Паровая турбина

Версия 13:36, 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

Продвижение современной науки в освоении атомной энергетики позволило использовать на флоте новый вид топлива - ядерное. В 1956 году в был спущен на воду первый атомоход «Ленин». Лучшие суда этого типа могут брать топлива не более чем на 40 суток плавания, ядерное горючее позволяет атомоходу пребывать во льдах Арктики без пополнения запасов топлива более года.

На сегодняшний день построено большое количество атомоходов - это и ледоколы, авианосцы и даже подводные лодки. Мощность силовой установки может достигать 60000 л. с.

К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую.

Судовая паровая турбина

Известно, что энергия, выделяемая при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сгорании 1500 тонн мазута. Сердцем ядерной установки является реактор: в нем осуществляется управляемая ядерная реакция, в результате которой образуется тепло, отводимое с помощью теплоносителя - воды. Радиоактивная вода-теплоноситель перекачивается в парогенератор, где за счет ее тепла происходит образование пара из не радиоактивной воды. Пар направляется на диски турбин, которые приводят во вращение турбогенераторы, работающие на гребные электродвигатели, а последние вращают гребные винты. Отработавший пар направляется в конденсатор, где он снова превращается в воду и нагнетается в парогенератор. Принцип действия атомной энергетической установки показан на рисунке 9.

Большое внимание уделяется безопасности эксплуатации ядерной установки, так как находящиеся на судне люди в какой-то мере подвержены опасности радиоактивного облучения, поэтому ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первичный экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм до 1095 мм, а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок. Расположение атомной энергетической установки на судна показано на рисунке 10. Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки. Судовые ядерные реакторы.

Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла.

Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий.

На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе «Ленин», на первом грузо-пассажирском судне «Саванна» стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270° С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре.В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США «Си Вулф», где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико. Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества – дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором – образование смолистых отложений.

Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.

Защита.

Ее главная функция – обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты – снизить излучение радиоактивного изотопа азота 16N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

Экономичность судов с атомными энергетическими установками.

Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.

Источники

• П.Н. Шляхин Паровые и газовые турбины

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