Основные сведения о паровых турбинах

Паровые турбины представляют собой основной тип тепловых машин (двигателей), служащих для привода электрических гене­раторов современных тепловых электростанций.

По сравнению с другими типами тепловых двигателей (паро­выми машинами, двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами) паровые турбины имеют ряд существенных преиму­ществ: постоянная частота вращения вала, возможность получе­ния частоты вращения, одинаковой с частотой вращения элект­рогенератора, экономичность работы и большая концентрация единичных мощностей в одном агрегате. Кроме того, паровые тур­бины относительно просты в обслуживании и обладают способ­ностью изменения рабочей мощности в широком диапазоне элек­трической нагрузки.

Принцип действия паровой турбины заключается в преобразовании тепловой энергии пара, поступающего из парогенератора, в кинетическую энергию потока пара, который, воздействуя на рабочее колесо турбины, приводит его во вращение, отдавая при этом часть своей энергии.

По направлению потока пара различают осевые (аксиаль­ные), турбины, в которых поток направлен вдоль оси ротора, и радиальные, в которых поток направлен от центра к перифе­рии ротора.

В конструкции турбины выделяют два основных элемента: со­пловые каналы (сопловые решетки) и рабочие колеса с лопатками, образующие рабочие решетки. Сопловый аппарат вместе с соот­ветствующими рабочими лопатками образуют ступень давления. Поэтому рассмотренную простейшую турбину (рисунок 12.1, а) на­зывают одноступенчатой. При работе современных ТЭС перепады теплоты в турбинах (высоких начальных и низких конечных пара­метров пара) могут достигать больших значений 1200... 1500 кДж/кг. Поэтому для создания мощных и эффективных турбин применяют многоступенчатые турбины. В качестве примера на рисунок 12.2 показа­на схема активной турбины с тремя ступенями давления (дисково­го типа).

Рисунок 12.1 – Схемы работы пара в турбине: а – аксиальная турбина; б – турбина радиального типа: 1,6, 9 – сопла; 2, 7,8 – лопатки; 3, 5,11 – валы; 4 – диск; 10 – корпус; 12– трубопровод подвода пара.

Если преобразование потенциальной энергии пара в кинетиче­скую происходит только в сопловых решетках, то такой принцип работы пара в турбине называют активным, а соответствующие сту­пени турбин – активными ступенями. Если же преобразование по­тенциальной энергии пара происходит не только в сопловых (не­подвижных), но и во вращающихся рабочих решетках, то такой принцип действия пара называют реактивным, а соответствующие ступени – реактивными.

Преобразование энергии в соплах. Сопло паровой турбины представляет собой канал с сечением, близким к прямоугольно­му. В паровых турбинах применяют как расширяющиеся, так и суживающиеся сопла в зависимости от перепада давлений. При большом перепаде давлений, когда давление за соплом меньше критического, сопло должно быть расширяющимся. Если же пе­репад давлений небольшой и давление за соплом равно или боль­ше критического, сопло должно быть суживающимся.

В паровых турбинах суживающиеся сопла встречаются чаще рас­ширяющихся. Объясняется это тем, что на практике наибольшее распространение получили многоступенчатые турбины, у которых в каждой ступени используется сравнительно небольшой теплопе- репад. Кроме того, расширяющиеся сопла сложны в изготовлении.

Преобразование энергии на рабочих лопатках. Давление пара равно р0. В соплах давление пара падает. С таким давле­нием пар поступает в каналы рабочих лопаток. Может быть три случая и зависит от формы лопато­чного канала.

В первом случае лопаточный канал должен быть расширяющимся (вращающийся диффузор). Очевидно, что этот случай не может иметь практического значения, так как бес­цельно хотя бы частично преобразовать кинетическую энергию струи в первоначальную потенциальную энергию пара. Что же касается двух остальных случаев, то они широко применяются на практике.

Во втором случае для сохранения давления пара неизменным лопаточный канал (при отсутствии потерь в нем) должен иметь постоянное сечение. В решетке рабочих лопаток про­исходит лишь поворот струи, и изменение количества движения потока пара преобразуется в силу, действующую на лопатки. Про­изводимую этой силой работу называют активной, а саму ступень турбины – активной ступенью (ступенью равного давления).

В третьем случае лопаточный канал должен быть сужающимся (вращающееся сопло). Падение давления сопровож­дается ускорением пара по отношению к рабочим лопаткам и воз­никновением силы отталкивания (подобной отдаче при выстреле из орудия), называемой реактивным давлением. Реактивное дав­ление направлено против скорости вытекающей струи и способ­ствует вращению ротора. Работу, производимую реактивным дав­лением, называют реактивной, а саму ступень турбины – реак­тивной ступенью (ступенью избыточного давления). На рабочей лопатке реактивной турбины наряду с реактивной работой (паде­нием давления) имеет место и активная работа (поворот струи).