Тепловая машина, как и большинство человеческих изобретений, родилась из почти бесформенных попыток, приписываемых различным людям; истинный же автор остается неизвестен…

(Сади Карно)

Глава 5. Турбинные установки

1. Что такое турбинная установка

Турбинная установка это комплекс устройств и агрегатов, находящихся в машинном зале электростанции, обеспечивающий преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию струи, а затем в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбинная установка состоит из турбины и вспомогательного оборудования, к которым относятся системы регенерации, маслоснабжения и регулирования.

Основным элементом турбинной установки является турбина. Турбина это первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа – ротора и непрерывным рабочим процессом, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела – пара, газа или воды. Турбину называют также лопаточной машиной или турбомашиной. Струя рабочего тела поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение.

Стационарные паровые и газовые турбины широко применяются для привода электрогенераторов (в таком комплексе они называются турбогенераторы), центробежных компрессоров и воздуходувок (турбокомпрессоры и турбовоздуходувки), питательных, топливных и масляных насосов (турбонасосы). Они используются для привода судовых движителей с выходом на гребные валы через зубчатые редукторы (турбозубчатые агрегаты), которые создают оптимальную частоту вращения гребных винтов. Газовые турбины широко применяются в качестве авиационных двигателей (турбовинтовые и турбореактивные двигатели); на локомотивах (газотурбовозы).На гидроэлектростанциях устанавливаются тихоходные гидравлические турбины для привода генератора электрического тока (гидрогенераторы). В свое время турбины вытеснили из энергетики поршневые машины благодаря хорошей экономичности, компактности, надежности работы и возможности получать большую единичную мощность в одном агрегате.

Принцип действия турбины заключается в преобразовании тепловой энергии пара в кинетическую энергию потока струи, которая, воздействуя на лопатки рабочего колеса, приводит во вращение ротор турбины. Рабочие лопатки турбины имеют изогнутую форму и в совокупности образуют систему криволинейных каналов, называемых рабочей решеткой.

На рис.5.1. показана схема движения газовой (паровой) среды в межлопаточном канале ступени турбины. В конструкцию ступени турбины включаются два основных элемента турбины: сопловая лопатка 1, находящаяся на неподвижном элементе корпуса турбины 3, которая разгоняет поток и направляет его на рабочие лопатки 2, установленные на рабочем диске ротора 4 т урбины. Эти элементы турбины различаются как конструктивно, так и по характеру процессов в них.

Совокупность сопловых и рабочих решеток образуют ступень турбины. Сами межлопаточные каналы сопловых и рабочих решеток называются проточной частью турбины. Вал, на котором находятся рабочие лопатки, называются ротором турбины.

Если преобразования потенциальной энергии в кинетическую происходит только в сопловой решетке, то такой принцип работы турбины называется активным, а сама ступень – активной ступенью. Если же преобразование потенциальной энергии пара происходит как в сопловой, так и в рабочей решетке, то в этом случае ступень называется реактивной ступенью турбины.

Из уравнения Бернулли полная энергия, м.в.ст, потока на входе (сечение 1-1) и на выходе (2-2) рабочей решетки определяется по уравнениям:

,

где с₁, с₂ – скорости рабочей среды в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, м/с;

р₁, р₂ – статическое давление рабочей среды в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, Па;

- плотность среды в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, кг/м³;

z₁, z₂ – уровень на входе и выходе рабочей решетки относительно некоторой нулевой плоскости, м.

Рабочее колесо совершает работу равную:

.

Следовательно, вся энергия потока состоит из энергии положения , энергии давления и кинетической энергии потока .

Для реактивных ступеней и турбин характерна зависимость:

> 0.

В таких ступенях и турбинах энергия на рабочем колесе совершается с избытком давления. Однако при этом частично используется и кинетическая энергия потока.

В активных ступенях и турбинах , а р₁ = р₂ , т.е. работа на рабочем колесе совершается при постоянном давлении. Весь напор потока преобразуется в кинетическую энергию и работа совершается только за счет ее изменения.

Турбина, которая имеет только одну сопловую и одну рабочую решетки, называется одноступенчатой. Если же сопловых и рабочих решеток больше чем по одной, то турбина - многоступенчатая.

Рис.5.2. Схематический продольный разрез активной (а) и реактивной (б) турбины.

1 – вал турбины; 2 – концевые уплотнения; 3 – кольцевая камера свежего пара; 4 – сопловая решетка первой ступени; 5 – вход свежего пара; 6 – рабочая решетка 1- n ступени; 7 - направляющая решетка 1 - n ступени; 8 – корпус турбины; 9 – выход пара из турбины; 10 - диафрагмы с направляющими решетками; 11 – разгрузочные отверстия; 12 – рабочие колеса; 13 – график изменение скорости в проточной части турбины; 14 – график изменения давления в турбине; 15 – график изменения энтальпии в проточной части турбины; 16 – поршневой диск.

Движение рабочей среды в турбине может происходить вдоль оси – тогда турбина называется осевой, если же поток среды движется перпендикулярно оси – радиальной.

Конструктивно активные турбины (рис.5.2,а) отличаются от реактивных (рис.5.2, б). Каждая ступень активной турбины имеет диафрагму 10 с встроенными в них направляющими решетками 7 и рабочее колесо (диск) 12, которые имеют разгрузочные отверстия 11 для выравнивания давлений перед и за рабочей решеткой 6. Благодаря разгрузочным отверстиям рабочие колеса и вал 1 турбины не имеют осевых усилий. В ступенях реактивной турбины (рис.5.2, б) осевое усилие создается на каждой рабочей решетке, и оно передается на вал турбины 1. Поэтому ротор реактивной турбины выполняется барабанным и, чтобы компенсировать осевое усилие на валу, перед первой ступенью устанавливается поршень (диск) 16, на который действует такое же давление, что и за турбиной. Давление перед поршнем и за турбиной выравниваются через разгрузочные отверстия в полом роторе.