§ 16.Турбинные и ядерные силовые установки

П АРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (равно как и ГТУ) на современных транспортных судах устанавлива­ются редко (около 2% судов мирового флота). Энер­гопроизводящим элементом в пропульсивном ком­плексе с такой установкой является турбина. Это двигатель, в котором энергия рабочего тела (пара или газа) последовательно преобразуется в кине­тическую энергию струи с высокой (околозвуковой) скоростью движущейся в проточной части турбины, а затем в механическую работу

на ее валу. Рис.1.12. Паровая турбина

Рабочее тело простейшей турбины (рис. 1.12.) (пар от главного парового котла или газ от камеры сжигания жидкого топлива) поступает в сопла 1 (или группу сопл), где в результате его расширения увеличивается скорость, с которой рабочее тело направляется на рабочие лопатки 2. Усилие, вызванное поворотом струи в каналах рабочих лопаток, вращает диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками составляют турбинную ступень. На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в работу ступени.

Важной характеристикой ступени является отношение теплоперепада на рабочих лопатках , к располагаемому теллоперепаду на ступени называемое степенью реактивности r = / . При r = 0 турбинная ступень называется активной - весь располагаемый теплоперелад срабатывается в сопловом аппарате, превращаясь в скоростной напор при r = 1 ступень называется реактивной - весь располагаемый теплоперепад срабатывает­ся на рабочих лопатках. Отношение удельной работы ступени к распола­гаемому теплоперепаду , называется КПД ступени: ; , где - разность удельных энтальпий пара на входе и выходе его из ступени, кДж/кг.

Для достижения максимального КПД окружная скорость и активной турбины должна быть около 700 м/с. Из-за больших центробежных сил на рабочих лопатках по условиям прочности окружную скорость нужно уменьшить примерно в 2 раза. В связи с этим одноступенчатые турбины имеют низкий КПД ограниченную мощность (до 1 МВт) и, следовательно, ограниченное применение.

Наибольшее применение в различных ПТУ получили активные турби­ны со ступенями давления. Схема такой турбины включает в себя несколь­ко последовательно расположенных по ходу пара ступеней рабочих лопа­ток, сидящих на одном роторе или валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В этих турбинах давление пара уменьшается в каждом ряду сопл, оставаясь постоянным на рабочих лопат­ках Абсолютная скорость пара в ступени то возрастает- в соплах, то снижается - на рабочих лопатках. Объем пара по мере его расширения увеличи­вается, поэтому геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают, т. е. увеличивается высота сопловых и рабочих лопаток. Применение ступеней давления при умеренных скорости пара и окружной скорости вра­щения ротора (с , и) обеспечивает высокий КПД. Однако абсолютно активных турбин не строят, все современные мощные турбины выполняют много­ступенчатыми с определенной степенью реактивности, чаще всего r = 0,5. В отдельной активно-реактивной ступени пар расширяется не только в сопловых каналах, но и на рабочих лопатках. На каждой отдельной ступени пар расширяется лишь частично от общего перепада давления на турбине и при большом их числе (10... 12) разность давлений в отдельной ступени по­лучается небольшой, а скорость потока - умеренной.

В такой турбине при r = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одина­ковую форму. Причем один и тот же профиль лопаток может быть использо­ван во всех ступенях, и только высота лопаток увеличивается в соответствии с увеличением объема пара по мере снижения его давления.

Работа турбины сопровождается большими потерями энергии, кото­рые можно разделить на внутренние, в связи с необратимыми изменения­ми состояния рабочего тела при его расширении в турбине, на внешние, от утечек пара через концевые зазоры между корпусом турбины и валом, и на механические - от трения в подшипниках и на привод вспомогательных механизмов.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ). Рабочим телом в них является газ - продукт горения жидкого топлива в камере сгорания. Схема показана на рис.1.13. Воздушный компрессор 2 сжимает воздух, повышая давление, и непрерывно подает его в камеру сгорания 3. Туда же специальным насосом 1 через форсунку непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Горение топлива происходит при постоянном давлении, следовательно, подвод теплоты осуществляется в изобарном процессе. Образующиеся продукты сгорания (газы) выходят из камеры сгорания с высокой температурой, поступают в

Рис. 1.13. Схема ГТУ с редуктором.

газовую турбину 4, где они адиабатно (без тепло­обмена с внешней средой) расширяются, в результате чего их температура снижается, а давление уменьшается до атмосферного р . При этом часть работы, производимой турбиной, расходуется на привод компрессора, а их разность есть полезная работа ГТУ на потребителя 8 (например, на при­вод винта) обычно через редуктор 7. Пуск ГТУ осуществляется пусковым электродвигателем 6 через разобщительную муфту 5.

Эффективность ГТУ повышается в результате использования теплоты уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания в теплообменных устройствах (регенераторах). Кроме того, тепло­ту уходящих газов используют для получения пара или горячей воды в утили­зационных котлах. Мощные ГТУ перспективны для тех судов, для которых должны быть реализованы большие агрегатные мощности при ограничен­ных высоте и длине машинного отделения, а также для судовых атомных установок с газовым теплоносителем и ГТУ закрытого цикла.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ЯЭУ) работает на энергии ядерных превращений, например изотопов урана. У лучших ЯЭУ КПД достигает 40%. В ЯЭУ энергия ядерного топлива (сочетание изотопов урана U, U и тория Th) освободившаяся в результате цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер, превращается в теплоту. Этот процесс происходит в ядерном реакторе. При делении 1 кг U выделяется энергия, равная 20 млн. кВтч. т.е. примерно в 2,5 млн. раз больше, чем при сжигании 2 кг каменного угля с теплотой сгорания 29300 кДж/кг. Судно с ЯЭУ имеет практически неограниченный район плавания. Кроме того, для ее работы не требуется атмосферный воздух, без которого не обходится ни одна другая СЭУ. Существуют одно-, двух-, и трехконтурные паропроизводящие установки, но основное применение в современной энергетике нашли двухконтурные ЯЭУ.

Схема двухконтурной ЯЭУ приведена на рис. 1.14. В реакторе 1 осуществляется деление ядер урана. Теплоноситель, омывающий тепловыделяющие элементы, облучается нейтронами и становится радиоактивным, поэтому он направляется не в турбину, а в промежуточный теплообменник – парогенератор 2, где передает свою теплоту рабочему телу (обычная вода и водяной пар) второго конту-

Рис. 1.14. Схема двухконтурной ЯЭУ.

ра ПТУ, после чего нагнетаемый насосом 4 теплоноситель вновь возвращается в реактор. Вся установка первого контура вследствие своей большой радиоактивности отделяется от остальной части ЯЭУ специальной биологической защитой 7. Водяной пар второго контура, обра­зованный в парогенераторе, поступает в турбогенератор 4, вырабатываю­щий электроэнергию, затем направляется в конденсатор 5, где конденсиру­ется и с помощью водяного насоса 6 опять подается в парогенератор 2. Вода как теплоноситель обладает существенным недостатком: не дает воз­можности получить высокие значения параметров водяного пара во вто­ром контуре.

Большая автономность плавания по запасам топлива при практичес­ки любой целесообразной мощности ледоколов предопределила перво­очередное применение в судоходстве ЯЭУ именно на ледоколах. Первый в мире атомный ледокол «Ленин» с мощностью ГД 32 тыс. кВт и тремя водоводяными реакторами вступил в эксплуатацию в 1959 г. В 1965-1970 гг. его первая ЯЭУ была заменена на более совершенную установку блочного типа с двумя реакторами Позднее был построен еще более совершенный атом­ный ледокол «Арктика» - трехвальный турбоэлектроход с четырьмя палу­бами, баком и пятиярусной надстройкой.

Ядерная энергетическая установка имеет два режима управления ра­ботой, которые позволяют наиболее экономично эксплуатировать энерге­тическое оборудование раздельное управление мощностью ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ и ГЭУ), применяемое в тяжелой ледо­вой обстановке (в этом режиме имеется резерв производительности ЯППУ для обеспечения всех маневров ГЭУ и исключаются частые резкие колеба­ния нагрузок на оборудование ЯППУ); взаимосвязанное управление мощ­ностью ЯППУ и ГЭУ без перепуска пара на главный конденсатор, приме­няемое во всех остальных случаях.