невыгодным, так как потери в соплах, в рабочих и направляющих лопатках становятся очень значительными.

Более целесообразно делить турбины на несколько ступеней давления, устроив в каждой из них две или три ступени скорости. Турбины этого типа имеют небольшие габариты, но экономичность их также невысока; поэтому они в настоящее время строятся редко.

Наиболее распространенным в настоящее время типом турбины средней и большой мощности можно считать активную турбину с одним двухвенечным диском (две ступени скорости) в первой ступени давления и простыми одновенечными дисками в остальных ступенях давления. Значение двухвенечного диска в этом случае заключается в том, что, используя значительную часть перепада тепла в первой ступени давления, то есть срабатывая больший перепад давлений, он дает возможность значительно понизить давление и температуру пара в корпусе турбины, уменьшить число последующих ступеней и тем укротить и, следовательно, удешевить турбину.

Турбины с одним двухвенечным или, реже, трехвенечным диском применяются в настоящее время только в тех случаях, когда особенно важны простота и компактность машины; такую конструкцию применяют, например, для небольших вспомогательных турбин, служащих для привода питательных, циркуляционных и конденсатных насосов, турбовентиляторов и т. п.

         Далее  ► ► ►                              Наверх                               Главная страница