книги из ГПНТБ / Плаксионов Н.П. Судовые турбинные установки учебник

На рис. 14 показана схема наиболее простой смешанной турбины, состоящей из колеса с двумя ступенями скорости и реактивных ступе­ ней. Двухвенечный диск составляет первую регулировочную ступень давления. Кривые изменения давления и скорости пара в проточной части этой турбины представляют собой соединение кривых, приведен­ ных на рис. 8 и 12.

Установка колеса с двумя ступенями скорости в качестве первой ступени давления в многоступенчатых реактивных турбинах дает сле­ дующие преимущества по сравнению с турбиной, имеющей только реактивные ступени:

возможность количественного (соплового) регулирования расхода пара путем подбора количества работающих сопел, без понижения начального давления пара;

уменьшение числа ступеней, а следовательно, длины турбины; уменьшение осевого давления в реактивных ступенях турбины; устранение части реактивного облопатывания с наибольшими поте­

рями от утечки пара через зазоры.

Таким образом, установка в реактивных турбинах высокого дав­

вспомогательных двигателей, объясняется следующими основными пре­ имуществами их по сравнению с поршневыми двигателями.

В турбине осуществляется непрерывный рабочий процесс, что обес­ печивает для различных ее частей, при неизменной нагрузке, постоян­ ные давление, температуру и напряжение. Такое термодинамическое постоянство рабочего процесса работы пара или газа в турбине выгодно отличает ее от поршневого двигателя, в котором наблюдается систе­ матическая периодичность тепловых процессов, а следовательно, изме­ нение условий работы его частей.

Постоянство тепловых явлений в органах и полостях турбины способствует долговечности ее работы (большому «моторесурсу»).

В турбине отсутствуют прямолинейно-возвратные движения ра­ бочих частей и трение в рабочих частях, за исключением трения в под­ шипниках вала, что обеспечивает исключительно малый износ рабо­ чих частей, т. е. редкую их замену, а также спокойную работу турби­ ны. Благодаря этому преимуществу вибрация корпуса судна при ра­ боте турбины значительно меньше, чем при работе поршневого дви­ гателя.

Уход за турбиной и управление ею проще, чем у поршневых дви­ гателей. Хорошо собранная турбина не дает пропусков масла и воды во внешнюю среду, что облегчает поддержание чистоты в машинном

20

отделении. Вращающиеся части турбины полностью закрыты, что де­ лает ее безопасной для обслуживания.

Одним из основных преимуществ турбинной установки является возможность получения практически неограниченной мощности в од­ ном агрегате.1

В настоящее время турбина является единственным реальным дви­ гателем для атомной установки.

Паротурбинная установка как главный судовой двигатель, облада­ ет высокими эксплуатационно-экономическими показателями, основ­ ными из которых являются:

расходы топлива и масла (по весу и стоимости); штат обслуживающего персонала и расходы на его содержание;

судах составляют 25—35% общих эксплуатационных расходов. Наи­ меньший удельный расход топлива на паротурбинную установку сов­ ременных судов составляет 179—210 г/л. с. ч (топливо-мазут с низ­ шей теплотворной способностью Q£ = 3700 ккалікг).

Наименьший удельный расход топлива на дизельной установке составляет 155—160 гіл. с. ч. При этом следует учесть, что расход масла на турбинную установку составляет 0,05—0,1 гіл. с. ч, в то вре­ мя как дизельная установка расходует около 0,8—1,2 г/л. с. ч масла, что по стоимости эквивалентно 10 г/л. с. ч мазута.

ПТУ в- отличие от дизельной установки легко обеспечивает опти­ мальную частоту вращения гребного винта. Используя это свойство ПТУ, в последнее время на крупнотоннажных пароходах за счет сни­ жения частоты вращения гребного вала до 80 об/мин и применения противовращающихся винтов снизили мощность установки (при сохране­ нии заданных скорости и провозоспособности) на 14—16% и удельный расход топлива до 156—158 г/л. с. ч.

Ш т а т м а ш и н н о й к о м а н д ы обусловлен условиями безопасности и обслуживания как силовых установок, так и общесудо­ вых систем и устройств. Штат персонала, обслуживающего паротурбин­ ную установку, составляет на сухогрузных судах и танкерах при одновальных установках мощностью от 8000 л. с. 16—22 человека. При этом в Советском Союзе расходы на содержание машинной команды составляют 4—5%, а всей команды 8—10% общей суммы эксплуата­ ционных расходов.

Штат машинной команды на теплоходах такой же, как на турбохо­ дах, при значительно большем объеме работы по обслуживанию ди­ зельной установки, связанной с текущими и профилактическими ре­ монтами.

1 В 1961 г. во Франции на пассажирском лайнере «Франс» были установле­ ны четыре ТЗА общей мощностью 160 000 л. с.

21

меньше, чем дизельных. Годовые расходы на ремонт ПТУ равны 1,5% стоимости установки и не превышают 2—2,5% общей суммы эксплуата­

достигает 25—35% себестоимости постройки серийного судна и зависит в основном от степени совершенства производства и стоимости рабочей силы. В некоторых странах Западной Европы, где хорошо развито дизелестроение, стоимость дизельных установок на 10—20% меньше стоимости паротурбинных, а в США и Швеции —• наоборот. В Советском Союзе, благодаря высокому уровню развития турбостроения, паротур­ бинные установки большой мощности примерно в 1,5 раза дешевле дизельных такой же мощности.

В е с паротурбинной установки при мощности свыше 15 ООО л. с. в среднем на 25—30% меньше веса дизельной. Поэтому провозная спо­ собность современных пароходов оказывается примерно такой же, как и теплоходов, несмотря на то, что запас топлива на теплоходах меньше. Длина машинных отделений современных теплоходов на 5—10 м боль­ ше, чем у судов с новыми ПТУ.

Сравнивая в целом эксплуатационно-экономические показатели су­ довых силовых установок, можно сделать вывод, что при мощностях 10 000—20 000 л. с. паровые турбины целесообразно применять наряду с дизелями. При более высоких мощностях экономическая целесооб­ разность применения ПТУ несомненна.

В 1967 г. на 60% тоннажа мирового морского флота главными дви­ гателями были дизели, на 30% — паротурбинные установки и только на 10% — паровые поршневые машины.

В 1967 г. доля судов с паротурбинными установками значительно возросла. По состоянию на 1 июля 1967 г. суммарный тоннаж заказан­ ных судов с ПТУ составил 18,7 млн. т, т. е. 60,2% от общего тоннажа заказанных судов. В 1968 г. суммарный тоннаж заказанных танкеров и судов для перевозки навалочных грузов с ПТУ составил 29,7 г, т. е. 80,2% общего тоннажа заказанных судов этого класса.

По сравнению с паротурбинными установками газотурбинные имеют следующие преимущества:

отсутствие паровых котлов и сложного котельного оборудования (насосов, вентиляторов, систем, обслуживающих котлы);

отсутствие конденсаторов и связанных с ними систем; лучшие пусковые качества; меньшие габариты и вес при одинаковой мощности;

низкое давление рабочего вещества в цикле, а следовательно, боль­ шая безопасность при случайном повреждении турбопровода.

Применение газотурбинных установок на судах приводит к значи­ тельному увеличению грузоподъемности и дальности плавания судов.

Перспективность ГТУ как судового двигателя в значительной сте­ пени определяется возможностью достигнуть высокой экономичности при дальнейшем совершенствовании проточной части турбин и компрес­ соров в связи с созданием жаростойких материалов.

22

При температуре 850—900° С экономичность ГТУ будет выше боль­ шинства построенных ПТУ, а при 1100—1200° С она может превосхо­ дить экономичность ДВС и самых современных ПТУ.

Таким образом, уже при современном уровне техники ГТУ можно считать весьма перспективным судовым двигателем. Вместе с тем в на­ стоящее время еще нет достаточно дешевых жаростойких материалов для изготовления турбинных лопаток, которые могли бы работать длительное время при температурах порядка 1000° С.

Контрольные вопросы

1.Приведите несколько примеров активного и реактивного принципа дей­ ствия сил.

2.Каковы первая и вторая стадии превращения потенциальной энергии в техническую в паровой турбине?

3.Как изменяется скорость н давление пара в одноступенчатой активной турбине?

8.В чем заключаются особенности рабочего процесса в чисто-активных, реак­ тивных и в активных с реактивностью турбинах?

9.Почему радиальные зазоры у лопаток реактивных турбин должны иметь небольшую величину?

10.В чем заключается назначение и действие думмиса?

11.Почему колесо с двумя ступенями скорости часто ставят в качестве пер­ вой ступени давления у многоступенчатых турбин?

12. Из каких ступеней состоят комбинированная и смешанная турбины?

13.По каким признакам классифицируют судовые паровые турбины?

14.Каковы преимущества применения паровых турбин в качестве главных судовых двигателей?

15. Каковы преимущества применения на судах газовых турбин по сравнению с паровыми?

Глава II

Р А Б О Т А П А Р А В ТУРБИНАХ

§ 7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПАРА В СОПЛАХ

Истечение пара через цилиндрические суживающиеся и расширяющиеся сопла. Если в сосуде с насадкой (отростком цилин­ дрической трубы) находится пар с давлением более высоким, чем дав­ ление окружающей среды, то через насадку происходит истечение за­ ключенного в сосуде пара наружу. При этом по мере движения по на­ садке пара его давление постепенно понижается, а скорость возрастает, т. е. потенциальная энергия пара превращается в кинетическую. Такие насадки называются соплами.

23

Чем отличается пар, находящийся в сосуде, от пара, выходящего из сопла? Если пренебречь потерями, которые появляются при исте­ чении, можно сказать, что запас энергии того и другого пара одинаков. Разница в том, что только часть потенциальной энергии пара, находя­ щегося в сосуде, сохранится в нем после истечения пара на сопла; остальная же часть перейдет в эквивалентное количество кинетической энергии. Сумма этих двух видов энергии будет равна первоначальному запасу потенциальной энергии.

Итак, потенциальная энергия пара частично перешла в энергию быстродвижущейся струи. Можно легко убедиться, что такая струя об­ ладает энергией, надо только заставить струю работать. Вспомните, с какой силой бьет вода из пожарного шланга или гидромонитора, когда струя, выходящая под большим давлением, разбивает и размы­ вает грунт, добывает уголь, торф, режет лед и т. д.

Способ использования движущейся струи для получения работы в принципе очень прост. Мы его наблюдаем на ветряной мельнице или другом ветряном двигателе. При этом кинетическая энергия воздуха (ветра) используется для вращения жерновов при размоле зерна,

Пусть имеется котел /, в котором поддерживается постоянное давление пара, наблюдаемое по манометру 10. К котлу прикреплен патрубок 2 с клинкетом 4 и

количество пара, прошедшее через сопло в течение 1 ч: расход пара теперь уве­

Ясно, что увеличение расхода пара во всех опытах могло происходить толь­ ко вследствие увеличения скорости истечения пара через выходное сечение сопла,

24

I

чего освобождающаяся тепловая энергия идет не на увеличение ско­ рости пара по направлению оси сопла, а на вихреобразование. Таким образом, более или менее значительная часть энергии в зависимости от разности между рк и рг рассеивается.

На рис. 16 показано изменение давления пара по длине сопла, не имеющего расходящейся части, при различных противодавлениях, включая и меньшие критического. Если разность давлений в выходном сечении сходящегося сопла рк и среды рх значительная, то истечение

паровой струи в воздушную среду со­ провождается характерным шумом или резким свистом.

Чтобы использовать полное рас­ ширение пара от критического дав-

ления до любого противодавления и, следовательно, получить сверх­ критические скорости пара, необходимо к суживающемуся соплу при­ соединить расширяющийся раструб с небольшой (около 10—12°) ко­ нусностью (рис. 17). В наименьшем сечении такого расширяющегося сопла по-прежнему устанавливается критическое давление рк и соот­ ветствующая ему критическая скорость с,..

Для расширяющихся сопел место расположения наименьшего се­ чения по длине может быть любым (обычно ближе к входному отвер­ стию).

Расширяющееся сопло впервые предложил шведский инженер Лаваль, поэтому его называют также соплом Лаваля.

Физически необходимость расширяющегося сопла объясняется при­ родой пара: при расширении его от критического давления рк до про­ тиводавления рг меньше критического удельный объем увеличивается быстрее скорости, поэтому для прохода одного и того же количества пара требуется постепенное увеличение площади поперечного сечения сопла.

Скорость и кинетическая энергия пара при выходе из сопел. Поте­ ри в соплах. В соплах пар приобретает скорость и, следовательно, возрастает его кинетическая энергия от нуля до некоторой величины, определяемой скоростью пара при выходе из сопел.

26

Мы рассматривали процесс расширения пара в соплах без учета потерь, как чисто адиабатный. В действительности пар, расширяясь в соплах, преодолевает ряд сопротивлений, на что затрачивается часть его кинетической энергии.

Для учета потерь скорости в соплах при расчетах применяют ско­ ростной коэффициент ер, который показывает, во сколько раз действи­ тельная скорость пара меньше теоретически возможной при адиабат­ ном расширении. Коэффициент скорости учитывает сумму потерь энер­ гии в соплах и определяется опытным путем.

Действительная скорость сх выхода пара из сопла будет в ср раз

Кинетическая энергия пара, затраченная на преодоление вредных сопротивлений, преобразовывается обратно в тепловую, вследствие чего теплосодержание 1 кг пара в выходном сечении сопла при. том же давлении будет несколько больше того, которое он имел бы при адиабатном расширении. Повышение теплосодержания является поте­ рей кинетической энергии в соплах, выраженной в тепловых единицах,

Потери в суживающихся соплах обычно меньше, чем в расширяю­ щихся, поэтому в паровых турбинах обычно устанавливают суживаю­ щиеся сопла, у которых скорости истечения пара меньше критической.

Потери в соплах, а следовательно, коэффициент скорости ф, за­ висят от качества поверхности сопел. Поэтому поверхность сопел по­ лируют, а при ремонтах очищают от отложений,

27

Расширение пара в косом срезе сопла. Как уже указыбалось, для возможности безударного входа пара на рабочие лопатки, сопла тур­

при р х ^ рь . не отличается от процесса расширения в сопле без косого среза. В этом случае косой срез является только частью стенок канала, изолирующей поток от воздействия внешней среды; величина и направ­

пара расходится и отклоняется от оси на некоторый угол 0, называе­ мый углом отклонения потока пара в косом срезе.

На основании опытов изобары в косом срезе можно схематически представить в виде кривых DC, DC" и DC".

Таким образом, косой срез позволяет в суживающем сопле полу­ чать скорости потока пара больше критической и, следовательно, косой срез представляет собой как бы часть расширяющегося сопла. Наряду с этим положительным свойством косого среза при расширении пара возникает и отрицательное явление: отклонение потока пара, вы­ ходящего из сопла, вызывает увеличение потерь в сопле, что снижает эффективность использования кинетической энергии потока и умень­ шает к. п. д. ступени.

§ 8. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПАРА НА РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ

Степень реактивности. Выходящий из сопел пар (на­ правляющего аппарата) со скоростью сг попадает в каналы, образован­ ные рабочими лопатками турбины, и здесь, благодаря кривизне лопа­ ток, происходит преобразование кинетической энергии в механичес­ кую работу вращения рабочего колеса.

28

При прохождении каналов рабочих лопаток пар в общем случае подвергается дополнительному расширению от давления р2 в зазоре между соплами и рабочими лопатками до давления р3 за рабочими лопатками. При этом дополнительном расширении часть энергии пара в ступени превращается в кинетическую энергию. Таким образом, сум­ марный располагаемый перепад тепла в ступени делится на две части.

Л а = Л а и + Л а р -

Отношение адиабатного теплоперепада на рабочих лопатках к рас­ полагаемому теплоперепаду всей ступени называется степенью.реак­ тивности ступени и обозначается буквой р, т. е.

пара. Такой принцип преобразования энергии в ступени называется

активным принципом действия турбины, а ступень — активной сту­ пенью давления.

Когда ступень реактивности р = 0,5, то располагаемый тепловой перепад в ступени перерабатывается в кинетическую энергию (поровну в направляющих каналах и в каналах рабочих лопаток). Принцип преобразования энергии в такой ступени называется реактивным прин­

мый тепловой перепад в ступени перерабатывается в кинетическую энергию в большей степени в соплах, а в меньшей — в рабочих лопат­ ках. Такая ступень турбины называется активной ступенью с реактив­ ностью.

У современных паровых турбин все ступени работают с меньшей или большей степенью реактивности. Поэтому понятие активная и ре­ активная ступени является условным и характеризует только их конструктивное различие.

Построение треугольников скоростей. Процесс преобразования энер­ гии и изменение скоростей потока в каналах рабочих лопаток изучают

скорость измеряется. Так, например, если человек идет в вагоне движущегося поезда, то можно говорить о скорости движения человека относительно вагона или относительно земли и т. д.

29