2.2.4 Паровые турбины

Паровые турбины представляют собой основной тип тепловых машин (двигателей), служащих для привода электрических генераторов современных тепловых станций.

По сравнению с другими типами тепловых двигателей (паровыми машинами поршневого типа, двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами) паровые турбины имеют ряд существенных преимуществ: постоянная частота вращения вала, экономичность работы и большая концентрация единичных мощностей в одном агрегате. Кроме того, паровые турбины относительно просты в обслуживании и обладают способностью изменения рабочей мощности в широком диапазоне электрической нагрузки.

Принцип действия паровой турбины заключается в преобразовании тепловой энергии пара, поступающего из парогенератора, в кинетическую энергию потока пара, который, воздействуя на рабочее колесо турбины, приводит его во вращение, отдавая при этом часть своей энергии.

Схема работы пара в турбине показана на рис. 2.7. Поступающий из парогенератора пар сначала проходит через сопло1, где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока, после чего с большой скоростью направляется на рабочие лопатки2, расположенные на ободе диска4рабочего колеса, закрепленного на валу турбины.

Рабочие лопатки имеют изогнутую форму и в совокупности образуют систему криволинейных каналов (так называемую рабочую решетку). При повороте потока пара в каналах таких решеток возникают центробежные и реактивные силы, вращающие рабочее колесо и связанный с ним вал, соединенный через специальную муфту с электрическим генератором.

В конструкции турбины выделяют два основных элемента: сопловые каналы (сопловые решетки) и рабочие колеса с лопатками, образующие рабочие решетки. Сопловый аппарат вместе с соответствующими рабочими лопатками образуют ступень давления. Простейшая турбина, показанная на рис. 2.7, является одноступенчатой. При работе современных ТЭС перепады теплоты в турбинах (между высокими начальными и низкими конечными параметрами пара) могут достигать 1200…1500 кДж/кг. Поэтому на ТЭС в качестве мощных и эффективных турбин применяют многоступенчатые турбины.

По конструктивным соображениям 5...12 ступеней группируются в одном корпусе, который называют цилиндром. Современная мощная турбина может иметь цилиндр высокого давления (ЦВД) с давлением пара на входе 15...30 МПа, цилиндр среднего давления (ЦСД) с давлением 8...10 МПа и цилиндр низкого давления (ЦНД) с давлением 3...4 МПа. Турбины мощностью до 50 МВт обычно выполняются в одном цилиндре.

Если преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую происходит только в сопловых решетках, то такой принцип работы пара в турбине называют активным, а соответствующие ступени турбин — активными ступенями. В активной ступени для сохранения давления пара неизменным лопаточный канал должен иметь постоянное сечение. В решетке рабочих лопаток происходит лишь поворот струи, и изменение количества движения потока пара преобразуется в силу, действующую на лопатки.

Если сечение лопаточного канала выполнено сужающимся, происходит падение давления пара при прохождении через рабочую решетку, сопровождающееся ускорением пара по отношению к рабочим лопаткам и возникновением силы отталкивания, называемой реактивным давлением. Реактивное давление направлено против скорости вытекающей струи и способствует вращению ротора. Работу, производимую реактивным давлением, называют реактивной, а саму ступень турбины — реактивной ступенью. На рабочей лопатке реактивной турбины наряду с реактивной работой (падение давления) имеет место и активная работа (поворот струи). Современные турбины имеют как активные, так и реактивные ступени.

Турбины, у которых весь поданный в них пар после совершения работы поступает в конденсатор, называются конденсационными и используются для получения только механической энергии с последующим преобразованием её в электрическую. Такой цикл называется конденсационным, используется на ГРЭС и КЭС.

В теплофикационных турбинах (турбинах с противодавлением) часть пара отбирается до конденсатора и используется для подогрева воды, которая затем направляется в систему теплоснабжения жилых, административных, производственных зданий. Цикл называется теплофикационным и используются на ТЭЦ и ГРЭС. Промышленно-теплофикационные турбины имеют конденсатор и несколько регулируемых отборов пара для теплофикационных и промышленных нужд. Они используется на ТЭЦ и ГРЭС.

Конструкция мощной конденсационной турбины показана на рис. 2.8. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД 18, ЦСД12и ЦНД9). Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров жестко соединяются муфтами10и14. К полумуфте6присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан). Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (максимально 5) может достигать 80 м.

При работе турбины пар из котла (см. рис. 2.8) по одному или нескольким паропроводам поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному клапану (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего их 4). От регулирующих клапанов пар по перепускным трубам1подается в паровпускную камеру15ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД17. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка16. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан) к регулирующим клапанам 2, а из них — в паровпускную полость ЦСД13. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок11, а из него — в две перепускные трубы4(иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД5. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру5, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя проточные части, поступает в выходные патрубки ЦНД7. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой располагается блок регулирования и управления турбиной20. Его механизм управления19позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.