Назначение паровой турбины( турбомашины) и ее особенности как теплового двигателя. Принцип действия ПТ

Турбина ( турбомашина) представляет собой тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу(энергию) вращения ротора. Это вращение осуществляется непрерывно в процессе преобразования энергии и может непосредственно передаваться к движителю( например, генератору или винту).

В качестве рабочего тела может использоваться вода( гидротурбина), водяной пар в различных термодинамических состояниях ( паровая турбина) или газ (газовая турбина). Гидротурбины не являются тепловыми двигателями и в нашем курсе не рассматриваются По принципу преобразования энергии рабочего тела турбина существенно отличается от других тепловых двигателей, таких, как паровая машина или двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В поршневых двигателях энергия рабочего тела (пара или газа) непосредственно преобразуется в механическую работу движущегося поршня за счет статического давления. Посредством кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательное движение поршневой группы преобразуется во вращательное движение вала двигателя.

В турбине (рис.1.) потенциальная энергия рабочего тела вначале преобразуется в кинетическую энергию – в результате расширения пара скорость его течения увеличивается и достигает большой величины. Этот процесс происходит в каналах неподвижных сопел 4. Движущийся с большой скоростью поток пара поступает на рабочие лопатки турбины 3, закрепленные по окружности диска 2, посаженного на вал 1. При обтекании рабочих лопаток со стороны пара действуют аэродинамические силы, которые заставляют вал турбины вращаться. Аэродинамические силы возникают в результате плавного обтекания паром лопаток (также как при обтекании воздухом крыла самолета): с обеих сторон поверхности лопатки образуется разное давление, с вогнутой стороны давление всегда выше, чем с выпуклой, вследствие этого возникает сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны и заставляющая лопатки перемещаться, а, следовательно, совершать работу. Таким образом, в каналах между рабочими лопатками происходит второе превращение энергии - кинетическая энергия пара непосредственно преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. Присоединяя к валу ротора 1 тот или иной исполнительный орган (гребной винт, генератор электрической энергии, насос и др.), можно полезно расходовать полученную мощность.

Совокупность соплового или направляющего аппарата и венца рабочих лопаток называется турбинной ступенью (ТС). Принципиальная конструктивная схема простейшей паровой турбины, состоящей из одной турбинной ступени, представлена на рис.2, где 4 – сопло; 5 – корпус; 3 – рабочие лопатки; 2 – диск ротора; 1 – вал; 6 – выхлопной патрубок.

Рис. 3. Принципиальная схема активной и реактивной турбинных ступеней

Процесс преобразования потенциальной энергии в механическую работу может происходить различным образом, в зависимости от типа турбинной ступени.

Турбинные ступени, у которых расширение пара (преобразование потенциальной энергии в кинетическую энергию) происходит только в неподвижных соплах (направляющем аппарате) до поступления его на рабочие лопатки, называются активными.

Турбинные ступени, у которых расширение пара совершается не только до вступления его на рабочие (подвижные) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинными ступенями со степенью реакции. Если изменение теплосодержания пара при течении его в неподвижных и подвижных каналах турбинных лопаток одинаково, турбинную ступень принято называть реактивной.

Конструкция активных и реактивных ступеней отличны друг от друга. Принципиальные схемы активной (а) и реактивной (б) турбинных ступеней показаны на рис.3. У активных турбинных ступеней направляющий аппарат (сопловый) расположен в диафрагмах, закрепленных в корпусе турбины, рабочие лопатки крепятся к диску, жестко насажанному или откованному за одно с валом. Для придания большей жесткости рабочие лопатки между собой крепятся с помощью бандажа в пакеты по 7÷12 лопаток.

У реактивной турбинной ступени направляющий аппарат крепится непосредственно к корпусу, рабочие лопатки крепятся на роторе барабанного типа. Обычно рабочие лопатки реактивных ступеней соединены между собой в пакеты с помощью связывающей проволоки или демпфирующей (связующей) проволоки.

Таким образом, активные и реактивные ступени имеют свои конструктивные особенности:

- в активных ступенях ротор дискового типа;

- в реактивных ступенях ротор выполняется в виде барабана;

- в активной ступени направляющий аппарат выполняется в виде сопел, размещенных в диафрагмах;

- в реактивной ступени направляющий аппарат выполнен в виде направляющих лопаток, закрепленных на корпусе турбины.

Корабельные паровые турбины в большинстве случаев выполняются многоступенчатыми. Проточная часть турбины состоит из последовательно расположенных друг за другом ступеней. В зависимости от типа используемых ступеней различают:

- активные турбины;

- реактивные турбины;

- активно-реактивные (комбинированные) турбины.

Отметим существенные достоинства и некоторые недостатки паровых турбин в сравнении с поршневыми двигателями.

Отличительным свойством турбины является ее быстроходность. Это свойство турбины обусловлено непрерывностью рабочего процесса. Непрерывность рабочего процесса обуславливает для различных частей турбины постоянство давлений, температуры и напряжений. Это позволяет использовать рабочее тело с высокими параметрами, а для рабочих органов - высокие скорости, что повышает экономичность и уменьшает вес и габариты турбины.

Паровая турбина отличается простотой конструкции. Все движущиеся части турбины совершают только вращательное движение, узлы турбины просты и надежны в эксплуатации. Вращающиеся части турбины всегда полностью закрыты, что делает ее безопасной для обслуживания.

Важной отличительной особенностью турбины является ее сравнительно большая мощность, сосредоточенная в одном агрегате. Эта особенность объясняется возможностью достижения высоких скоростей рабочего тела в турбине, а, следовательно, больших расходов пара через турбину. А мощность двигателя прямо пропорциональна величине расхода рабочего тела. Если у корабельных ДВС современной конструкции предельно допустимая мощность одного агрегата 18500 квт, то у судовыхтурбин - 80000 квт.

Паровая турбина является пока единственным двигателем, используемым в корабельных ядерных энергетических установках.

К недостаткам паровых турбин можно отнести:

- ухудшение экономичности на переменных режимах работы;

- нереверсивность, и, как следствие, необходимость в установке специальной турбины для обеспечения реверса;

- необходимость включения в состав турбозубчатых агрегатов (ТЗА) специальной передачи для понижения частоты вращения ротора от турбины к исполнительному механизму (гребной винт, электрический генератор и т.п.). Передача же, особенно зубчатая, является источником звуковой вибрации и шума.

Несмотря на указанные недостатки, роль паровых турбин, как в стационарной, так и корабельной энергетике, велика.