CУДОВЫЕ ТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ.

1. Общие сведения о судовых турбинах. Типы судовых турбин. Конструкция.

1.1 Принцип действия и устройство турбин. Активные и реактивные принципы работы турбин.

Особенности турбины как теплового двигателя. Турбина (от латинского слова «turbo», т.е. вихрь) является тепловым ротационным двигателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала.

Принцип действия и устройства турбины легко уяснить на примере простейшей активной турбины, схема которой показана на рис. 1, а. Пар с давлением более высоким, чем за турбиной, поступает в одно или несколько неподвижных каналов (сопл) 5. В сопловых каналах пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает. Следовательно, в соплах происходит первое преобразование тепловой потенциальной энергии в кинетическую.

Из сопл пар поступает в рабочие каналы, образованные рабочими лопатками 3, закрепленными на диске 2. Двигаясь в рабочих каналах между рабочими лопатками и изменяя свое направление, поток пара оказывает силовое воздействие на рабочие лопатки, заставляя их вращаться вместе с диском и валом 1, установленным в опорных подшипниках 4. Следовательно, на рабочих лопатках происходит второе преобразование энергии: кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу.

Комплект, состоящий из сопл и рабочих лопаток, в которых совершается процесс расширения пара, называется ступенью давления турбины. Простейшие турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Одноступенчатая турбина. На рис. 1, б показан продольный разрез одноступенчатой активной турбины. Ее вращающаяся часть состоит из вала 1, на который насажен диск 2 с рабочими лопатками 3. В корпусе 5 турбины вставлены одно или несколько сопл 5.

Сечение А - А представляет собой развернутое на горизонтальную плоскость сечение сопл и лопаток. Видно, что оси сопл расположены под некоторым углом к плоскости диска.

На Рис. 1, б показаны кривые изменения давления и абсолютной скорости пара при его прохождении по проточной части турбины. Свежий пар давлением Р₀ подводится к соплам. Пар в сопле расширяется, и давление падает от Р₀ до Р₁, а скорость возрастает от С₀ до С₁. С этой скоростью пар поступает на рабочие лопатки, которым он отдает часть своей кинетической энергии, приводя во вращение диск с укрепленными на нем лопатками и вал. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до выходной скорости С₂. Расширение пара на рабочих лопатках не происходит, поэтому давление Р₁ пара до диска равно давлению Р₂ за диском.

Несмотря на простоту устройства, одноступенчатые паровые турбины не получили распространения из-за низкой экономичности, большой частоты вращения и невозможности получения значительных мощностей. Одноступенчатые газовые турбины широко применяются в качестве приводов турбокомпрессоров дизелей.

Чтобы избежать высокой частоты вращения и чрезмерной окружной скорости, сохранив при большом перепаде энтальпий высокий КПД, современные паровые турбины строят многоступенчатыми, со ступенями давления, ступенями скорости и различными комбинациями ступеней давления и скорости.

Рис. 1. Одноступенчатая активная турбина.

Многоступенчатые турбины со ступенями давления. Идея ступеней давления пара заключается в следующем: вместо того, чтобы расширить пар от начального до конечного давления в одной ступени, его заставляют расширяться в нескольких последовательно расположенных ступенях, используя в каждой ступени небольшие перепады теплоты и давления. Ступени давления применяют в активных и реактивных турбинах.

Рассмотрим активную турбину с тремя ступенями давления (Рис. 2). На валу 1 насажены три диска 2, 3, 4, на которых укреплены рабочие лопатки 6, 8, 10. Корпус турбины разделен диафрагмами на три отдельные камеры. Сопла 5 первой ступени расположены в передней стенке турбины, а сопла 7 второй и 9 третьей ступеней - в диафрагмах по их окружности. Свежий пар давлением Р₀ со скоростью С₀ подводят к соплам первой ступени, где он расширяется до давления Р´₁, а скорость увеличивается до значения С₁. После этого пар попадает на рабочие лопатки 6 и отдает им свою кинетическую энергию. Скорость пара уменьшается до С₂, давление же пара по обе стороны диска остается постоянным. Затем пар поступает в сопла второй ступени 7, где расширяется от давления Р´₁ до давления Р´´₁, и, приобретая снова кинетическую энергию, поступает на рабочие лопатки 8, где отдает эту энергию. При прохождении по рабочим лопаткам 8 пар сохраняет давление Р´´₁ неизменным.

Расширение пара в соплах третьей ступени 9 и преобразование кинетической энергии в механическую работу на рабочих лопатках 10 происходят так же, как в первой и второй ступенях, после чего пар давлением Р₂ со скоростью C₂ поступает по паровыпускному патрубку в конденсатор.

Таким образом, расширение пара от давления Р₀ до давления Р₂ происходит не сразу, а в три приема, т. е. тремя ступенями. Ввиду того, что по мере расширения пара его объем возрастает, высоту сопл и лопаток турбины приходится постепенно увеличивать. Благодаря равномерному распределению перепада энтальпий в этих турбинах удается достичь высокой экономичности. Они могут быть изготовлены практически на любую мощность и являются наиболее распространенным типом современных главных и вспомогательных судовых турбин.

Рис.2 Активная турбина со ступенями давления.

Такая турбина в зависимости от рабочего тела может быть паровой или газовой. В современных паровых турбинах чисто активные ступени давления не применяются, ибо в них пар при прохождении каналов рабочих лопаток дополнительно расширяется, т.е. активные турбины при этом изготавливают с некоторой степенью реактивности на рабочих лопатках.

Многоступенчатая турбина со ступенями скорости. Идея ступеней скорости пара заключается в том, что сначала его потенциальная энергия в расширяющихся соплах полностью преобразуется в кинетическую энергию, а уже затем она превращается в механическую работу на двух или на трех рядах лопаток. Между рабочими лопатками располагаются неподвижные направляющие лопатки, служащие для изменения направления движения пара. Пар, отдав часть своей кинетической энергии первому ряду лопаток, направляется в последующие ряды, укрепленные в этом же диске, где используется еще часть кинетической энергии пара.

Схема турбины с двумя ступенями скорости показана на Рис. 3. Она отличается от схемы одноступенчатой турбины (см. Рис. 1) тем, что на ободе диска 2 установлены два ряда рабочих лопаток 4 и 6, а в промежутке между ними помещен ряд направляющих лопаток 5, закрепленных в корпусе турбины 1. В верхней части Рис. 3. построена диаграмма изменения давления и абсолютной скорости пара. Свежий пар, подводимый к соплам 3, расширяется в них от давления Р₀ до давления Р₁. Далее при прохождении пара между лопатками его давление уже не меняется, т.е. по обе стороны диска оно остается неизменным Р₁ = Р₂).

Рис. 3. Активная турбина со ступенями скорости.

Скорость пара при расширении его в соплах увеличивается до значения С₁. С этой скоростью пар поступает на первый ряд рабочих лопаток, где вследствие преобразования части кинетической энергии в механическую работу и затраты на преодоление вредных сопротивлений скорость уменьшается до значения С₂, с которой пар и поступает на направляющие лопатки.

Направляющие лопатки аналогичны рабочим, но выгнуты в противоположную сторону. Так как они неподвижны, никакой работы на них пар не совершает, а потому скорость пара уменьшается немного до С₁´, что происходит вследствие затраты некоторой части кинетической энергии на преодоление вредных сопротивлений на этих лопатках.

На рабочих лопатках второго ряда опять кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу. Поэтому скорость пара С₁´, с которой он входит на этот ряд лопаток, снижается до С₂´.

В рассматриваемой турбине (как и в одноступенчатой) все расширение пара происходит сразу в соплах одной ступени, но кинетическая энергия используется на двух рядах рабочих лопаток, поэтому турбина называется активной с одной ступенью давления и двумя ступенями скорости. Диск этой турбины в отличие от одноступенчатого диска, имеющего один ряд рабочих лопаток (одну ступень скорости), называется двухвенечным, или диском с двумя ступенями скорости.

Встречаются колеса с двумя, тремя и четырьмя ступенями скорости, но в настоящее время их строят обычно с двумя ступенями. Это объясняется тем, что КПД турбины резко уменьшается с увеличением числа ступеней скорости.

Пар на лопатках турбины со ступенями скорости не расширяется, высота же лопаток от ряда к ряду постепенно возрастает в связи с тем, что скорость течения пара постепенно (от ряда к ряду) убывает и, чтобы пропустить в единицу времени ту же массу (и тот же объем) пара, но с меньшей скоростью, требуются каналы с большим проходным сечением.

Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота и небольшие размеры, невысокая стоимость. Существенный недостаток - низкая экономичность, эффективный КПД турбины с двумя ступенями скорости составляет 0,55 - 0,65.

Применяют турбины со ступенями скорости в агрегатах, работающих непродолжительное время; в этом случае простота устройства, малые масса и габаритные размеры более существенны, чем невысокая экономичность. Эти турбины применяются в качестве турбины заднего хода главных турбин, так как продолжительность работы заднего хода невелика, в приводах грузовых насосов танкеров (эти насосы работают в основном в период выкачки груза в порту), а иногда в приводах к питательным насосам с использованием отработавшего пара для подогрева питательной воды.

Рис. 4. Комбинированная активная турбина

Достаточно широко используются турбины с двумя ступенями скоростей в качестве первой (регулировочной ступени) в комбинированных и смешанных турбинах так как двухвенечное колесо заменяет четыре одновенечных диска или восемь реактивных ступеней.

Комбинированная турбина. Активные турбины со ступенями давления, у которых одна или несколько ступеней давления имеют ступени скорости, называются активными комбинированными турбинами.

На Рис. 5 показана схема комбинированной активной турбины с первой ступенью давления в виде двухвенечного колеса. В верхней части Рис. 5 показаны кривые изменения давления и абсолютной скорости пара при течении его по проточной части.

Турбины такого типа устанавливаются в качестве приводов мощных вспомогательных электрогенераторов и насосов.

Реактивная и активно-реактивная турбины

Чисто реактивные турбины (как было сказано выше) в практике применения не нашли. Используются только многоступенчатые полуреактивные турбины (называемые упрощенно реактивными), в которых пар расширяется в неподвижных направляющих каналах и в подвижных каналах между рабочими лопатками ротора примерно в равных долях по падению энтальпий.

В реактивной ступени (Рис. 5, а) пар с давлением Р₀ и скоростью С₀ поступает в каналы между неподвижными направляющими лопатками 1, закрепленными в корпусе 2 турбины, где он частично расширяется до давления Р₁ как в соплах, и приобретает скорость С₁. С этой скоростью пар входит в каналы между рабочими лопатками 3, укрепленными на роторе 4 барабанного типа и, воздействуя на эти лопатки, отдает им приобретенную кинетическую энергию. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до величины выходной скорости. Таким образом, здесь также осуществляется активный принцип. Кроме того, вследствие суживающейся формы каналов рабочих лопаток пар в них дополнительно расширяется до давления Р₂, что вызывает появление реактивной силы, действующей на каждую лопатку. Направление движения рабочих лопаток показано стрелкой. Рассмотрим силы, действующие на рабочую лопатку реактивной ступени. Направление движения струи пара, попадающей в каналы между рабочими лопатками, изменяется, в результате чего развиваются центробежные силы частиц пара, суммарное действие которых создает активное усилие Р_акт (Рис. 5, б). Расширение пара в рабочем канале приводит к появлению реактивной силы Р_реакт направленной противоположно ускорению струи пара, а следовательно, зависящей от формы канала. Сложив геометрически силы Р_акт и Р_реакт, получим равнодействующую силу Р, окружная составляющая Р_и которой вращает ротор, а осевая — Р´_а воспринимается упорным подшипником. Кроме того, из-за разности давления Р₁ - Р₂ у входа в рабочий канал и у выхода из него возникает дополнительное осевое усилие Р´_а, направленное в сторону движения потока. Для компенсации осевой силы применяют специальные разгрузочные устройства.

Рис. 5. Схема реактивной ступени (а) и действия сил на рабочую лопатку (б)

Многоступенчатая реактивная турбина. Схема работы пара в многоступенчатой реактивной турбине показана на Рис. 6. Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопатки 3, и ротора 2, на котором размещены подвижные рабочие лопатки 1. Пар давлением Р₀ подводится к кольцевому каналу 5 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до давления Р´₁ и увеличивает свою скорость до значения С₁. Проходя далее по первому ряду рабочих лопаток, пар продолжает расширяться. Абсолютная скорость пара на рабочих лопатках уменьшается до значения С₂ вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляющие лопатки второй ступени пар входит, имея абсолютную скорость С₂. Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою скорость от С₂ до С₁, с которой поступает на второй ряд рабочих лопаток, и т.д., пока пар не пройдет всю проточную часть и не будет использован весь располагаемый для работы турбины перепад энтальпий.

Вследствие разности давлений пара при входе на рабочие лопатки и при выходе с них и динамического усилия потока в турбине создается осевое усилие, стремящееся сдвинуть ротор в сторону движения пара. Для разгрузки этого усилия в передней части ротора установлен думмис (разгрузочный поршень) 6. Сущность действия думмиса заключается в том, что пространство перед ним сообщается при помощи трубы 7 с полостью отработавшего пара и таким образом создается разность давлений, действующая в сторону, противоположную направлению движения пара.

Рис. 6. Многоступенчатая реактивная турбина

Реактивные турбины большой мощности для уменьшения длины лопаток их последних ступеней часто делают двухпоточными. В этом случае турбина будет уравновешенной в осевом направлении и необходимость в думмисе отпадает.

Из-за разности давлений на лопатках в турбинах реактивного типа наблюдается протечка пара через радиальные зазоры у концов направляющих рабочих лопаток. В чисто активных турбинах протечки возможны только через зазоры диафрагмы, так как здесь давление пара по обе стороны рабочих лопаток одинаково. Для уменьшения протечек пара у реактивных турбин зазоры между рабочими лопатками и корпусом, а также между направляющими лопатками и ротором делают как можно меньше.

По сравнению с активными турбинами паровые реактивные турбины менее выгодны в случае применения пара высокого давления. Поскольку такой пар имеет малый удельный объем, то необходимо устанавливать лопатки небольшой высоты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки пара через такие зазоры.

В случае же применения пара низкого давления в реактивной турбине относительные размеры радиальных зазоров получаются небольшими. При этом и потери на протечки будут незначительными и КПД немного выше, чем в активной турбине.

Таким образом, при умеренных параметрах пара активная и реактивная турбины мало отличаются одна от другой по экономичности, а также массе и размерам. Однако реактивную турбину, имеющую массивный барабанный ротор, требуется длительно прогревать перед пуском и ей необходимо продолжительное время на смену режима при маневрировании.

При активной проточной части турбины уменьшается число ступеней и допускаются более высокие окружные скорости. Турбина с дисковым ротором небольшой длины более приспособлена к работе при высоких параметрах, чем реактивная турбина. Ротор активной турбины сравнительно быстро прогревается при соприкосновении с паром, имея в процессе прогревания примерно одинаковую с корпусом турбины температуру; при этом уменьшаются деформации деталей турбины и сохраняются почти постоянными радиальные и осевые зазоры в проточной части. Поэтому в настоящее время отечественные турбостроительные заводы и известные зарубежные фирмы строят в основном активные паровые судовые турбины.

Смешанные активно-реактивные турбины. В связи с выгодой использования активного принципа в области высоких давлений, а реактивного - в области низких применяют смешанные турбины, имеющие активные ступени высокого и реактивные низкого давления.

Схема наиболее простой смешанной турбины, состоит из колеса с двумя ступенями скорости и реактивных ступеней. Установка колеса с двумя ступенями скорости в качестве первой активной ступени давления в многоступенчатых реактивных турбинах ступени дает следующие преимущества по сравнению с турбиной, имеющей только реактивные ступени:

1. возможность количественного (соплового) регулирования расхода пара путем подбора количества работающих сопл без понижения начального давления пара;

2. уменьшение числа ступеней, а следовательно, длины турбины;

3. уменьшение осевого давления в реактивных ступенях турбины;

4. устранение части реактивного облопачивания с наибольшими потерями от утечки пара через зазоры.

На атомных ледоколах отечественной постройки установлены турбины активно-реактивного типа, состоящие из одной активной ступени и пятнадцати реактивных ступеней.