turbina (Получение и использование электрической энергии)

Паровая турбина

П аровая турбина, первичный паровой двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора и непрерывным рабочим процессом; служит для преобразования тепловой энергии водяного пара в механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины, паровая турбина использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.

В конце 19 века, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня для создания первых паровых турбин. Первые конструкции этих установок предложили Г. П. Лаваль и Ч. А. Парсонс. Независимо друг от друга в 1884—89 годах они создали промышленно пригодные паровые турбины. Лаваль применил расширение пара в конических неподвижных соплах паровую струю со сверхзвуковой скоростью истечения направленную на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск паровой турбины. Работающие по этому принципу паровые турбины, получили название активных. Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, в которой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными лопатками. Паровые турбины получили очень широкое применение, постепенно вытесняя поршневые паровые турбины.

Однако невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность паровых турбин, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала паровой турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась в основном на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным паровым турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одновенчатым или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины обычно подразделяют на 3 основные группы: конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Такие паровые турбины работают с выходом отработанного пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум. Конденсационные паровые турбины могут быть стационарными или транспортными. Стационарные паровые турбины в соединении с генераторами переменного электрического тока — турбогенератор. Он является основным оборудованием электростанций. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому мощность паровых турбин растет из года в год и к 1974 достигла 1200 МВт в агрегате [при давлении свежего пара до 35 Мн/м² и температуре до 650 °С]. Принятая в СССР частота электрического тока 50 Гц требует, чтобы частота вращения паровой турбины, соединённой с двухполюсным генератором, равнялась 3000 об/мин. От стационарных паровых турбин требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%). Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. К ним относятся паровые турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением. У паровых турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей: отопление и др. Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной паровой турбиной, которая покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В паровой турбине с регулируемым отбором часть пара отводится из промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора выбирают в зависимости от нужных параметров пара. Давление пара паровой турбины для отопительных целей обычно составляет 0,12 Мн/м², а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5—1,5 Мн/м².

Паровые турбины специального назначения обычно работают на побочном тепле от металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся паровые турбины мятого пара, двух давлений и предвключённые. Паровые турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. Паровые турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключённые паровые турбины представляют собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих паровых турбин направляют в другие паровые турбины с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых паровых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанных с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции паровые турбины.

Корпус паровой турбины с несколькими ступенями давления разделяют диафрагмами на отдельные камеры, в каждой из которых помещен один из дисков с рабочими лопатками. Пар может проникать из одной камеры в другую только через сопла, расположенные по окружности диафрагм. Давление пара снижается после каждой ступени, а скорости истечения пара остаются примерно одинаковыми, что достигается выбором соответствующих размеров сопел. Число ступеней давления у мощных турбин с высокими начальными параметрами пара достигает 30—40. Поскольку объём пара по мере его расширения увеличивается, сечения сопел и высоты лопаток возрастают от первой ступени к последней. Последние ступени мощных паровых турбин обычно выполняют сдвоенными, а у самых больших паровых турбин — строенными и даже счетверёнными ввиду неприемлемо больших размеров лопаток последних ступеней, которые были бы необходимы для пропуска всего объёма пара через первую ступень.

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные паровые турбины, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. По числу корпусов паровые турбины подразделяют на однокорпусные, двухкорпусные, трёхкорпусные и редко четырёхкорпусные. Многокорпусная конструкция позволяет разместить большое число ступеней давления, применить высококачественные металлы в части высокого давления и раздвоение потока пара в части низкого давления; однако такая паровая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. По числу валов различают одновальные паровые турбины, у которых валы всех корпусов находятся на одной оси, двухвальные и редко трёхвальные, состоящие из двух или трёх параллельно размещенных одновальных паровых турбин, связанных общностью теплового процесса.

Неподвижная часть паровой турбины — корпус. Его выполняют разъёмным в горизонтальной плоскости для возможности монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм, разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы, образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему. В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения лабиринтового типа для предупреждения утечек пара наружу и засасывания воздуха в корпус. Лабиринтовые уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел. На переднем конце вала устанавливают предельный регулятор, автоматически останавливающий паровую турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх нормальной. Задний конец ротора снабжают валоповоротным устройством с электрическим приводом для медленного проворачивания ротора после остановки паровой турбины, что необходимо для равномерного остывания.