Паровая турбина
Содержание
История
При современных мощностях XX века паровая машина как главный судовой двигатель уже не могла обеспечить нужную мощность и экономичность, установки получались громоздкими и малоэффективными. Настало время этому двигателю передать эстафету турбине и двигателям внутреннего сгорания.
Турбина в качестве главного двигателя первый раз была использована на судне Turbinia. Корабль имел водоизмещение 45 тонн и был спущен на воду в Англии конструктором Чарлзом Парсонсом.
Многоступенчатая паротурбинная установка включала в себя паровые котлы и три турбины, соединенных напрямую с гребным валом. Каждый гребной вал имел три винта. Общая мощность турбин составляла 2000 л.с. при 200 оборотов в минуту. В ходе проведения ходовых испытаний в 1896 году турбоход развил скорость 34,5 узла. В настоящее время судно находится в Музее Открытий в Ньюкасле, а её турбина - в Лондонском Музее науки.
В России первым турбинным судном была яхта-миноносец «Ласточка» (1904 г.). Это бывшее английское опытное судно Carolina, построенное в 1904—1905 гг., было куплено Морведом для обучения персонала и производства опытов с турбоагрегатами. Корабль имел две силовые установки по 1000 л.с. каждая и при водоизмещении 140 тонн развивал максимальную скорость хода 18,5 узлов.
Во время Второй мировой войны паровая турбина использовалась как главная энергетическая установка. На гордости Германии — линкоре Bismarck были установлены 3 турбозубчатых агрегата мощностью 46000 л.с. каждая. Корабль со стандартным водоизмещением 41700 т. развивал скорость около 30 узлов.
.jpg)
На втором корабле этой серии (Tizpitz), который британцы прозвали "Гитлеровская зверюга", стояли три турбины Brown Boveri & Cie. Скорость хода была 30,8 узлов при водоизмещении 45474 тонны.
.jpg)
На крупнейшем линкоре в истории флота — японском «Ямато» были установлены 4 ТЗА Kampon. При водоизмещении 63200 тонн корабль развивал скорость 27,5 узлов.
На «Севастополе», линкоре русского и советского флота, стояло десять турбин Парсонса общей мощностью 32000 л.с, что обеспечивало кораблю скорость хода около 22 узлов.
В настоящее время паровые турбины отошли на второй план. Но их эксплуатация на некоторых судах продолжается. Например, на тяжелом авианесущем крейсере «Адмирал флота Советского Союза Кузнецов» стоят 4 паровые турбины по 50 тыс. л.с. каждая. Максимально допустимая скорость составляла 29 узлов.
Состав паротурбинной установки
- Парогенератор, в котором питательная вода под соответствующим давлением превращается в пар;
- Пароперегреватель, в котором осуществляется повышение температуры пара до заданной величины (может отсутствовать);
- Турбина, в которой потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя - в механическую энергию на валу;
- Конденсатор, предназначенный для конденсации отработавшего пара турбины;
- Конденсатный насос, подающий конденсат в систему;
- Питательный насос, подающий питательную воду в парогенератор;
- Регенеративные подогреватели питательной воды.
Основные типы турбин
На кораблях в основном использовались турбины Парсонса (реактивного типа) и турбины Кертиса (активного типа). Турбины этих типов различались по принципу расширения пара. Турбины также разделяли по назначению: на главные и вспомогательные. Главные были конденсационные с выпуском всего отработавшего пара в конденсатор, они приводили в движение гребной винт непосредственно или через редуктор. Вспомогательные турбины служили приводами различных насосов, генераторов и вентиляторов. Главные турбины были двухкорпусными — низкого и высокого давлений. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней (ступень — два ряда смежных лопаток, закрепленных соответственно в корпусе и на барабане), которые могут быть или ступенями скорости или ступенями давления. В корпусе турбины низкого давления находятся лопатки заднего хода. Если судно оснащено гребным винтом с переменным шагом, то нет необходимости ставить турбину низкого давления. В настоящее время паровые турбины могут использоваться вкупе с ядерной энергетической установкой.
Турбина Кертиса
Простейшая одноступенчатая паровая турбина состоит из следующих основных частей: сопла, вала и диска с рабочими лопатками, закрепленными на ободе диска. Вал вместе с диском составляет важнейшую часть турбины и носит название ротора.
Ротор заключен в корпусе турбины. Шейки вала лежат в опорных подшипниках.
Расширение пара от начального до конечного давления происходит в одном сопле или группе сопл, закрепленных в корпусе перед рабочими лопатками вращающегося диска. В соплах срабатывается перепад тепла, который затрачивается на получение кинетической энергии паровой струи.
В процессе расширения скорость пара возрастает. В каналах рабочих лопаток происходит снижение скорости; кинетическая энергия пара снижается. При воздействии струи пара на рабочие лопатки часть его кинетической энергии преобразуется в механическую работу на валу ротора турбины.
То есть в активной турбине весь процесс расширения и, следовательно, ускорения пара идет только в неподвижных каналах (соплах), а на рабочих лопатках происходит только превращение кинетической энергии в механическую работу без дополнительного расширения паровой струи.
Турбина Парсонса
По иному принципу работает турбина Парсонса или реактивная турбина. Свежий пар к лопаткам турбины поступает из кольцевой камеры подвода пара. В неподвижной корпусе и на внешней стороне вращающегося барабана ротора закреплены соответственно направляющие и рабочие лопатки, образующие камеры для прохода пара. Из камеры пар, протекая через межлопаточные каналы, поступает в выпускной патрубок . Расширение пара происходит во всех межлопастных каналах, как подвижных, так и неподвижных.
Сначала свежий пар из камеры поступает в каналы первого ряда направляющих лопаток, закрепленных в корпусе. Из каналов неподвижных направляющих лопаток первого ряда пар поступает в каналы первого ряда рабочих лопаток, закрепленных на вращающемся барабане. Из каналов рабочих лопаток первого ряда пар направляется в каналы неподвижных лопаток второго ряда и так далее, проходя последовательно через каналы всех рядов направляющих и рабочих лопаток. Общий перепад тепла в ступенях распределяется примерно равномерно.
Пароводяная циркуляционная система судовой паротурбинной установки
На схеме Пароводяной циркуляционной системы судовой паротурбинной установки топливо поступает в парогенератор, где вступает в реакцию окисления с кислородом воздуха. Горячие продукты сгорания конвекцией и излучением нагревает питательную воду в трубках, превращая ее в пар. Получившийся пар высокого давления поступает в турбину, где приводит в движение ротор турбины, а через редуктор приводится в движение и гребной вал. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе. Охлаждающей средой в конденсаторе служит морская вода, которая подается циркуляционными насосами. Охлажденный до нужной температуры конденсат с помощью конденсатного насоса закачивается в подогреватель низкого давления. Греющей средой в нем служит часть пара, отобранного из турбины. Подогретый до нужной температуры конденсат закачивается питательным насосом обратно в парогенератор, замыкая цикл.
Сравнение с другими энергетическими установками
| Судовой двигатель | КПД | Условия эксплуатации | Вид топлива | Безопасность персонала | Экологический эффект | Время пуска | Размеры | Материалы изготовления |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Паровая машина | 8%-15% | Простота обслуживания | Практически любой вид топлива | Высокая безопасность | Выброс токсичных газов в атмосферу | От получаса до нескольких часов | Громоздкая, большое число вспомогательного оборудования | Высокопрочные материалы для цилиндров, движущихся частей |
| Паровая турбина | 30%-35% | Повышенное обслуживание при номинальном режиме работы | Уголь, мазут | Относительная опасность из-за работы с рабочей средой высоких параметров | Выброс токсичных газов в атмосферу, слив горячей заборной воды | От получаса до нескольких часов | Громоздкая, большое число вспомогательного оборудования | Жаропрочные, термостойкие материалы для турбины и основного оборудования |
| Газовая турбина | 25%-30% | Минимальное обслуживания, повышенная надежность работы | Газ, мазут | Высокая безопасность при номинальном режиме работы | Выброс в атмосферу токсичных газов с достаточно высокой температурой | 15-30 минут | Компактность, отсутствие большого числа вспомогательного оборудования | Термически устойчивые материалы для лопаток первых ступеней турбины |
| Двигатель внутреннего сгорания | 30%-36% | Повышенная шумность, наличие прямолинейно-возвратного движения рабочих частей | Мазут, дизельное топливо | Низкая опасность для персонала | Токсичность отработавших газов повышена | Практически мгновенно | Громоздкая (при повышенной мощности), отсутствие большого числа вспомогательного оборудования | Высокопрочные материалы для цилиндров, движущихся частей |
| Ядерная энергетическая установка | 35%-40% | Постоянный контроль процесса | Ядерное топливо (уран-235, плутоний и т.д.) | Высокая опасность из-за радиоактивного излучения | Загрязнение отходами отработанного радиоактивного топлива | Несколько дней при пуске из холодного состояния, из горячего состояния - минуты | Громоздкая, большое число вспомогательного оборудования | Высокопрочные и дорогие материалы для защиты персонала |
Примечание к таблице
Продолжительное время пуска паровой турбины объясняется необходимостью прогрева как самой турбины, так и парогенератора со всеми необходимыми паропроводами. Все это занимает много времени.
Эксплуатация газовой турбины значительно проще чем паровой, т.к. вода не используется как рабочее тело цикла. Следовательно, нет необходимости в конденсаторе, питательном, конденсатном и циркуляционном насосах, трубопроводах.
Относительная безопасность эксплуатации паровой и газовой турбин достигается заключением в отдельный корпус всех движущихся частей.
Литература
- П.Н. Шляхин Паровые и газовые турбины
Ссылки
- https://www.seaships.ru/steamturbine.htm
- https://www.seaships.ru/steammachine.htm
- https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/transport_i_svyaz/SUDOVIE_ENERGETICHESKIE_USTANOVKI_I_DVIZHITELI.html?page=0,0#part-1
- https://korabley.net/news/sudovye_silovye_i_ehnergeticheskie_ustanovki/2009-09-15-360
- https://korabley.net/news/sudovye_silovye_i_ehnergeticheskie_ustanovki/2010-05-31-577
