3.Многоступенчатая турбина.

В настоящее время одноступенчатые паровые турбины применяют редко. В целях снижения окружной скорости и частоты вращения турбины делают многоступенчатыми. Они делятся на турбины со ступенями скорости (только активные) и со ступенями давления (активные и реактивные). Что же касается газовых турбин, то они часто имеют одну ступень и работают с частотой вращения порядка 15 тыс. об/мин. Такие турбины широко применяют для привода нагнетателей в системах наддува дизелей. Кроме того, большие успехи в постройке зубчатых редукторов облегчают использование турбин, работающих с большой частотой вращения.

Основной принцип устройства ступеней скорости основан на постепенном использовании кинетической энергии пара (газа) на нескольких рядах рабочих лопаток. Схематическое устройство активной турбины со ступенями скорости показано на рис. 15, а,

Рис. 15. Турбина со ступенями скорости и профили ее лопаток

а развертка на плоскость направляющих аппаратов и рабочих: лопаток с построением треугольников скоростей - на рис 15, б. Свежий пар поступает в направляющие аппараты 1 (сопла),. где расширяется от начального давления р₁ до конечного давле­ния р₂ и приобретает абсолютную скорость с₁. С этой скоростью пар поступает на первый ряд рабочих лопаток 2. С учетом окружной скорости может быть построен треугольник скоростей и определена относительная скорость ω₁ входа пара на лопатки первого ряда. В этом ряду лопаток используется лишь часть располагаемой кинетической энергии пара, что позволяет снизить окружную скорость без увеличения потерь благодаря дальнейшему использованию кинетической энергии пара.

Путем построения треугольника скоростей для выхода пара может быть определена абсолютная скорость с₂ выхода пара с рабочих лопастей первого ряда (первой ступени). Эта (скорость еще достаточно велика, и для ее дальнейшего использования пар поступает в направляющие лопатки 3, закрепленные в корпусе турбины и предназначенные лишь для изменения направления потока пара. Вследствие потерь при движении через каналы на­правляющих лопаток абсолютная скорость c₁ при выходе из них получается несколько меньше абсолютной скорости с₂. С на­правляющих лопаток 3 пар поступает во второй ряд рабочих лопаток 4 (вторую ступень), закрепленных в ободе того же диска. Здесь происходит дальнейшее превращение кинетической энергии пара в механическую работу вращения диска. Как видно из треугольников скоростей по выходе с лопаток второй ступени пар имеет уже сравнительно небольшую

абсолютную скорость с₂ и дальнейшее использование ее нецелесообразно.

Благодаря последовательному использованию кинетической энергии пара в двух ступенях турбины окружная скорость диска теоретически может быть снижена примерно в 2 раза по сравнению со скоростью одноступенчатой турбины, работающей в условиях того же располагаемого перепада; следовательно, снижается и частота вращения. Практически для турбин с двумя ступенями скоростей наивыгоднейшее отношение u/c₁ находится в пределах 0,22—0,24.

В верхней части рис. 15, а изображена диаграмма изменения давления и абсолютной скорости пара. в турбине со ступенями. скорости.

Еще большего уменьшения окружной скорости лопаток и частоты вращения можно достигнуть, применяя турбину с тремя ступенями скорости (три ряда рабочих и два ряда направляю­щих лопаток); при этом наивыгоднейшее отношение u/c₁ снижается до 0,12—0,15. Однако при увеличении числа ступеней скорости происходит понижение экономичности турбины вследствие дополнительных потерь в направляющих лопатках и рабочих лопатках следующих ступеней. Поэтому обычно применяют турбины с двумя ступенями скорости. Турбины с тремя ступенями скорости сейчас не строят. Хотя турбины со ступенями скорости в принципе являются активными, в них иногда осуществляется работа с небольшой степенью реакции, что несколько повышает неэкономичность.

Турбины со ступенями скорости просты по устройству, имеют малые размеры и массу. Однако они малоэкономичны. Их чаще всего используют при движении судна задним ходом, так как продолжительность работы на задний ход обычно невелика и малая экономичность при этих условиях не имеет существенного значениям Их применяют также в качестве вспомогательных двигателей для привода питательных насосов, Отработавший пар вспомогательных турбин небольшой мощности обычно используют для подогрева питательной воды.

Иногда диск с двумя ступенями скорости служит первой ступенью в турбинах со ступенями давления. Преимущество диска со ступенями скорости в этом случае заключается в том, что в первой ступени давления можно использовать значительный тепловой перепад и благодаря этому, уменьшить общее число ступеней давления при этом упрощается конструкция турбины и уменьшаются ее размеры.

Турбина со ступенями давления, работающая по активному принципу (рис.16), состоит из нескольких одноступенчатых турбин, расположенных последовательно одна за другой и работающих на общий вал. На общем валу 1 закреплецы диски 2, 3 и 4, несущие рабочие лопатки 5, 6 и 7. Пар подводится к ним через направляющие аппараты 8. 9 и 10, которые

закреплены в неподвижных перегородках, называемых диафрагмами. К турбине пар подводится через маневровый клапан, откуда посту­пает в кольцевую камеру перед соплами первой ступени.

Расширение пара происходит последовательно в соплах каждой ступени. Таким образом, в одной ступени используется только часть полного располагаемого теплового перепада и начальные скорости пара будут меньше. Следовательно, сохраняя наивыгоднейшее отношение между скоростью пара и окружной скоростью лопаток, можно снизить частоту вращения турбины.

Рис. 16. Активная турбина со ступенями давления

В верхней части рис. 16 приведена диаграмма изменения давления пара в проточной ча­сти активной турбины по ступе­ням давления, а также диаграмма изменения абсолютной скорости. Чтобы получить наибольшую экономичность, наивыгоднейшее отношение окружной скорости и к абсолютной скорости с входа пара на лопатки в активных ступенях должно быть в пределах 0,45—0,48. Для реактивных ступеней при степени реакции ρ=0,5 наивыгоднейшее отношение u/c₁ =0,90-1-0,94, т. е. в 2 раза выше, чем для активных ступеней. Поэтому в реактивных турбинах приходится применять большее число ступеней, чем в активных.

В ступенях реактивных турбин вследствие расширения пара на рабочих лопатках получается разность давлений по обе стороны лопаток, создающая осевое давление. Для его уменьшения применяют общий барабан вместо отдельных дисков для каждого ряда рабочих лопаток. Схематическое устройство реактивной турбины показано на рис. 17.

Так как удельный объем пара по мере его расширения возрастает, то площадь проходного сечения в каналах рабочих лопаток должна увеличиваться. Для этого, кроме увеличения длины лопаток, увеличивают и диаметр барабана, делая его коническим или ступенчатым. Последние ряды рабочих лопаток иногда располагают на отдельных дисках увеличенного диаметра. Вообще же применение барабана вместо дисков при большом числе ступеней допускает уменьшение общей длины турбины.

Направляющие, лопатки за­крепляют непосредственно в корпусе турбины.

Рис. 17. Реактивная турбина со ступенями давления

В реактивных турбинах вследствие расширения пара на рабочих лопатках и, следовательно различных давлений на входной и выходной кромках образуется осевое давление на барабан, которое увеличивается от давления пара на торцовые поверхности уступов ступенчатых барабанов. Для урав­новешивания осевого давления в реактивных турбинах в ступени высокого давления устанавливают разгрузочный поршень (дум-мис) 1. Со стороны паровпускного канала а на поршень действует пар высокого давления. Пространство с другой стороны поршня соединено трубой 2 с выпускным патрубком или с одной из ступеней низкого давления. Вследствие разности давлений с обеих сторон поршня создается осевое давление, направленное в сторону, противоположную осевому давлению на рабочих лопатках. Остающаяся неуравновешенной часть осевого давления воспринимается упорным подшипником, нагрузка на который при отсутствии разгрузочного поршня была бы очень велика.

Преимущества реактивных турбин: возможность изготовления рабочих и направляющих лопаток одинакового профиля; сравнительно простая конструкция ротора барабанного типа и отсутствие диафрагм; относительно малые скорости пара, повышающие к. п. д. ступени. Недостатками турбин являются: значительные пропуски пара через радиальные зазоры в ступенях высокого давления; большое число ступеней, утяжеляющих и удорожающих турбину; наличие осевого давления.

Применение реактивных турбин особенно выгодно в области низких давлений, где вследствие большой высоты рабочих лопаток относительные размеры радиальных зазоров уменьшаются. В области высоких давлений выгоднее активный принцип действия турбин. Поэтому имеются комбинированные активно-реактивные турбины, состоящие из одного диска с двумя ступенями скорости или из нескольких активных ступеней давления, а затем реактивных ступеней.

В судовых турбинах ступени высокого и низкого давлений обычно размещаются в отдельных корпусах, называемых турбинами высокого (ТВД и низкого (ТНД) давлений. В этом случае ТВД иногда имеет только активные ступени, ТНД - только реактивные.

Применяя соответствующее число ступеней давления, легко достигнуть требуемой частоты вращения турбины и соответственно ее высокой экономичности. Это объясняется в первую очередь обеспечением наивыгоднейшего отношения скоростей u/c₁ в ступенях турбины. Кроме того, при относительно малых скоростях движения пара снижаются потери, так как потери при движении пара пропорциональны квадрату скорости. Наконец, следует отметить, что в турбинах со ступенями давления имеет место явление возврата теплоты, так как потери в каждой предыдущей ступени превращаются в теплоту, которая повышает энтальпию пара, выходящего из данной ступени. Это увеличение энтальпии используется при расширении пара в последующей ступени.

Из-за большей сложности, связанной с повышенным числом ступеней, реактивные турбины в последнее время применяют реже, чем активные, хотя в активных ступенях и допускают неко­торую степень реакции, что повышает их экономичность. В на­стоящее время большая часть главных судовых турбин и вспо­могательные турбины для привода электрических генераторов выполняют активными со ступенями давления.