Паровая турбина

Версия 11:28, 21 октября 2014

Паровая турбина - это силовой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения вала. Вал турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина применяется в самых различных областях промышленности: в энергетике, на областях промышленности, в авиации или, как в нашем случае, в морском и речном судоходстве.

Состав паротурбинной установки

Паротурбинная установка состоит из:

• парогенератора, в котором питательная вода под соответствующим давлением превращается в пар;
• пароперегревателя, в котором осуществляется повышение температуры пара до заданной величины (может отсутствовать);
• турбины, в которой потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя - в механическую энергию на валу;
• конденсатора, предназначенного для конденсации отработавшего пара турбины;
• конденсатного насоса, подающего конденсат в систему;
• питательного насоса, подающего питательную воду в парогенератор;
• регенеративные подогреватели питательной воды низкого и высокого давлений.

На электростанциях также устанавливают деаэратор, в котором удаляется кислород из питательной воды.

Активная турбина

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.

Ступень активной паровой турбины. 1 — направляющие лопатки; 2 — рабочие лопатки; 3 — вал 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.
Турбины, в которых 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, называются активными.

Ступень реактивной паровой турбины

Реактивная турбина

По иному принципу работает 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.

Судовая паровая турбина

Судовая паровая турбина

Современные паровые турбины обычно двухкорпусные- низкого и высокого давлений. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней (ступень- это два смежных ряда 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. Также в машинных отделениях судов могут быть установлены вспомогательные турбины, которые служат приводами различных генераторов, насосов и вентиляторов. У турбины имеются клапаны заднего и переднего хода, подшипники, поддерживающие вал и редуктор, который связывает вал турбины и гребной винт. Стрелкой показан подвод свежего пара.

Схема пароводяной циркуляционной системы судовой паротурбинной установки

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.

Применение

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 судно развило скорость 34,5 узла.

Турбоход "Turbinia" на испытаниях

Турбинные силовые двигатели начали устанавливать на линкоры и броненосцы, а по прошествии времени почти на все пассажирские суда.

Использование других судовых энергетических двигателей

Но время, как и технологии, не стояли на месте. Стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания, использование и освоение новых видов топлива постепенно отодвинуло паровую турбину на второй план. В настоящее время паротурбинная силовая установка вытеснена двигателями внутреннего сгорания, газовыми турбинами и судами с ядерной энергетической установкой.

Газовая турбина

Газотурбоход- тип судна, использующих в качестве силовой установки газотурбинный двигатель. Газовая турбина является своего рода эквивалентом паровой турбины, работающей без отдельно установленного парового котла. В газовой турбине рабочими телами являются горячие продукты сгорания. Воздух поступает в компрессор, где сжимается в несколько раз (степень сжатия 15-20%) и подается во встроенную камеру сгорания. В качестве топлива в газовой турбине обычно используется соляровое масло, "флотский" мазут и другие виды дешевого топлива. Образующиеся при сгорания горячие газы с температурой 600-800 °С поступают на лопатки турбины, приводя их в движение.
Кинетическая энергия движения горячих газов преобразуется в механическую энергию на валу, который через редуктор управляет гребным винтом. Отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Газовая турбина

Основные преимущества газовой турбины- это малое габариты и вес, простота обслуживания и практически безотказная работа. В отличии от паровой установки, не требуется установка парового котла, больших паропроводов, системы охлаждения конденсата. В газовой турбине расход воды практически нулевой. Вода используется только на охлаждение подшипников турбины. К недостаткам можно отнести повышенный шум при работе, низкий КПД и единичную мощность, большой расход топлива

"Павлин Виноградов"

В 1961 году был спущен на воду газотурбоход "Павлин Виноградов". Его силовая установка включала в себя четыре генератора газа, вырабатывающих газ для турбины мощностью 3800 л.с.. Водоизмещение судна составляло 9080 тонн, скорость - 15,6 узла. Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морских сил.

Двигатель внутреннего сгорания

Свыше 50% мирового тоннажа - это теплоходы. Это объясняется, прежде всего высокой экономичностью и возможностью создания двигателей с диапазоном мощности от 100 до 300000 л.с.
В 1896 году свой двигатель внутреннего сгорания запатентовал немецкий инженер Рудольф Дизель, а в 1904 году двигатель был установлен на судне «Вандал», построенном в 1903 году. В 60-х годах одновременно с появлением винтов регулируемого шага решилась проблема реверсирования. Дизельные силовые установки стали применять изначально на небольших судах , траулерах и буксирах, а затем и на больших коммерческих кораблях.

Первый теплоход "Вандал"

Двигатели внутреннего сгорания могут быть четырехтактными или двухтактными. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува. Другой принцип классификации - по оборотам в минуту. Малооборотные с частотой вращения 100-150 оборотов в минуту приводят в движение судовой движитель. У среднеоборотных частота вращения 300-600 оборотов в минуту. Эти двигатели приводят в движение движитель через редуктор .
В четырехтактном двигателе при первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизельной силовой установке без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизельной силовой установке с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление. Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем. Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят наружу.

Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, который требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров, а также частоты вращения. Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырехтактных судовых дизельных силовых установках предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок , либо в качестве главного двигателя в многовальных силовых установках (по одному ДВС на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизельных силовых установок в качестве главного двигателя имеет следующие преимущества: - повышение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать); - уменьшение габаритов и собственной массы деталей (клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.); - снижение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт). Современные дизельные силовые установки отличаются высокой экономичностью и надежностью, они не требуют капитального ремонта до 50000 часов.

Двигатель внутреннего сгорания

Ядерная энергетическая установка

Источники

• П.Н. Шляхин Паровые и газовые турбины

• https://www.seaships.ru/steamturbine.htm
• https://www.seaships.ru/steammachine.htm