Раздел тестой
ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
Глава I
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
§ 6-1. Принципы действия активной турбины
Паровая турбина — это лопаточный тепловой двигатель, являющийся основным силовым агрегатом современной стационарной теплоэнергетики.
Общее представление о принципах работы турбин может быть получено при рассмотрении устройства простейшей из них (рис. 6-1). На валу 1 насажен диск 2, по ободу которого на равных расстояниях закреплены рабочие лопатки 3. Слева от рабочих лопаток в корпусе 5 помещено сопло 4, представляющее собой суживающийся криволинейный канал плавного очертания. При постоянном расходе пара за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается от р0 до p1. Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока частично превращается в кинетическую.
По выходе из сопла поток пара попадает на рабочие лопатки под таким углом наклона, который дает плавное скольжение потока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирующая которых и есть усилие, вращающее лопатки.
Механическая работа потока на лопатках определяется двумя величинами: вращающим усилием и частотой вращения. При вращательном движении рабочих лопаток скорость при выходе из них меньше скорости входа, т. е. на рабочих лопатках происходит второе превращение энергии, а именно кинетическая энергия потока частично переходит в механическую энергию вращения лопаток.
Турбины, в которых поток пара движется параллельно валу, называются аксиальными, при движении потока пара перпендикулярно валу турбины — радиальными. Абсолютное большинство паровых турбин строится аксиальными.
Смежные ряды сопел и последующих рабочих лопаток образуют одну ступень давления, поэтому такую турбину называют одноступенчатой. Диаметр диска 2, измеренный по средней высоте рабочих лопаток d, есть расчетный диаметр ступени давления. Между вращающимися и неподвижными деталями в радиальном и аксиальном направлениях, как это видно на рис. 6-1, всегда имеются зазоры, величина которых зависит от размеров турбины и величин температурных деформаций, возникающих при работе.
Сверху на рис. 6-1 показаны графики изменения давления и абсолютной скорости пара. Давление падает только в соплах, где увеличивается абсолютная скорость потока, а на рабочих лопатках и в зазоре между соплами и лопатками давление практически постоянно. Отдельные ступени или турбины в целом, в которых давление на рабочих лопатках остается постоянным, называются активными. Те ступени или турбины в целом, в которых давление меняется и в соплах, и на рабочих лопатках, называются реактивными.
При однократном расширении в соплах одноступенчатой турбины в большинстве случаев скорость пара при входе его на рабочие лопатки оказывается настолько большой, что на одном ряду лопаток достаточно полно ее использовать нельзя. Поэтому одноступенчатые паровые турбины строятся только на самые малые мощности для привода различных вспомогательных устройств.
На рис. 6-2 в продольном разрезе и в развертке по окружности проточной части дана схема активной турбины с двумя ступенями скорости. Здесь обозначения 1—4 соответствуют обозначениям на рис. 6-1. Как видно из развертки проточной части (внизу), пар из первого ряда рабочих лопаток поступает в неподвижные направляющие лопатки 7, сходные по профилю с рабочими лопатками, но изогнутые в противоположную сторону. Направляющие лопатки укрепляются в корпусе 5 турбины против сопел. Далее пар поступает на второй ряд рабочих лопаток 6. Такой двукратный пропуск потока по рабочим лопаткам позволяет уменьшить потерю кинетической энергии с выходной скоростью и этим увеличить к. п. д.
Рис. 6-1. Схема простейшей активной турбины
Рис. 6-2. Схема активной турбины с двумя ступенями скорости
Сверху на рис. 6-2 отражено изменение давления и скорости по ступеням подобной турбины. На графике видно, что расширение пара происходит только в соплах, т. е. эта турбина является активной. Поэтому и абсолютная скорость достигает максимального значения при выходе из сопел. Далее поток пара попадает на рабочие лопатки первой ступени скорости, где совершает работу. Однако абсолютная скорость при выходе с2 еще довольно велика. Поэтому поток далее попадает в направляющие лопатки, где его абсолютная скорость несколько уменьшается с с2 до с'1 за счет потерь, а затем поток поступает на рабочие лопатки второй ступени. Здесь совершается дополнительная работа, соответствующая уменьшению абсолютной скорости от с'1 до с'2. Во всех зазорах давление принимается постоянным.
Наклон линии абсолютной скорости на рабочих лопатках первой и второй ступеней и на направляющих лопатках различен, так как на рабочих лопатках скорость уменьшается при превращении в механическую работу и ввиду потерь, между тем как в направляющих лопатках уменьшение скорости возникает только за счет потерь.
Рабочие лопатки ступеней скорости для уменьшения стоимости и упрощения конструкции почти всегда ставят на общем диске, который принято называть диском Кертиса.
Размеры сечения проточной части определяют по известному уравнению неразрывности потока
(6-1)
где F — площадь поперечного сечения проточной части, м2;
с — абсолютная скорость потока, м/с;
G — масса пара, кг/с;
ν — удельный объем пара в данном сечении, м3/кг;
G и ν при установившемся потоке по времени не меняются.
Сечение (высота) лопаток от ступени к ступени в проточной части диска Кертиса увеличивается обратно пропорционально изменению абсолютной скорости потока с.
Турбины Кертиса отличаются простотой конструкции, компактностью и небольшой стоимостью. Однако экономичность турбин Кертиса настолько ниже, чем у турбин со ступенями давления, что их самостоятельное применение ограничивается вспомогательными агрегатами малой мощности.
Поскольку диск Кертиса позволяет использовать в нем большую разность давлений, то его часто применяют в качестве первой ступени давления в многоступенчатых турбинах, что позволяет упростить конструкцию всей турбины благодаря уменьшению числа ступеней давления.
В активной паровой турбине с тремя ступенями давления (рис. 6-3) на валу 1 поставлены три диска 4, 7 и 10, на ободе каждого из них размещены рабочие лопатки 3, 6 и 9. Против рабочих лопаток поставлены сопла 2, 5, 8. Сопла второй и третьей ступеней выполнены в перегородках, разделяющих ступени, и называемых диафрагмами. Внизу на рис. 6-3 дана развертка проточной части этой турбины, по которой можно судить о наличии здесь трех последовательно включенных активных ступеней. Вверху показано изменение давления и скорости по отдельным ступеням. В соплах первой ступени давление уменьшается от p0 до р1 и соответственно увеличивается абсолютная скорость пара от с0 до c1. По выходе из сопел пар поступает на рабочие лопатки первой ступени, где кинетическая энергия потока частично превращается в механическую работу; соответственно снижается абсолютная скорость от c1 до с2. Далее процесс понижения давления и увеличения скорости продолжается в соплах 5 и 8 последующих ступеней, как и использование кинетической энергии потока на рабочих лопатках 6 и 9.
Рис. 6-3. Схема активной турбины с тремя ступенями давления
С левой стороны корпуса турбины вокруг вращающегося вала сделано уплотнение для уменьшения утечки в атмосферу. С правой стороны корпуса также поставлено уплотнение, предохраняющее от входа атмосферного воздуха в выпускной патрубок, соединяемый обычно с конденсатором. Чтобы правое уплотнение корпуса не пропускало воздуха, в его среднюю часть впускается пар с давлением больше барометрического. Для вала в диафрагмах сделаны отверстия, также имеющие уплотнения, препятствующие пару попадать в последующие ступени помимо сопел.
Турбины со ступенями давления являются наиболее распространенным типом паровых турбин, строящимся на любые параметры пара и на любые мощности. Для увеличения к. п. д. уменьшают зазоры между рабочими лопатками и соплами последующих ступеней, что дает возможность полно или частично использовать скорость выхода пара с2 в соплах последующих ступеней.
Высота сопел и лопаток в турбине со ступенями давления возрастает по мере увеличения удельного объема пара при последовательном расширении в соответствии с уравнением неразрывности:
Здесь абсолютная скорость потока пара при выходе из сопел или рабочих лопаток в частном случае может быть одинаковой для всех ступеней давления, но удельный объем по мерз расширения увеличивается, что и требует соответствующего увеличения высот сопел и рабочих лопаток.
§ 6-2. Принципы действия реактивных и комбинированных турбин
Поток пара воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только ввиду изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но и вследствие реакции потока, возникающей на рабочих лопатках при уменьшении в них давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие).
Реактивное усилие аналогично движущему усилию в реактивном самолете или отдаче ружья при выстреле.
На рис. 6-4 для сравнения показаны схемы активной и реактивной ступеней. Слева изображен профиль сопел 1 и рабочих лопаток 2 активной ступени в аксиальном разрезе и в развертке. Сверху дано изменение параметров рабочего процесса активной ступени. В соплах уменьшается давление от р0 до р± и возрастает абсолютная скорость потока от с0 до с1. На рабочих лопатках абсолютная скорость потока уменьшается от c1 до с2 ввиду частичного превращения кинетической энергии в механическую работу, а относительная скорость потока уменьшается от w1 до w2 вследствие трения о стенки лопаток, взаимного трения между отдельными струйками в потоке и вихреобразования. Давление рабочего тела остается постоянным.
Рис. 6-4. Схемы активной и реактивной ступеней давления
Рис. 6-5. Теоретический процесс активной и реактивной ступеней в i — s-диаграмме
Чтобы обеспечить движение всего потока, выходящего из сопел, без удара о кромку диска и бандажа, входная высота рабочих лопаток дается несколько больше выходной высоты сопел. На разрезе активной ступени показано стрелкой, как при упомянутой разности высот сопел и лопаток может образоваться подсос пара из аксиального зазора, являющийся причиной потери энергии.
Справа представлен профиль сопел 3 и рабочих лопаток 4 реактивной ступени также в аксиальном разрезе и развертке. Рабочие лопатки, как и сопла, образуют здесь суживающиеся каналы, в которых происходит увеличение относительной скорости и понижение давления, связанные с появлением реактивного усилия, направленного под углом к направлению вращения. Движущее реактивное усилие получается, как проекция реактивного усилия на направление вращения.
Сверху отражено изменение параметров рабочего процесса ступени. В соплах реактивной ступени идет процесс аналогично соплам реактивной ступени. На рабочих лопатках вследствие уменьшения давления увеличивается относительная скорость потока от w1 до w2. Абсолютная скорость потока при выходе из рабочих лопаток с2 здесь, как и в активной ступени, меньше абсолютной скорости хода с1 ввиду превращения части кинетической энергии потока в механическую работу.
Вследствие того, что давление пара на реактивных рабочих лопатках при входе больше, чем при выходе через радиальный зазор, между корпусом турбины и рабочими лопатками возникает утечка, дающая снижение к. п. д.
На рис. 6-5, а обратимой адиабатой АВ показан теоретический процесс активной ступени давления. Разность значений энтальпий i0 — i1т = h0 называется теоретическим теплоперепадом. Энтальпияи давление перед соплами i0 и р0, при выходе из сопел —
. На рис. 6-5, б обратимой адиабатой АС представлен
теоретический процесс ступени давления с некоторой реактивностью. Общий теплоперепад в ступени h0 = АВ + ВС, где теоретический процесс в соплах АВ — h01 и теоретический процесс на рабочих лопатках ВС = h02.
Отношение теплоперепада на рабочих лопатках к общему теплоперепаду ступени принято называть степенью реактивности
(6-2)
откуда
(6-3)
При значениях р = 0-0,20 ступени давления принято называть активными с небольшой реактивностью. При степени реактивности р=0,4-0,6 ступени давления называются реактивными. В аксиальных турбинах реактивность р > 0,60 не применяют.
Для крупных и средних паросиловых установок используют комбинированные турбины, состоящие из ступеней нескольких типов. В качестве первой ступени давления часто применяют диск Кертиса с двумя ступенями скорости, позволяющий сразу использовать значительный теплоперепад.
Активные ступени давления с небольшой реактивностью являются наиболее распространенным типом ступеней, применяемым в начальной и средней частях общего перепада тепла во всей турбине. Ступени давления с большой реактивностью целесообразно применять в качестве последних ступеней давления конденсационных паровых турбин, где высота лопаток особенно велика, а поэтому влияние потери на утечку через радиальные зазоры незначительно.
В современной теплоэнергетике получили большое применение теплофикационные паровые турбины:
с отбором пара для теплоснабжения из промежуточных ступеней давления;
с противодавлением, когда паротурбинная установка не имеет конденсатора, а весь отработавший пар из турбины используется для теплоснабжения.
Советский Союз — родина теплофикации и по размаху ее осуществления является самой передовой страной в мире.
На ряде больших железнодорожных узлов в СССР с крупными потребителями электроэнергии и тепла (локомотивные и вагонные депо, локомотиворемонтные и вагоноремонтные заводы) работают теплоэлектроцентрали с теплофикационными турбинами.