3.8. Паровая турбина

Создание паровой турбины стимулировалось в промышленности применением рабочих машин, имеющих высокую скорость вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, электрических генераторов. Электрические генераторы в конечном итоге явились самыми главными их потребителями.

Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до н.э. Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им "эолипилом". Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг оси. В XVII веке итальянец Дж.Бранка предлагал активную паровую турбину для привода пестов.

До 80 годов XIX века применение паровых турбин носило единичный характер. В 30 годах XIX в г.Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию "эолипила" Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Густавом Лавалем в 1889 году. В дальнейшем Лаваль создал активную одновенечную турбину, то есть турбину с одним рабочим колесом, которое вращалось со скоростью 30000 об/мин [1].

В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато была представлена разработка многоступенчатой паровой турбины мощностью 1000 л.с. Затем автор подверг эту турбину технической доработке и создал осевой турбокомпрессор - воздуходувку.

В 1903 году швейцарский инженер Генрих Цели усовершенствовал турбину Рато, упростив и удешевив ее. Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 году американский инженер Чарльз Кертис.

В дореволюционной России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С началом внедрения паровых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе в Петербурге был специально оборудован турбинный цех.

Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500°С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигать 1000 м/сек. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.

Для производства пара, способного крутить турбину, необходим котел (или место, где его можно получить). Помимо дороговизны и сложности в эксплуатации, котлы первой половины XIX века были взрывоопасны. Частые взрывы нередко сопровождались человеческими жертвами. Развитие котлостроения неразрывно связано с использованием и применением именно паровых турбин. В конечном итоге проблема парообразования была решена к началу XX века.

Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами. Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580°С , а температура пара на выходе из турбины обычно 30°С; поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно 65 %, а реальное значение КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляет лишь около 40 % [2]. Мощность современных энергоблоков котел - турбина - генератор достигает 1,2 млн кВт.

Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения.

Коэффициент полезного действия использования топлива в такой электростанции (ТЭЦ) повышается до 60 - 70 %.