Морские паровые турбин

 Принцип действия судовых паровых турбин.

Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и постоянной частотой вращения. Рабочим телом в паровой турбине является водяной перегретый пар, поступающий из парогенератора.Принцип действия паровой турбины (рис. 44) заключается в следующем. Свежий пар, поступающий из парогенератора по трубопроводу, направляется на неподвижные направляющие сопла 1, имея определенный запас потенциальной энергии. Вытекая из сопла, пар расширяется и, так как давление его уменьшается, приобретает большую скорость. С этой скоростью пар поступает на рабочие лопатки 2, расположенные на цилиндрической части колеса или диска 3, закрепленного на валу 4 турбины. Струя пара, вытекающего из сопла, создавая давление на рабочие лопатки, заставляет колесо турбины вместе с валом вращаться и совершать механическую работу.

Рис. 44. Схема действия паровой турбины.

Таким образом, в паровой турбине происходит двойное превращение энергии: первоначально тепловая энергия пара в направляющем аппарате превращается в кинетическую энергию.

Кинетической называется энергия движения тела; в нашем случае этим телом является пар. Кинетическая энергия пара на лопатках турбины превращается в механическую работу вращения ротора.

В зависимости от способа преобразования энергии пара на рабочих лопатках турбины разделяются на активные и реактивные. В активных турбинах пар расширяется только в направляющих аппаратах (соплах), а на рабочих лопатках используется лишь кинетическая энергия пара. В реактивных турбинах расширение пара происходит как в направляющем аппарате (соплах), так и на рабочих лопатках.

На рис. 45 показана схема активной паровой одноступенчатой турбины, у которой ротор состоит из вала 1 и диска 3 с рабочими лопатками 4. В переднее днище корпуса 2 турбины вставлены одно или несколько сопел 5, к которым подводится пар. Сопла и лопатки, по которым протекает пар, называются проточной частью турбины. Оси сопел расположены под небольшим углом а (рис. 45, б) к направлению вращения лопаток, представляющих собой изогнутые в виде желоба пластины с утолщением к середине (см. нижнюю правую часть рис. 45, б). На рис. 45, а (вверху) показана диаграмма изменения давления р и скорости с пара в различных местах проточной части турбины. Из диаграммы видно, что пар подходит к соплам с начальным давлением р0; при расширении пара в соплах давление его уменьшается до р1 и остается постоянным на лопатках и в корпусе до выхода из турбины. Скорость пара до сопел свх вследствие расширения пара при протекании его по соплам увеличивается до с1. С этой скоростью пар поступает в образованные рабочими лопатками криволинейные каналы. Изменение направления течения пара вызывает возникновение на рабочих лопатках силы, вращающей ротор. Вследствие преобразования части кинетической энергии пара в механическую работу, а также затраты части энергии на преодоление вредных сопротивлений скорость пара с1 по мере протекания его по рабочим лопаткам постепенно уменьшается до с2. С этой скоростью пар и оставляет рабочие лопатки.

Рис. 45. Схема активной одноступенчатой паровой турбины.

Таким образом, основные характерные особенности активной турбины заключаются в следующем:
— увеличение скорости пара происходит только в сопле или в направляющем аппарате благодаря их особой форме;
— при выходе из сопла пар с большой скоростью протекает по криволинейным каналам между рабочими лопатками колеса; скорость его при этом уменьшается, а давление остается неизменным вследствие того, что каналы имеют постоянное сечение и пар в них не расширяется. Следовательно, в активной турбине давление пара при входе на рабочие лопатки и выходе с них одинаково.

 Газотурбинные двигатели.

В 50-х гг. этого столетия на судах начали применять новый вид главного двигателя — газовую турбину. По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. Рабочей средой в них служат газы, образующиеся в результате сжигания жидкого топлива. Газовые турбины используют, в качестве приводов для центробежных компрессоров в турбонаддувочных агрегатах ДВС. В газовых турбинах газы образуются в особой камере сгорания. Так как температура газов очень высока, что влияет на срок службы турбин, в камеру сгорания необходимо подавать намного больше воздуха, чем требуется для сжигания топлива. Из-за избытка воздуха температура рабочих газов понижается до 700—800°С. На рисунке дана схема газовой турбины с так называемым открытым циклом, когда воздух забирается из атмосферы и отработавшие газы также выбрасываются в атмосферу. Тринадцати ступенчатый осевой компрессор приводится в действие специальной двухступенчатой газовой турбиной. Сжатый до давления около 0,4 МПа воздух подается в камеру сгорания, служащую для получения и последующего охлаждения газов. Отработавшие газы проходят через турбину компрессорного двигателя; при этом их давление понижается до 0,17 МПа, а температура - с 750 до 580°С. Вторая - тоже двухступенчатая - газовая турбина является собственно рабочей турбиной, которая через редукторную передачу приводит в движение либо судовой движитель, либо генератор. В судовых газовых турбинах довольно часто применяются поршневые компрессоры, так называемые свободнопоршневые генераторы. Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На торговых судах они не оправдали себя; в настоящее время газовые турбины используют только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый термический КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на судах на подводных крыльях и воздушной подушке.

Принцип действия газовой турбины

1 — осевой компрессор; 2 — форсунка; 3 — камера сгорания; 4 — компрессорная турбина; 5 — рабочая турбина; 6 — редуктор; 7 — пусковой мотор; в — сжатый воздух; 9 — газоотводная труба; 10 — отработавшие газы

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс(Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины^[3].

Первые опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) осуществил также Чарлз Парсонс, однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин^[

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементами разработки. Традиционно - это были гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.