5.3. Устройство и принцип действия паровых турбин

Паровые и газовые турбины представляют собой тепловые двигатели с вращающимся ротором, рабочие процессы в котором осуществляются непрерывно. Рабочим телом в паровых турбинах является перегретый водяной пар заданных параметров, в газовых турбинах продукты сгорания газообразного или жидкого топлива с воздухом. Эти тепловые двигатели компактны, быстроходны и достаточно экономичны, что предопределило их широкое распространение в энергетике.

В силу своих конструктивных особенностей паровые турбины допускают:

• концентрацию огромной мощности в одном агрегате (до 1200 МВт),

• прямое соединение и равномерность вращения электрического генератора, что дает возможность легко поддерживать постоянную частоту генерируемого электрического тока,

• использование на электростанциях любых видов топлива.

Все эти свойства дополняются достаточно высокой энергетической эффективностью паровых турбин, которые уступают в этом отношении только двигателям внутреннего сгорания. В паровых турбинах рабочий процесс протекает непрерывно. При этом происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию, которая затем трансформируется в механическую работу и электрическую энергию.

Преобразование потенциальной энергии перегретого пара в кинетическую энергию происходит в специальных устройствах - неподвижных каналах переменного сечения, которые делятся на сужающиеся (конфузоры) и расширяющиеся (диффузоры). В энергетике такие устройства называют соплами. Эти устройства являются неотъемлемой частью всех видов турбин.

Для того чтобы перевести в кинетическую энергию всю потенциальную энергию пара применяют сопла Лаваля. в сужающих каналах сопла Лаваля скорость потока возрастает, а давление падает, в расширяющихся - давление уменьшается, а скорость - растет. При проходе через сопло пар в самом узком месте приобретает критическое давление (р_кр= 0,55-0,58р_нач), которому соответствует максимальный расход пара через сопла, и критическую скорость (С_кр = С_зв), равную скорости распространения звука в данной среде (С_зв = 450 м/с). В расширяющейся части сопла продолжается процесс расширения, вследствие чего давление пара уменьшается, а его скорость становится выше критической. Соответствующим подбором выходного сечения сопла может достичь равенства давлений истечения и среды.

В соответствии с первым законом термодинамики количество теплоты(dq), подведенное к системе, равно сумме внутренней энергии (du) и работы (dw), совершаемой системой:

dq = du + dw. (5.1)

Работу, которую совершает газ при постоянном давлении

dw = pdv, (5.2)

можно представить как разность между работой, совершенной газом при изменении давления и объема d(pv), и работы совершаемой при изменении давления и постоянном объеме (vdp), т.е.

pdv = dpv – vdp, (5.3)

тогда

dq = d(u + pv) - vdp, (5.4)

где d(u+pv)=di - энтальпия (теплосодержание).

При постоянном давлении p = const элементарная удельная работа расширения газа vdp = 0, следовательно, dq = di . При адиабатическом течении потока q = const, когда работа не производится dl = 0, тогда из уравнения первого закона термодинамики следует, что удельное приращение кинетической энергии

d = - di. (5.5)

Интегрируя это уравнение в пределах процесса, получим

= i₀ - i₁, (5.6)

где с₀ и с₁ - скорость на входе и выходе из сопла;

i₀ и i₁ - теплосодержание пара на входе и выходе из сопла.

Таким образом, увеличение кинетической энергии пара будет равно

- = (i₀ - i₁). (5.7)

Пренебрегая скоростью входа пара в сопло (С=0), можно записать

C = i₀ - i₁. (5.8)

Откуда

C₁ = = 91,5 , (5.9)

где А - тепловой эквивалент работы, А=1/427;

g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с².

Следовательно, зная начальные и конечные параметры пара можно определить скорость его истечения из сопла:

C₁ =  C₁ = 91,5  . (5.10)

При расчете сопла обычно определяют два его сечения:

• горла f_min = G/( ), (5.11)

• выхода f_max = G V₂/С₁, (5.12)

а также длину диффузора

L = , (5.13)

где G - секундный расход пара, кг/с;

р₁ - начальное давление пара, кгс/см²;

V₁ и V₂ - удельный объем пара на входе и выходе из сопла м³/кг;

С₁ - скорость истечения пара м/с;

L - угол расширения сопла.

Рис. 5.1. Схема и график рабочего процесса в активной турбине:

а) одноступенчатой и б) с двумя ступенями скорости:

1 - сопловые лопатки; 2 - рабочие лопатки; 3 – неподвижные

направляющие лопатки; 4 – сопло; 5 - корпус и 6 - вал турбины

При выходе из сопла, где произошло преобразование потенциальной энергии в кинетическую, пар поступает в рабочие лопатки турбинного колеса. Вследствие изогнутой формы лопаток пар, проходя через каналы, образованные лопатками меняет свое направление. Развивающиеся при этом центробежные силы частиц пара оказывают давление на лопатки. Согласно схеме (рис. 5.1) пар оставляет сопло со скоростью С₁ и под углом ₁ поступает в канал образованный рабочими лопатками. На каждый элементарный участок лопатки будет действовать центробежное давление Р, направленное по нормам к этому участку. Равнодействующая всех этих сил будет иметь некоторое направление, в зависимости от угла и формы лопатки. Одна из составляющих этой равнодействующей Р_х, находящаяся в плоскости диска рабочего колеса, действующая в направлении движения колеса, является рабочим усилием, создающим вращение ротора турбины. Пройдя канал между лопатками и отдав часть кинетической энергии, пар покидает рабочее колесо со скоростью С₂ < С₁. Эта скорость составляет с плоскостью диска угол ₂  ₁ . Если обозначить окружную скорость на среднем диаметре колеса U, а относительные скорости входа и выхода пара из лопаток как W₁ и W₂, через ₁ и ₂ - углы между направлениями относительных скоростей и плоскостью вращения диска, тогда процесс изменения скоростей можно представить в виде треугольников скоростей. Совмещая треугольники скоростей на входе и выходе из турбины и пренебрегая потерями, т. е. принимая W₁  W₂ найдем, что

2U=C₁ cos . (5.14)

При  = 1U/C = 0,5, т.е. окружная скорость равна половине скорости C₁. В этом случае кинетическая энергия будет использована полностью, т.к. С₂ = 0. Однако, если ₁ = 0, тогда будет невозможно подвести пар к лопаткам, а при С₂ = 0 - нельзя его отвести от турбины. Поэтому в реальных турбинах пар подводится под углом 14-20, тогда теоретическое соотношение скоростей U/C₁ = 0,49-0,47, а действительное из-за потерь составит 0,25-0,35. Если учесть, что абсолютная скорость истечения из сопла пара составляет С₁ = 1300-1400 м/с, то при U/С₁ = 0,3 окружная скорость рабочего колеса U = 400 м/с. По условиям прочности вращающихся частей, подверженных высоким температурам и центробежным силам, такая скорость считается предельно допустимой. Уменьшение окружной скорости и, следовательно, число оборотов ротора возможно за счет изменения конструкции турбины.

По действию пара на рабочие лопатки турбины подразделяются на активные и реактивные. В реактивных турбинах потенциальная энергия пара превращается в кинетическую не только в соплах, но и в рабочих лопатках, которые имеют специальную конструкцию (профиль). В этом случае, как сопловой аппарат, так и рабочий венец выполняется в виде сужающихся каналов, в которых происходит падение давления и возрастает скорость, то есть происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию.

Турбины конструктивно выполняются со ступенями скоростей и ступенями давлений. Например, активные турбины со ступенями давления - это как бы последовательно соединенные несколько одноступенчатых турбин Лаваля. Рабочие колеса этой турбины насажены на один вал и отделены друг от друга неподвижными дисками диафрагмами, которые имеют сопла подводящие пар на лопатки рабочих колес. Пар, проходя каждую пару неподвижных диафрагм и лопатки рабочего колеса, теряет свое давление на каждой ступени.

Следовательно, каждая элементарная турбина работает с небольшим перепадом давлений и с невысокой скоростью истечения, что позволяет иметь малую окружную скорость и небольшое число оборотов. Если число ступеней Z, то на каждую ступень перепад составит h_i = (i₀ - i₁)/Z, следовательно

C₁ = 91,5 , (5.15)

т.е. скорость истечения будет меньше в Z раз, чем в одноступенчатой турбине. Уменьшение скорости истечения ведет к снижению окружной скорости, что дает возможность понизить число оборотов ротора или уменьшить диаметр дисков, т.е. габариты турбины (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Конструктивная схема паровой турбины:

1 – корпус; 2 - вал (ротор); 3 – диски; 4 - рабочие лопатки;

5 - диафрагмы с направляющими или сопловыми лопатками;

6 - клапанная коробка; 7 - распределительный валик;

8 - паровпускная камера с сопловым аппаратом;

9 - гибкая муфта; 10 - вал генератора; 11 - выходная камера

Паровая турбина состоит из разъемного по оси корпуса 1 цилиндрической расширяющейся формы, внутри которого на подшипниках размещается ротор 2. На валу ротора закреплены диски 3, на ободах которых устанавливаются рабочие лопатки турбины 4. В круговые выточки корпуса турбины вставлены неподвижные диафрагмы 5, в которых устанавливаются направляющие или сопловые лопатки.

Диафрагмы, разделяющие проточную часть на отдельные ступени, разрезаны в горизонтальной плоскости по оси турбины. Пар в турбину подается через клапаны, установленные в клапанной коробке 6. Эти клапаны открываются с помощью распределительного валика 7 в зависимости от нагрузки и скорости вращения вала турбины. Затем пар попадает в паровпускную камеру 8 улиткообразной формы и через сопловые лопатки, закрепленные непосредственно в корпусе или в сопловой коробке, поступает в первую ступень турбины на рабочие лопатки. Из последней ступени пар выходит в улиткообразную камеру, из которой поступает в конденсатор. Вал турбины с помощью гибкой муфты 9 соединяется с ротором электрического генератора 10.