Паровая турбина
Эта статья редактируется участником <Fable_player> в рамках акции «Альфа за статью». Просьба воздержаться от правок.
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.
В начале XX века турбины устанавливались и на пассажирских лайнерах. Например, британский пассажирский трансатлантический лайнер RMS Lusitania имел в составе 4 паровые турбины Парсонса и мог развить скорость до 25 узлов.
В настоящее время паровые турбины отошли на второй план. Но их эксплуатация на некоторых судах продолжается. 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
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.
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.
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.
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
Главные судовые турбины выполняются конденсационными с выпуском всего отработавшего пара в конденсатор. Современные 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 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. Преимуществом паротурбинных установок является надежность в эксплуатации, способность длительное время работать без обслуживания, меньшая вибрация. В настоящее время паровые турбины могут использоваться вкупе с ядерной энергетической установкой.
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 | Газ, 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 минимальна | 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 | Уран-235, плутоний | 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
