Паровая турбина является единственным нашедшим широкое распространение двигателем современных . Это объясняется большими преимуществами турбины перед другими тепловыми двигателями, о чем мы расскажем далее.
Познакомимся прежде всего с принципом работы турбодвигателя.
Принципиальное отличие турбин от поршневых двигателей заключается в том, что поршневые двигатели (паровые машины, поршневые двигатели внутреннего сгорания) превращают в работу тепловую энергию, заключенную в паре или газе, а в турбинах (паровых или газовых) тепловая энергия сначала превращается в энергию движения потока газа или пара (кинетическую энергию парового или газового потока), а затем эта -последняя превращается в механическую работу. В соответствии с темой книги нас прежде всего интересует паровая турбина (турбина, работающая на водяном паре). Поэтому мы кратко расскажем сейчас именно о работе паровой турбины.
Простейшая схема устройства турбины показана на рисунке:
На валу турбины помещается диск. Вал и диск турбины составляют одно целое (вращаются вместе); диск насаживается на вал в нагретом состоянии и закрепляется с помощью шпонки. На внешней окружности турбинного диска расположено большое количество так называемых рабочих лопаток, жестко закрепленных на поверхности диска. Для преобразования тепловой энергии пара в энергию движения -имеется одно или несколько сопел. Струя пара, обладающая незначительной скоростью (порядка нескольких десятков метров в секунду), поступает в сопло в направлении стрелки, показанной на рисунке выше. Площадь сечения канала сопла неодинакова по длине сопла. Характер изменения поперечных сечений сопла (профиль сопла) выбирается таким, чтобы скорость струи пара непрерывно возрастала. В современных паровых турбинах скорость потока на выходе из сопла обычно очень велика; она измеряется сотнями метров в секунду ,и во многих случаях превышает скорость распространения звука.
Как показывают теория и опыт, в случаях, когда скорость струи пара на выходе из сопла не должна превышать скорости звука, сопло должно быть суживающимся, т. е. площади поперечных сечений канала сопла должны уменьшаться в направлении движения потока. В этом случае площадь сечения канала сопла на входе будет наибольшей, и площадь сечения канала сопла (на выходе — наименьшей. Сопло будет представлять собой подобие вороши, .по которой струя пара движется от большого входного отверстия к малому, выходному.
В случаях же, когда скорость потока на выходе из сопла должна быть больше скорости звука, площади поперечных сечений канала сопла сначала должны уменьшаться в направлении движения потока, а затем снова увеличиваться. При этом наименьшая площадь поперечного сечения сопла будет где-то в середине. Такое сопло обычно именуют расширяющимся, или сверхзвуковым, соплом. В наиболее узком сечении сопла достигается звуковая скорость (именуемая также критической скоростью), а на выходе из сопла, как уже сказано, — сверхзвуковая скорость.
Суживающееся и расширяющееся сопла представлены на рисунке:
Таким образом, скорость струи пара на выходе из сопла намного превышает скорость потока на входе в сопло. Приращение кинетической энергии потока, естественно, не может происходить «бесплатно». Действительно, за счет увеличения скоростной энергии потока уменьшается тепловая энергия газа или пара. Это видно из того, что температура и давление пара на входе в сопло значительно больше, чем на выходе из сопла.
Струя пара, обладающая весьма большой скоростью, часто превышающей скорость звука, по выходе из сопла поступает в канал между рабочими лопатками. Бели бы рабочие лопатки были плоскими, канал, образуемый ими, прямолинейным, а направление скорости струи, выходящей из сопла, совпадало бы с осью канала, то рабочее колесо турбины осталось бы неподвижным, а скорость на входе в канал, образуемый рабочими лопатками, — и на выходе из него (если пренебречь сравнительно небольшими потерями скорости вследствие прения) была бы одинаковой. На самом деле рабочие лопатки имеют изогнутую форму и образуемый ими канал также имеет криволинейную форму. Поэтому направление скорости потока пара при протекании между рабочими лопаткам и непрерывно изменяется.
Известно, что для того, чтобы изменить скорость какого-либо движущегося тела, необходимо приложить к этому телу определенную силу. Сила эта должна быть тем больше, чем больше изменение скорости. Для того чтобы изменить скорость движущегося поезда, например остановить его, требуется приложить значительную силу к колодкам тормозов. При этом скоростная энергия движущегося поезда вследствие трения колес о колодки тормозов переходит в тепло и поезд останавливается.
Приведем другой пример. Допустим, что по ровной (горизонтальной поверхности катится с определенной скоростью шар. Если на пути шара встречается препятствие, например достаточной прочности стенка, то шар, ударившись об эту стенку, покатится в обратную сторону. Если предположить, что трение отсутствует, а удар является абсолютно упругим (т.е. ни шар, ни стенка не изменяют своей формы: не получают вмятин, стенка не прогибается и т.п.), то скорость шара после удара по своей величине будет равна скорости шара до удара; но направлению же эти две скорости будут противоположны. Усилие, необходимое для изменения направления скорости шара, выразилось в данном случае в том, что стенка, обладая достаточной прочностью, восприняла силу удара.
Для того чтобы изменить направление скорости потока пара, тоже требуется приложить усилие. Так же как и в случае с шаром, это усилие обусловливается прочностью рабочей лопатки. Отличие же заключается в том, что лопатка закреплена на подвижном диске, который может вращаться вместе с валом. Поэтому сила давления струи на рабочие лопатки, возникающая при изменении направления скорости потока, вызывает вращение турбинного диска.
Не следует думать, что диск турбины приводится во вращение вследствие удара струи газа или пара о рабочие лопатки. В этом смысле между примером с шаром и движением потока в турбине существует различие. Более того, конструируя проточную часть турбины (сопла, рабочие лопатки) всегда стремятся к тому, чтобы по возможности совсем избежать удара, так как следствием его практически всегда является потеря скорости в результате завихривания потока и трения. Вращение вала турбины с жестко насаженным на нем диском достигается благодаря давлению струи пара на вогнутую поверхность лопаток, возникающему вследствие изменения направления скорости потока.
У читателя может возникнуть справедливый вопрос: за счет чего же происходит вращение диска? Если величина скорости пара (при отсутствии трения) на входе в канал между рабочими лопатками и на выходе из него остается неизменной (меняется только направление скорости), то и скоростная энергия потока тоже должна остаться неизменной.
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего дать определение абсолютной и относительной скоростям, указать на различие между ними.
С этой целью разберем следующий пример. Допустим, что от одного берега реки к другому движется паром. Скорость движения парома на рисунке ниже представлена стрелкой, длина которой соответствует численному значению скорости, взятому в определенном масштабе, а направление стрелки совпадает с направлением движения парома. Представим себе, кроме того, что по движущемуся парому идет человек, скорость передвижения которого представлена пунктирным отрезком; направление этого отрезка, так же как и в предыдущем (случае, совпадает с направлением передвижения человека по парому, а длина отрезка соответствует величине скорости, взятой в том же масштабе, что и скорость парома. Из рисунка видно, что направления и величины скорости передвижения парома и скорости передвижения человека по парому различны.
Как определить в этом и подобных ему случаях скорость перемещения человека по отношению к неподвижным предметам, например по отношению к дому, стоящему на берегу реки?
Скорость передвижения человека по отношению к предметам, рассматриваемым нами как неподвижные, например по отношению к стоящему на берегу реки дому, называется абсолютной скоростью. Величина и направление абсолютной скорости человека будут зависеть, во-первых, от величины и направления скорости парома и, во-вторых, от величины и направления скорости передвижения человека по отношению к парому. Первую из этих скоростей называют переносной скоростью, а вторую относительной.
Если переносная и относительная скорости известны, то определить абсолютную скорость оказывается совсем нетрудно. Для этого нужно только отрезки, изображающие переносную и относительную скорости, приложить к телу, абсолютную скорость перемещения которого требуется определить, и совершить построение, подобное представленному на рисунке:
Из рисунка можно установить направление и величину абсолютной скорости перемещения человека, идущего по движущемуся парому. Очевидно, что, зная направление и величины абсолютной скорости и, например, переносной, можно определить направление и величину относительной скорости согласно построению:
Все сказанное имеет прямое отношение к случаю протекания струи пара по каналу, образуемому рабочими лопатками вращающегося турбинного диска. Струя пара, протекающая по каналу между рабочими лопатками, очевидно, перемещается вместе с рабочими лопатками вследствие вращения диска турбины. Таким образом, окружная скорость рабочих лопаток будет являться переносной скоростью для потока пара аналогично скорости перемещения парома в рассмотренном ранее примере. Скорость потока по отношению к рабочим лопаткам явится относительной скоростью подобно скорости передвижения человека по отношению к движущемуся парому. Наконец, абсолютная скорость потока пара, т.е. скорость по отношению к предмету, принятому за неподвижный (в данном случае, например, по отношению к соплу турбины), может быть определена путем геометрического построения (так называемого правила параллелограмма) по известным величинам и направлениям переносной и относительной скоростей, подобно тому как это было показано раньше.
На рисунке ниже схематически представлены сопло и рабочие лопатки, а также показаны абсолютные и относительные скорости потока и окружная (переносная) скорость турбинного диска. На выходе из сопла струя пара обладает определенной абсолютной скоростью. Зная, кроме того, окружную скорость диска, с помощью известного уже построения легко определить относительную скорость потока при входе в канал между рабочими лопатками. Если удар струи о рабочие лопатки и трение отсутствуют, то численные значения относительных скоростей потока на входе в канал между рабочими лопатками и на выходе из него должны быть равны. Относительная скорость струи при выходе из канала, образованного рабочими лопатками, представлена также на рисунке. Зная величину этой скорости, а также окружную скорость, легко определить абсолютную скорость потока при выходе из рабочих лопаток. Из рисунка ясно видно, что величина абсолютной скорости на входе в канал между рабочими лопатками больше величины абсолютной скорости на выходе из этого канала.
Теперь мы можем дать исчерпывающий ответ на вопрос, поставленный читателем. Скоростная энергия потока (кинетическая энергия) за рабочими лопатками меньше кинетической энергии потока перед рабочими лопатками, так как по своему численному значению равны только лишь относительные скорости, но не рамы (а это главное) абсолютные скорости. Следовательно, вращение турбинного диска происходит не «бесплатно», а за счет уменьшения кинетической энергии потока.
Как показывает опыт, абсолютную скорость на выходе не удается использовать полностью. Поэтому турбина будет работать тем более экономично, чем меньше будет, при прочих равных условиях, численное значение абсолютной выходной скорости. Из рисунка выше видно, что для этого необходимо так выбрать направления всех других скоростей, чтобы отрезок, представляющий абсолютную выходную скорость, оказался бы расположенным вертикально (перпендикулярно к направлению окружной скорости). Оказывается, что это условие будет выполнено в том случае, когда абсолютная скорость потока на выходе из сопла будет примерно в два раза превышать окружную скорость.
Для того чтобы при протекании 1 килограмма пара через сопла и рабочие лопатки турбины превратить большее количество тепловой энергии в энергию механическую и далее в энергию электрическую, необходимо повышать температуру и давление пара при входе в турбину и понижать на выходе из турбины.
Чем же устанавливается предел повышения давления и температуры пара перед турбиной (так называемых начальных параметров пара) и понижения давления и температуры пара за турбиной (так называемых конечных параметров пара)?
Чем выше начальные параметры пара, тем в более тяжелых условиях приходится работать металлу, из которого выполнены детали котла и турбины и в первую очередь трубы пароперегревателя и рабочие лопатки турбины. Качество металла — вот что определяет наибольшие значения . В настоящее время полностью освоены установки, работающие на водяном паре с давлением 90—140 атмосфер, с температурой около 500 °С. Продолжается широкое внедрение установок, работающих на водяном паре с начальным давлением около 175 атмосфер и с температурой 550 °С. Имеются уже экспериментальные установки, использующие водяной пар при давлении 300 атмосфер, с температурой 600 °С. В результате работы наших металлургов качество металла непрерывно повышается. Вместе с улучшением качества металла растут и начальные параметры пара.
Из турбины пар поступает в конденсатор, предназначенный для превращения пара в воду. Для того чтобы сконденсировать пар в воду, необходимо непрерывно охлаждать конденсатор. Для этой цели служит охлаждающая вода, забираемая обычно из естественных водоемов. Температура конденсирующегося пара не может быть ниже температуры охлаждающей воды. Таким образом, температура пара на выходе из турбины, а вместе с тем и давление пара определяются температурой охлаждающей воды. Опыт показывает, что при охлаждении конденсатора водой естественных источников может поддерживаться около 30 °С, а конечное давление около 0,04 атмосферы. Следовательно, в конденсаторе паровой турбины давление во много раз меньше атмосферного.
Если бы в соплах турбины пар расширялся от начального давления 100 атмосфер и температуры 600 °С до конечного давления 0,04 атмосферы, то абсолютная скорость пара на выходе из сопла составила бы около 1750 метров в секунду. Согласно сказанному выше для экономичной работы турбины необходимо было бы иметь окружную скорость свыше 800 метров в секунду. Но центробежные силы, являющиеся следствием таких колоссальных окружных скоростей, были бы настолько велики, что напряжения в диске турбины и особенно рабочих лопатках намного превысили бы допустимые и они разрушались бы.
Таким образом, мы пришли к противоречию, которое на первый взгляд кажется трудно разрешимым: для наиболее экономичной работы турбины требуется реализовать такие высокие окружные скорости, которые являются явно недопустимыми с точки зрения прочности.
Однако, решение вопроса оказывается неожиданно простым. Окружная скорость может быть в несколько раз снижена, а экономичность работы нисколько не уменьшится, если турбину выполнить многоступенчатой, т. е. пропускать пар последовательно через несколько рядов сопел и рабочих лопаток. Схематическое изображение многоступенчатой турбины представлено на рисунке:
Каждая ступень такой турбины представляет собой как бы простейшую турбину. Представленная на рисунке выше турбина состоит из трех ступеней, т.е. имеет три ряда последовательно расположенных сопел и рабочих лопаток. На валу турбины закреплены три вращающихся вместе с ним диска, снабженных рабочими лопатками. В промежутке между вращающимися вместе с валом дисками установлены неподвижные, скрепленные с (корпусом турбины, перегородки (диафрагмы), назначением которых является сохранение разности давлений между соседними ступенями турбины. В каждой из диафрагм укреплены сопла. Первый ряд сопел, обычно располагающийся только лишь на части окружности, укреплен непосредственно в корпусе турбины.
Количество тепловой энергии, превращающееся в механическую в каждой ступени многоступенчатой турбины, отнесенное к 1 килограмму пара, примерно во столько раз меньше по сравнению с одноступенчатой турбиной, сколько ступеней имеет турбина. Следовательно, в многоступенчатой турбине меньше будет и абсолютная скорость пара на выходе из сопел, а вместе с тем и окружная скорость рабочих лопаток.
В настоящее время все мощные, обладающие высоким К.П.Д. турбины, делаются многоступенчатыми. Такие машины являются весьма сложными, имеют много различных вспомогательных устройств и механизмов, а заводы, изготавливающие их, оборудованы по последнему слову техники.
Вы может почитать более подробно какие бывают .
Для вращения паровых турбин, как было сказано выше, используется пар, получаемый в паровых котлах. Пар можно также использовать и для . Производство парогенераторов для этих целей является также ответственным моментом. Парогенераторы РИ-5М будут оптимальным выбором, к тому же их отгружают по всей России.