Паровая турбина

Версия 13:14, 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. Паротурбинные установки надежны в эксплуатации, способны длительное время работать без обслуживания, отличаются меньшей вибрацией.

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.

Газовая турбина

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.

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. 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. Мощность может быть увеличена наддувом (подача большого количества воздуха с целью заполнения всего объема цилиндра) без увеличения его размеров и частоты вращения. Наддув осуществляется за счет сжатия воздуха перед цилиндром. В четырехтактных судовых дизельных установках воздух сжимается центробежным компрессором. Приводом компрессора служит газовая турбина, работающая на отработавших газах дизеля.

Двигатель внутреннего сгорания

В четырехтактном двигателе при первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Возникает разрежение и воздух через открытый всасывающий клапан поступает в цилиндр. В двигателе без наддува давление всасываемого воздуха атмосферное. Во время второго такта воздух перед поршнем подвергается сжатию. Его температура и давление увеличиваются. Топливо впрыскивается незадолго до 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 - рабочий такт. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличивая давление над поршнем двигают его вниз и производят механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят наружу.

Дизели имеют преимущество над паровыми двигателями на небольших судах благодаря своей компактности; кроме того, они легче при одинаковой мощности. Дизели расходуют меньше топлива, но само топливо дороже. Дизельные двигатели запускаются гораздо быстрее: их не надо предварительно разогревать.

Ядерная энергетическая установка

Источники

• П.Н. Шляхин Паровые и газовые турбины

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