1. Классификация паровых турбин

Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара пре­вращается в кинетическую, а последняя в свою очередь, преобразуется в механиче­скую энергию вращения вала. Вал турбины соединяется с рабочей машиной.

Из большого разнообразия используемых в народном хозяйстве паровых турбин выделим стационарные, сохраняющие при эксплуатации неизменное местоположение.

Стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.

• По назначению различают турбины энерге­тические, промышленные и вспомогательные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энерго­систему, и отпуска тепла крупным потребителям, например, жилым районам. Их уста­навливают на крупных ТЭС, АЭС и ТЭЦ. Энерге­тические турбины характеризуются прежде всего большой мощностью, а их режим работы − прак­тически постоянной частотой вращения. Большинство энергетических турбин выполняют на номи­нальную частоту вращения 3000 об/мин.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной цепью является обслуживание про­мышленного предприятия, например, металлурги­ческого, текстильного, химического и др. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических.

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производ­ства электроэнергии ─ обычно для привода пита­тельных насосов и воздуходувок котла.

• По характеру теплового процесса различают турбины конденсационные и теплофикаци­онные.

В конденсационных турбинах пар из последней ступени отводится в конденсатор. Главное назначение кон­денсационных турбин – обеспечивать производст­во электроэнергии и поэтому они являются основны­ми aгpeгатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000-1200 МВт.

Теплофикационные турбины в отличие от конденсационных имеют один или несколько регулируемых отборов пара. Эти турбины предназна­чены для выработки тепловой и электрической энергии.

• По используемым параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины докрити­ческого (до 12,8 МПа) и сверхкритического (23,5 МПа и более) начально­го давления перегретого и насыщенно­го пара.

• По конструктивным особенностям турбины можно разделить на одно- и многоцилиндровые.

Одноцилиндровыми уда­ется выполнить лишь турбины теплоперепад которых сравнительно мал. Большинство турбин выполняют многоцилинд­ровыми с числом цилиндров от 2 до 4. Это позволяет получить более высокую мощность в одном агрегате, что удешевляет и турби­ну и электростанцию.

2. Закономерности расширения пара в сопловом канале

В турбине преобразование потенциальной энергии в кинетическую происходит при истечении пара из соплового канала.

Известно, что если сосуд, в котором находится пар под давлением снабдить трубкой (соплом) цилиндри­ческой формы (рис.1), через которую будет происходить истечение пара в пространство с меньшим давлением, то пар в этой трубке будет терять давление и приобретать скорость, но только до определен­ного предела. Это предельное давление называется критическим давлением. Соответ­ственно этому давлению мы получим и некоторую предельную скорость истечения, которая называется критической скоростью. Для перегретого пара критическое давление приблизительно равно 0,55 от начального давления.

Таким образом, если в нашем, сосуде на­ходится сухом насыщенный пар при давлении p_o = 10 бар, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получим давление p₁ = 10 · 0,55 = 5,5 бар, т. е. мы используем для превращения в ско­ростной напор только перепад давлений: ∆ p = 10 − 5,5 = 4,5 бар.

Дальше, выйдя из устья сопла, пар рас­ширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его в направ­лении оси сопла почти не произойдет. Сле­довательно, пользоваться цилиндрическим соплом целесообразно только тогда, когда начальное давление пара не превышает примерно двойного давления в пространстве, куда он вытекает. Например, при выпуске пара в атмосферу рабочее дав­ление перед соплом не должно превышать 1,8 бар.

Если отношение давлений перед и за соплом больше, то для полного преобразова­ния энергии давления в скоростную энергию нужно, чтобы сопло имело после узко­го сечения расширяющуюся часть (рис.2).

Отличительная особенность расширяюще­гося сопла заключается в том, что давление пара у выхода из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он вытекает. При этих условиях пар вытекает из сопла со сверхкритической скоростью и идет ровной струёй, вся энергия которой может быть использована на лопатках турбины. Расши­ряющееся сопло дает возможность использо­вать любые перепады давлений, полностью преобразовывая его в ки­нетическую энергию.