§ 83. Паровые и газовые турбины

Паровые и газовые турбины служат тепловым двигателем, в ко­тором потенциальная энергия пара или газа превращается в кинети­ческую, преобразующуюся затем в механическую энергию враще­ния вала.

Простейшая турбина состоит из насаженного на вал рабочего колеса с лопатками и сопла, предназначенного для преобразования давления пара или газа в кинетическую энергию струи. Струя пара или газа, поступая из сопла на лопатки рабочего колеса, приводит его во вращение.

Турбины бывают двух типов: активные и реактивные. Турбины, в которых пар или газ расширяется только в неподвижных соплах до поступления на лопатки рабочего колеса, называют активными. Турбины, в которых пар или газ расширяются в основном между лопатками рабочего колеса и лишь частично в соплах, называют реактивными. В этих турбинах используют реактивную силу быстро вытекающей и расширяющейся струи пара или газа, действующую на лопатки.

Активные турбины можно разделить на пять групп.

Турбины с одной ступенью давления и одной ступенью скоро­сти, имеющие один ряд сопл и один венец лопаток на рабочем ко­лесе.

Турбины с одной ступенью давления и несколькими ступенями скорости. В этих турбинах диск снабжен несколькими венцами ра­бочих лопаток, между которыми установлены направляющие ло­патки.

Турбины с несколькими ступенями давления и одной ступенью скорости. Каждая ступень давления имеет один диск с одним вен­цом лопаток: пар или газ последовательно переходят из одной сту­пени в другую, частично расширяясь в соплах, установленных в диа­фрагмах.

Турбины со ступенями скорости и давления, в которых корпус разделен диафрагмами на отдельные камеры: пар или газ перехог дят из одной камеры в другую через расширяющиеся сопла. В каждой камере находится один диск с двумя или несколькими вен­цами лопаток, между которыми находятся неподвижные направля­ющие аппараты.

Комбинированные турбины, имеющие в первой ступени диск с двумя венцами, а в остальных — простые одновенечные диски.

Ротор реактивных турбин изготовляют в виде барабана, на ко­тором укреплены рабочие лопатки. Направляющие лопатки уста­новлены в корпусе турбины. Пар или газ расширяются как на не­подвижных направляющих лопатках, так и на подвижных рабочих. Наиболее широко в промышленности применяют осевые (аксиаль­ные) турбины, в которых поток рабочей среды направлен вдоль оси. Выпускают также радиальные турбины, в них поток рабочей среды направлен перпендикулярно валу.

210

Турбины используют в качестве привода центробежных насосов и компрессоров на предприятиях, где есть достаточное количество дешевого пара или газа.

На рис. 100 дана схема активной турбины с тремя ступенями давления. Корпус турбины 3 разделен диафрагмами 4 на три от­дельные камеры. В диафраг­мах по окружности располо­жены сопла.

Рабочая среда высокого давления (пар или газ) под­водится из трубопровода в кольцевую камеру I, по ок­ружности которой установле­ны сопла 8 первой ступени. В этих соплах понижается дав­ление и повышается скорость рабочей среды. Рабочая сре­да, поступая с большой скоро­стью на лопатки 7 первого ди­ска, приводит его во враще­ние. При этом кинетическая энергия преобразуется в меха­ническую. При выходе из ло­паток 7 рабочая среда прохо­дит через сопла 6 второй сту­пени, снова несколько расши­ряется и увеличивает свою скорость, которую и передает лопаткам 5. Далее то же са­мое происходит в третьей сту­пени: рабочая среда расши­ряется в соплах, давление па­дает, скорость возрастает, и кинетическая энергия передается ло­паткам рабочего колеса. После лопаток рабочего колеса третьей ступени рабочая среда поступает в выпускной патрубок 2, соеди­ненный с атмосферой или конденсатором.

На рис. 101 показана схема реактивной турбины. Све­жий пар или газ поступает в кольцевую камеру 1, а оттуда на не­подвижные направляющие лопатки первой ступени 4. В каналах между лопатками пар или газ расширяется, давление их несколь­ко понижается, а скорость возрастает. Затем рабочая среда (пар или газ) поступает в первый ряд подвижных рабочих лопаток 5. Между этими лопатками тоже происходит расширение рабочей среды при дальнейшем понижении ее давления и возрастании от­носительной скорости. На рабочие лопатки действует реактивная сила, при этом скорость газа или пара падает. Далее пар или газ поступает во второй ряд направляющих лопаток. Здесь снова про­исходит их расширение и возрастает скорость.

На рабочих лопатках второй и последующих ступеней протекают те же процессы, что и на лопатках первой ступени. При выходе из последней ступени пар направляется в конденсатор или атмо­сферу, а газ — в дымовую трубу.

5„ — рабочие площади поршней сервомотора и компрессора; р„ 212 и Рк —давления масла в сервомоторе и сжатого газа в цилиндре компрессора.

Из этого равенства следует, что Рс/Рк=Ьк/Ьс, т. е. давления масла в сервомоторе и газа в компрессоре обратно пропорциональ­ны рабочим площадям поршней. Чем больше диаметр поршня сер­вомотора и чем меньше диаметр поршня компрессора, тем при меньшем давлении рабочей жидкости можно получить большее ко­нечное давление газа: pK=Pc{Sc/SK).

При известном конечном давлении газа и известных площадях поршней компрессора и сервомотора давление масла, создаваемое насосом, должно быть р0=Рк(5к/5с).

В компрессорных установках с горизонтальным поршневым на­сосом и вертикальным двухрядным расположением сервомотора в компрессора поршневой насос 5 соединяется с сервомоторами 2 трубопроводами 1 (рис. 102, а).

Производительность компрессора 4 регулируют смещением вниз хода поршней сервомоторов и связанных с ними поршней компрес­сора, в результате чего увеличивается мертвое пространство в ци­линдрах компрессора. Регулировать положение поршня сервомото­ра, а следовательно, и плунжера 3 компрессора можно перестанов­кой золотника, который полностью или частично открывает отвер­стие для выпуска масла.В компрессорной установке с горизонтальным расположением цилиндров цилиндр сервомотора 9 установлен между горизонталь­ными цилиндрами компрессора 6 (рис. 102,6). Все цилиндры рас­положены в один ряд. Масло нагнетается в цилиндр сервомотора винтовым насосом 8. Попеременный впуск и выпуск масла осу

ют те же процессы, что и на лопатках первой ступени. При выходе из последней ступени пар направляется в конденсатор или атмо­сферу, а газ — в дымовую трубу.

Так как объем пара или газа по мере понижения их давления возрастает, то длина лопаток постепенно увеличивается. Ротор тур­бины 3 имеет коническую форму. Для уравновешивания осевого давления на стороне всасывания турбины установлен разгрузочный поршень 2.