Многоступенчатые турбины со ступенями давления

Идея ступеней давления пара заключается в следующем: вместо того чтобы расширить пар от начального до конечного давления в одной ступени, его заставляют расширяться в нескольких последовательно расположенных ступенях, используя в каждой ступени небольшие перепады давления. Ступени давления применяют как в активных, так и в реактивных турбинах.

Рассмотрим активную турбину с тремя ступенями давления (рис. 89).

Рис 89 Активная турбина с тремя ступенями давления

На валу 1 насажены три диска 2, 3, 4, на которых укреплены рабочие лопатки 6, 8, 10. Корпус турбины разделен диафрагмами на три отдельные камеры. Сопла 5 первой ступени расположены в передней стенке турбины, а сопла 7 второй и 9 третьей ступеней — в диафрагмах по их окружности.

Свежий пар давлением р₀ со скоростью с₀ подводят к соплам первой ступени, где он расширяется до давления р’₁, а скорость увеличивается до значения с₁. После этого пар попадает на рабочие лопатки 6 и отдает им свою кинетическую энергию. Скорость пара уменьшается до c₂, давление же пара по обе стороны диска остается постоянным. Затем пар поступает в сопла второй ступени 7, где расширяется от давления р’₁ до давления р”₁ и, приобретая снова кинетическую энергию, поступает на рабочие лопатки 8, где отдает эту энергию. При прохождении по рабочим лопаткам 8 пар сохраняет давление р”₁ неизменным.

Расширение пара в соплах третьей ступени 9 и преобразование кинетической энергии в механическую работу на рабочих лопатках 10 происходит так же, как в первой и второй ступенях, после чего пар давлением p₂ со скоростью c₂ поступает по паровыпускному патрубку в конденсатор.

Таким образом, расширение пара от давления р₀ до давления p₂ происходит не сразу, а в три приема, т.е. тремя ступенями. Ввиду того что по мере расширения пара его объем возрастает, высоту сопл и лопаток турбины приходится постепенно увеличивать.

Благодаря равномерному распределению перепада давлений в этих турбинах удается достичь высокой экономичности. Они могут быть изготовлены практически на любую мощность и являются наиболее распространенным типом современных главных судовых турбин. Такая турбина в зависимости от рабочего тела (пар или газ) может быть паровой или газовой. В современных паровых турбинах чисто активные ступени давления не применяются, ибо в них пар при прохождении каналов рабочих лопаток дополнительно расширяется, т. е. активные турбины изготавливают с некоторой степенью реактивности на рабочих лопатках.

Многоступенчатая турбина со ступенями скорости и комбинированная

Идея ступеней скорости пара заключается в том, что сначала его потенциальная энергия в расширяющихся соплах полностью преобразуется в кинетическую энергию, а уже затем она превращается в механическую работу на двух или на трех рядах лопаток.

Схема турбины с двумя ступенями скорости представлена на рис. 90.

Рис 88 Устройство и принцип действия простейшей активной турбины

а — график изменения давления и скорости пара, б — продольный разрез турбины

Она отличается от схемы одноступенчатой турбины (см. рис. 88) тем, что на ободе диска 3 (см. рис. 90) установлено два ряда рабочих лопаток 1 и 5, а в промежутке между ними помещен ряд направляющих лопаток 6, закрепленных в корпусе турбины 4. В верхней части рис. 90 построена диаграмма изменения давления и скорости пара. Свежий пар, подводимый к соплам 2, расширяется в них от давления р₀ до давления р₁. Далее при прохождении пара между лопатками его давление уже не меняется, т. е. по обе стороны диска оно остается неизменным (р₁ = р₂).

Скорость пара при расширении его в соплах увеличивается до значения с₁. С этой скоростью пар поступает на первый ряд рабочих лопаток, где вследствие преобразования части кинетической энергии в механическую работу и затраты на преодоление вредных сопротивлений скорость уменьшается до значения с₂, с которой он и поступает на направляющие лопатки.

Направляющие лопатки аналогичны рабочим, но выгнуты в противоположную сторону. Так как они неподвижны, никакой работы на них пар не совершает, а потому скорость пара уменьшается немного (до c’₁), что происходит вследствие затраты некоторой части кинетической энергии на преодоление вредных сопротивлений на этих лопатках.

На рабочих лопатках второго ряда опять кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу. Поэтому скорость пара с’₁, с которой он входит на этот ряд лопаток, снижается до с'₂.

В рассматриваемой турбине (как и в одноступенчатой) все расширение пара происходит сразу в соплах одной ступени, но кинетическая энергия используется на двух рядах рабочих лопаток, поэтому турбина называется активной с одной ступенью давления и двумя ступенями скорости. Диск этой турбины в отличие от одноступенчатого диска, имеющего один ряд рабочих лопаток (одну ступень скорости), называется двухвенечным, или диском с двумя ступенями скорости.

Встречаются колеса с двумя, тремя и четырьмя ступенями скорости, но в настоящее время их строят обычно с двумя ступенями и реже — с тремя. Это объясняется тем, что к. п. д. турбины резко уменьшается с увеличением числа ступеней скорости.

Пар на лопатках турбины со ступенями скорости не расширяется, высота же лопаток от ряда к ряду постепенно возрастает в связи с тем, что скорость течения пара постепенно (от ряда к ряду) убывает, и, чтобы пропустить в единицу времени ту же массу (и тот же объем) пара, но с меньшей скоростью, требуются каналы с большим проходным сечением.

Преимуществом турбин со ступенями скорости является простота устройства, малая масса и небольшие размеры, невысокая стоимость. Существенный недостаток — низкая экономичность (эффективный к. п. д. турбины с двумя ступенями скорости составляет 0,55—0,65).

Турбины со ступенями скорости широко распространены в качестве двигателей для привода вспомогательных механизмов (генераторов, насосов, вентиляторов), в качестве турбин заднего хода и первой ступени в турбинах со ступенями давления.

Во вспомогательных турбинах ценят простоту устройства и удобство обслуживания; небольшая мощность и возможность использования отработавшего пара на подогрев питательной воды позволяют не считаться с их низкой экономичностью.

Небольшая экономичность турбин заднего хода также не имеет существенного значения, так как продолжительность работы судна на задний ход невелика.

Использование двухвенечного колеса в качестве первой (регулировочной) ступени позволяет уменьшить размеры и массу турбины, так как двухвенечное колесо заменяет четыре одновенечных диска. Однако в целях повышения экономичности вопрос о регулировочной ступени в турбинах большой мощности часто решается в пользу одновенечных дисков большого диаметра, обладающих высоким к.п.д. на расчетном режиме.

Турбины со ступенями давления, у которых одна или несколько ступеней давления имеют ступени скорости, называются активными комбинированными.

Рис 91 Комбинированная активная турбина

На рис. 91 представлена комбинированная активная турбина с пер- вои ступенью давления в виде двухвенечного колеса. В верхней части рисунка показаны кривые изменения давления р и абсолютной скорости с пара при течении его по проточной части. Турбины такого типа устанавливают в качестве приводов мощных вспомогательных электрогенераторов и насосов.

РЕАКТИВНАЯ И АКТИВНО-РЕАКТИВНАЯ ТУРБИНЫ

Работа пара в реактивной ступени

Чисто реактивные турбины из-за чрезмерно высокой частоты вращения в практике применения не нашли. Используются полуреактивные турбины (называемые упрощенно реактивными), в которых пар поровну расширяется в неподвижных направляющих каналах и в подвижных каналах между рабочими лопатками дисков.

Рис 92 Схема преобразования давления и скорости пара в реактивной ступени

В ступени реактивной турбины (рис. 92) пар давлением р₀ со скоростью с₀ поступает в неподвижные аппараты, образованные направляющими лопатками 2, в корпусе 1 турбины, где он частично расширяется до давления р₁ (как в соплах) и приобретает скорость с₁. С этой скоростью пар входит в каналы рабочих лопаток, укрепленных в роторе 3, и, воздействуя на эти лопатки, отдает им приобретенную кинетическую энергию. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до значения выходной скорости. Таким образом, здесь также осуществляется активный принцип. Вследствие суживающейся формы каналов рабочих лопаток пар в них дополнительно расширяется до давления р₂, что вызывает появление реактивной силы, действующей на каждую лопатку (направление движения лопаток показано стрелкой).

На рис. 93 показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины.

Рис 93 Силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины

Попадая из направляющего канала 1 в рабочий канал 2, струя изменяет направление течения, вследствие чего развиваются центробежные силы частиц пара. Суммарное усилие, испытываемое рабочей лопаткой от активного действия струи, выразится силой P_акт. Так как в рабочем канале пар расширяется, возникает реактивная сила P_реакт, направление которой зависит от формы лопатки. Сложив силы Р_акт и P_реакт, получим равнодействующую силу Р, вращающую рабочую лопатку. Кроме того, разность давлений р₁ и р₂ у входа в рабочий лопаточный канал и у выхода из него вызывает появление дополнительной неуравновешенной силы Р_акс действующей на лопатку вдоль оси ротора. Силы Р и Р_акс дают результирующую силу P_рез. Одноступенчатые реактивные паровые турбины на практике не применяют.

Схема работы пара в многоступенчатой реактивной турбине дана на рис. 94.

Рис 94 Многоступенчатая реактивная турбина

Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопатки 2 и 5, и ротора 7, на котором размещены подвижные рабочие лопатки 3 и 6. Пар давлением р₀ подводится к кольцевому каналу 10 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до давления р₁ и увеличивает свою скорость до значения с₁. Проходя далее по первому ряду рабочих лопаток, пар продолжает расширяться. Абсолютная скорость пара на рабочих лопатках уменьшается до значения с₂ вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляющие лопатки второй ступени пар входит, имея абсолютную скорость с₂. Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою скорость от с₂ до с₁, с которой поступает на второй ряд рабочих лопаток, и т.д., пока пар не пройдет все облопачивание.

Вследствие разности давлений пара при входе на рабочие лопатки и при выходе с них и динамического усилия потока в турбине создается осевое усилие, стремящееся сдвинуть ротор в сторону движения пара Для разгрузки этого усилия в передней части ротора установлен разгрузочный поршень 9. Сущность его действия заключается в том, что пространство перед ним сообщается при помощи трубы 8 с полостью отработавшего пара и таким образом создается разность давлений, действующая в сторону, противоположную направлению движения пара.

Реактивные турбины большой мощности с целью уменьшения длины лопаток их последних ступеней часто делают двухпоточными. В этом случае турбина будет уравновешенной в осевом направлении и необходимость в разгрузочном поршне отпадает.

На рис. 95, а показана турбина с расходящимся, а на рис. 95, б — со встречным течением пара

Рис. 95. Двухпроточные реактивные турбины

Из-за разности давлений на лопатках в турбине реактивного типа наблюдается протечка пара через радиальные зазоры у концов направляющих рабочих лопаток. В чисто активной турбине протечки возможны только через зазоры диафрагмы, так как здесь давление пара по обе стороны рабочих лопаток одинаково. Для уменьшения протечек пара у реактивной турбины зазоры между рабочими лопатками и корпусом, а также между направляющими лопатками и ротором делают как можно меньше.

По сравнению с активными паровые реактивные турбины менее выгодны в случае применения пара высокого давления. Поскольку такой пар имеет малый удельный объем, это приводит к необходимости применять лопатки незначительной высоты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки пара через зазоры.

В случае же применения пара низкого давления в реактивной турбине относительные значения радиальных зазоров получаются небольшими. При этом и потери на протечки незначительны, и к.п.д. немного выше, чем у активной турбины.

Таким образом, при умеренных параметрах пара активная и реактивная турбины мало отличаются одна от другой по экономичности (а также по массе и размерам). Однако реактивную турбину, имеющую массивный барабанный ротор, требуется длительно прогревать перед пуском, и ей необходимо продолжительное время на смену режима при маневрировании.

При активном облопачивании уменьшается число ступеней и до-пускаются более высокие окружные скорости. Турбина с дисковым ротором небольшой длины более приспособлена к работе при высоких параметрах, чем реактивная. Ротор активной турбины сравнительно быстро прогревается при соприкосновении с паром, имея в процессе прогревания примерно одинаковую с корпусом турбины температуру; при этом уменьшаются деформации деталей турбины и сохраняются почти постоянными радиальные и осевые зазоры в проточной части.