Карл-Густав-Патрик де Лаваль

Вопросы к экзамену по курсу «Турбины ТЭС и АЭС»

Я часть «Теория теплового процесса»

1. История развития паровых турбин.

2. Тепловые циклы паротурбинных установок.

3. КПД простейшей и реальной турбоустановок.

4. Относительные и абсолютные показатели эффективности турбоустановок.

5. Влияние параметров пара на КПД цикла.

6. Повышение эффективности цикла за счет промежуточного перегрева.

7. Термодинамические основы регенерации.

8. Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты.

9. Классификация паровых турбин, их обозначения и основные заводы изготовители.

10. Основные уравнения движения: уравнение состояния и уравнение неразрывности.

11. Основные уравнения движения: уравнение количества движения и уравнение сохранения энергии.

12. Практические задачи расчета каналов (особенности дозвукового и сверхзвукового течения).

13. Особенности реального течения пара в каналах (коэффициент потерь).

14. Геометрические характеристики турбинных решеток.

15. Процессы в турбинных решетках: потери энергии, их краткая характеристика.

16. Процессы в турбинных решетках: сверхзвуковое обтекание решеток.

17. Процессы в турбинных решетках: профильные и концевые потери.

18. Процессы в турбинных решетках: течение в косом срезе и течение влажного пара.

19. Турбинная ступень: степень реактивности ступени.

20. Турбинная ступень: треугольники скоростей.

21. Турбинная ступень: показатели эффективности турбинной ступени.

22. Турбинная ступень: ступень скорости, ступень с парциальным подводом пара, ступень большой верности.

23. Турбинная ступень: потери в ступени, уплотнения.

24. Основные положения (алгоритм) расчета турбинной ступени.

25. Многоступенчатые турбины, тепловой процесс, их преимущества и недостатки.

26. Коэффициент возврата теплоты.

27. Дроссельное парораспределение.

28. Сопловое парораспределение.

29. Концевые уплотнения турбины.

30. Осевые усилия.

31. Схемы многоцилиндровых турбин.

32. Особенности теплового расчета многоступенчатых турбин.

История развития паровых турбин

И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, «вплотную». Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости.

Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо – отходы лесопильного производства.

Карл-Густав-Патрик де Лаваль

Толчок к занятию новым устройством дал изобретенный им сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин. Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске.

На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6-7 кг/л.с.·ч.

Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей.