4. Судовые паровые и газовые турбины

4.1. Принцип действия паровых турбин

В паровой турбине преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения вала осуществляется в два этапа:

– преобразование энергии пара в кинетическую энергию струй;

– преобразование кинетической энергии струй пара в механическую энергию вращения вала.

Первый этап осуществляется в соплах, куда поступает пар высокого давления. В соплах пар расширяется, его давление падает и увеличивается скорость. Таким образом, внутренняя энергия пара превращается в кинетическую.

На рис. 35 сопловой аппарат показан в виде одного сопла 4, но в мощных турбинах этот аппарат представляет собой сопловую решетку – ряд неподвижных лопаток, закрепленных в статоре по окружности турбины.

Сопловой аппарат с одним диском 2, на котором по гребню закреплены рабочие лопатки 3, на которые поступает пар из сопел, называется ступенью турбины. Одноступенчатые турбины применяют в качестве приводов каких-либо механизмов (например, привод грузовых насосов на танкерах).

4.2. Активные и реактивные паровые турбины

На рис. 36 приведен схематический продольный разрез одноступенчатой активной турбины. В каналах решетки рабочих лопаток происходит поворот струи пара, за счет чего возникает активная сила, действующая на лопатки 2 и вращающая диск 3, закрепленный на валу турбины 4. Поскольку усилие на вал турбины передается только при повороте струй пара, рабочая лопатка должна иметь сильно изогнутый профиль.

В верхней части рис. 36 представлены графики изменения давления и скорости пара при его движении в активной турбине. Из графиков видно, что давление пара уменьшается в соплах 1. Такие турбины, где расширение пара происходит только в направляющем аппарате, называются активными.

В реактивных турбинах расширение пара происходит и в направляющем аппарате, и на рабочих лопатках, т.е. рабочие лопатки вращают вал турбины и за счет активного действия струй пара и за счет сил реакции, возникающих при расширении пара в каналах между лопатками.

Профиль проточной части активной ступени показан на рис. 37, а реактивной ступени – на рис. 38.

Из рисунков видно, что в активной ступени межлопаточное пространство направляющего аппарата (сопел) имеет переменный профиль (для того, чтобы пар расширялся), а межлопаточное пространство рабочих лопаток имеет постоянный профиль (т.к. служит только для изменения направления струй газа).

В реактивной ступени, т.к. пар расширяется и в направляющем аппарате, и на рабочих лопатках, оба межлопаточных пространства имеют переменный профиль.

4.3. Многоступенчатые турбины

Для наиболее полного использования на рабочих лопатках кинетической энергии пара, необходимо стремиться к достижению максимально возможной скорости пара на выходе с рабочих лопаток, либо попытаться использовать эту скорость на следующих рабочих лопатках. Так появились турбины со ступенями скорости. В настоящее время обычно строят турбины с двумя ступенями скорости, когда одно колесо имеет два венца с рабочими лопатками и рядом направляющих лопаток между ними.

Такая турбина показана на рис. 39, где 1 – сопла; 2 – первый ряд рабочих лопаток; 3 – направляющий аппарат для второго ряда рабочих лопаток 4.

Турбины только со ступенями скорости просты по устройству и весьма компактны, однако они низкоэкономичны. Их чаще всего используют в качестве турбин заднего хода и в качестве привода питательных насосов.

В качестве главных судовых турбин, в которых используется пар высоких параметров, применяют многоступенчатые турбины, которые состоят из нескольких одноступенчатых турбин, расположенных последовательно друг за другом и имеющих один общий вал. Такая активная турбина (расширение пара и, соответственно, падение давления происходит только в направляющих аппаратах) со ступенями давления (давление пара уменьшается в каждой ступени) показана на рис. 40.

На общем валу 1 укреплены диски 2, 3 и 4 с рабочими лопатками 5, 6 и 7. Пар подводится к ним через направляющие аппараты 8, 9 и 10, которые укреплены в неподвижных перегородках, называемых диафрагмами. К турбине пар подводится через маневровый клапан в кольцевую камеру перед соплами первой ступени.

Многоступенчатые активные турбины применяют в области высоких давлений пара, а многоступенчатые реактивные турбины – в области низких давлений пара. В судовых турбинах ступени высокого и низкого давлений обычно размещают в отдельных корпусах, называемых турбинами высокого давления (ТВД) и низкого давления (ТНД). В этом случае ТВД имеют только активные, а ТНД – только реактивные ступени.

В заключение следует отметить, что количество ступеней отдельных корпусов судовых турбин не превышает 6÷9, а в стационарных турбинах может превышать 30. Частота вращения паровых турбин составляет тысячи (до 6000) оборотов в минуту.