Парова турбіна: пристрій, принцип дії, основні елементи

Конструкція даного агрегату описується ще в підручниках 8 класу з фізики. Про устрій парової турбіни розповідається в книгах наступним чином. Даний вид турбіни - це вид двигуна, в якому пар або нагріте повітря здатний обертати вал двигуна без взаємодії з поршнем, шатуном або колінчастим валом.

Короткий опис пристрою

Коротко устрій парової турбіни можна описати наступним чином. На основний елемент, тобто вал, закріплюється диск, до якого кріпляться лопатки. Близько даних елементів також розташовуються такі частини, як труби-сопла. Через них і відбувається подача пара з котла. При проходженні пари через сопло він справляє певний тиск на лопатки, а також диск всієї установки. Саме цей вплив приводить в обертання диска турбіни разом з лопатками.


В даний час в таких агрегатах найчастіше використовується кілька дисків, які насаджуються на один вал. При такому пристрої парової турбіни відбувається наступне. Енергія пара, проходячи через кожну лопатку кожного диска, буде віддавати частину своєї енергії цих елементів. Основне застосування парові турбіни знайшли на атомних, а також теплових електричних станціях, де вони з'єднуються з валом електричного струму. Швидкість обертання вала парової турбіни досягає 3000 оборотів в хвилину. Даного значення вистачає для прийнятної роботи генераторів електричного струму. Якщо говорити про застосування цих агрегатів, то варто згадати, що вони успішно експлуатуються на кораблях і суднах. Однак через пристрої парової турбіни, зокрема, з причини того, що необхідна велика кількість води для роботи турбіни, її експлуатація на сухопутних і повітряних засобах пересування неможлива.

Пристрій сопла турбіни. На що воно впливає

Одним з найважливіших елементів для роботи пристрою стало сопло, крізь яке і здійснюється проходження пара. У найбільш ранньому устрій парової турбіни, коли ще до кінця не були вивчені такі речі, як розширення пара, раціонально побудувати функціонуючий агрегат з високим ККД було проблематично. Причина полягала в тому, що сопло, яке використовувалося спочатку, мали однаковий діаметр по всій довжині. А це тягло за собою те, що пара, проходячи через трубу і потрапляючи в простір з меншим тиском, ніж усередині, втрачав тиск і збільшував свою швидкість, але тільки до певного значення. Якщо говорити про насичення сухого пара, то його тиск на виході з трубки не може бути менше, ніж 058 від початкового тиску. Цей параметр називають критичним тиском. Грунтуючись на цьому значенні, можна отримати і граничну швидкість руху пари, яку називають критичною швидкістю, а її значення для перегрітої пари одно 0546 від початкового тиску. Таких параметрів виявилося мало для нормального функціонування турбіни. До того ж при виході з сопла такої форми пар починав клубочитися через розширення в атмосфері. Всі ці недоліки вдалося усунути, коли пристрій парової турбіни, її сопла, було змінено. На початку відбору труба була вузькою, поступово розширюючись до кінця. Основна відмітна особливість, яка стала вирішальним фактором, - це те, що з такою формою стало можливо привести тиск кінця сопла до тиску навколишнього середовища після труби. Це вирішило проблему з клубами пари, які сильно знижували швидкість, а також вдалося домогтися надкритичних значень цього параметра, а також тиску.

Пристрій парової турбіни і принцип роботи

Тут важливо сказати про те, що парова турбіна використовує два різних принципу роботи, які залежать від її устрою. Перший принцип називають активними турбінами. У цьому випадку, маються на увазі пристрої, у яких розширення пари здійснюється тільки в нерухомих соплах, а також до вступу його на робочі лопатки. Пристрій парової турбіни і принцип роботи другого типу називають реактивним. До таких агрегатів відносять ті, у яких розширення пари відбувається не тільки до вступу його на робочі лопатки, але і під час проходження між такими. Ще такі пристрої називають працюючими на реакції. Якщо падіння тепла в соплах становить приблизно половину від загального теплопадения, то турбіну називають також реактивної. Якщо розглядати устрій парової турбіни та її основних елементів, то потрібно звернути увагу на наступне. Усередині турбіни відбувається такий процес: струмінь рідини, яка спрямовується на лопатку, буде чинити на неї тиск, який буде залежати від таких параметрів, як витрата, швидкість при вході, а також при виході на поверхню, форма поверхні лопатки, кут напрямку струменя по відношенню до даної поверхні. Тут важливо відзначити, що при такій роботі зовсім не потрібно робити так, щоб потік води бив про лопатку. Навпаки, в пристроях парових агрегатів цього прийнято уникати, і найчастіше роблять так, щоб струмінь плавно обтікала лопатку.

Активна робота

Яке устрій парової турбіни, що працює на такому принципі. Тут за основу взято закон про те, що будь-яке тіло, що володіє навіть малою швидкістю, може мати високу кінетичну енергію, якщо рухається з великою швидкістю. Однак тут одразу ж треба враховувати, що ця енергія дуже швидко пропадає, якщо швидкість тіла почне падати. В такому випадку, є два варіанти розвитку подій, якщо струмінь пари вдариться про плоску поверхню, яка буде перпендикулярна її руху.
Перший варіант - удар відбувається про нерухому поверхню. У такому разі вся кінетична енергія, якою володіло тіло, частково перетвориться в теплову енергію, а інша частина витратиться на те, щоб відкинути частинки рідини в зворотному напрямку, а також назад. Природно, що ніякої корисної роботи виконано при цьому не буде. Другий варіант - поверхня може переміщатися. В такому випадку деяка частина енергії піде на те, щоб зрушити платформу з місця, а решта все так само буде витрачена даремно. У пристрої парової турбіни та принципі дії, який називається активним, використовується саме другий варіант. Природно, потрібно розуміти, що при роботі агрегату необхідно домогтися того, щоб витрата енергії на марну роботу був мінімальним. Ще одна важлива умова полягає в тому, що необхідно направити струмінь пари таким чином, щоб вона не пошкоджувала лопатки при ударі. Досягти виконання цієї умови можна лише при певній формі поверхні. Шляхом випробувань і розрахунків було встановлено, що найкращою поверхнею для роботи зі струменями пари є та, яка зможе забезпечити плавний поворот, після якої рух робочої речовини буде перенаправлено в протилежну сторону від початкової. Іншими словами, необхідно надати лопаток форму півкола. В такому випадку, стикаючись з перешкодою, максимальна частина кінетичної енергії буде передаватися механічному пристрою, примушуючи його обертатися. Втрати ж зведуться до мінімуму.

Як працює активна турбіна

Пристрій і принцип дії парової турбіни активного типу полягає в наступному. Свіжий пар з певними значеннями тиску та швидкості передається в сопло, де відбувається його розширення також до певного показника тиску. Природно, що разом з цим параметром, буде збільшуватися і швидкість струменя. З збільшеним значенням швидкості, потік пари доходить до механічних частин - лопаток. Впливаючи на ці елементи, струмінь робочого речовини змушує обертатися диск, а також вал, на якому він закріплений. Далі, при виході з лопаток, потік пара має вже іншим значенням швидкості, яке обов'язково буде нижче, ніж перед цими елементами. Це відбувається з-за того, що частина кінетичної енергії перетворилася в механічну. Тут також важливо відзначити, що під час проходження по лопатках значення тиску змінюється. Однак важливо те, що на вході і на виході з цих елементів даний параметр має однакове значення. Це обумовлено тим, що канали між лопатками володіють однаковим перерізом по всій своїй довжині, а також всередині цих деталей не відбувається додаткового розширення пари. Для того щоб випустити пар, який вже відпрацював, є спеціальний патрубок.

Механічний пристрій турбіни

Пристрій і робота парової турбіни з точки зору механіки виглядають так. Агрегат складається з трьох циліндрів, кожен з яких представляє собою статор, має нерухомий корпус, а також обертовий ротор. Окремо розташовані ротори з'єднуються муфтами. Ланцюжок, яка збирається з окремих роторів циліндрів, а також з генератора і збудника, називається валопроводом. Довжина даного пристрою при максимальному значенні складових компонентів (в даний час - це не більше 5 генераторів) - 80 метрів. Далі, пристрій і робота парової турбіни виглядають так. Валопровід виконує обертальний рух в таких елементах, як опорні підшипники ковзання вкладишів. Обертання відбувається на тонкій масляній плівці, металевої частини цих вкладишів вал під час обертання не стосується. На сьогоднішній день всі ротори конструкції розміщуються на двох опорних підшипниках. У деяких випадках між роторами, що належать до ЦВТ і ЦСТ, є лише один загальний опорний підшипник. Весь пар, який розширюється в турбіні, змушує кожен з роторів виконувати обертальний рух. Вся потужність, яка виробляється кожним з роторів, складається на напівмуфті в загальне значення і там досягає свого максимального показника. Крім того, кожен елемент знаходиться під впливом осьового зусилля. Ці зусилля підсумовуються, а їх максимальне значення, тобто загальна осьове навантаження, що передається з гребеня на наполегливі сегменти. Ці деталі встановлюються в корпусі упорного підшипника.

Пристрій ротора турбіни

Кожен ротор поміщається в корпус циліндра. Показники тиску на сьогоднішній день вони можуть досягати 300 МПа, так що корпус даних пристроїв виконується двустенным. Це допомагає зменшити різниця тиску на кожен з них, що дозволяє зменшувати товщину кожної з них. Крім того, це допомагає спростити процес затягування фланцевих з'єднань, а також дає можливість турбіні при необхідності швидко змінити показник своєї потужності. Обов'язковим є наявність горизонтального роз'єму, який призначений для легкого процесу монтажу всередину корпусу, а також повинен забезпечувати швидкий доступ до вже встановленого ротору, під час проведення ревізії або ремонту. Коли здійснюється безпосередній монтаж турбіни, то все площині роз'ємів нижніх корпусів монтуються спеціальним чином. Щоб спростити цю операцію, прийнято вважати, що всі горизонтальні площини з'єднані в одну загальну. Згодом, коли настає момент монтажу валоповоротного пристрою парової турбіни, то його поміщають у вже наявний горизонтальний роз'єм, що забезпечує його центрування. Це необхідно для того, щоб уникнути наголоси ротора про статор під час обертання. Такий дефект може привести до досить серйозної аварії на об'єкті. З-за того, що всередині пар турбіни характеризується дуже високою температурою, а обертання ротора відбувається на масляних плівках, температура масла повинна бути не більше ніж 100 градусів за Цельсієм. Це значення підходить як щодо вимог пожежної безпеки, так і відповідає наявності певних мастильних властивостей матеріалу. Для того щоб досягти таких показників, вкладиші підшипників виносяться за корпус циліндра. Їх розміщають у спеціальних точках - опорах.

Парові установки на атомних станціях

Пристрій парової турбіни на АЕС можна розглядати на прикладі установок насиченої пари, які є лише на тих об'єктах, де використовується водяний теплоносій. Тут варто зазначити, що початкові характеристики парових турбін на атомних станціях, характеризуються низькими показниками. Це змушує пропускати більшу кількість робочого речовини, щоб досягти потрібного результату. Крім того, з-за цього утворюється підвищена вологість, яка швидко наростає по ступенях турбіни. Це призвело до того, що на таких об'єктах доводиться використовувати внутритурбинные і зовнішні влагоулавливающие пристрою. З-за високої вологості використовується пара знижується коефіцієнт корисної дії, а також досить швидко розвивається ерозійний знос проточних частин. Для того щоб уникнути цієї проблеми доводиться використовувати різні методи зміцнення поверхні. До таких способів належать хромування, загартовування, электроискровая обробка і т. д. Якщо на інших об'єктах вдається використовувати простий пристрій парових турбін, то на АЕС потрібно не тільки думати про захист від корозії, але і про відвід вологи. Найбільш ефективним способом відведення зайвої вологи з турбіни став відбір пари. Відбір речовини здійснюється на регенеративні підігрівачі. Тут важливо відзначити, що якщо такі відбори встановлені після кожної ступені розширення, необхідність у розробці додаткових внутритурбинных влагоулавливателей відпадає. Також можна додати, що допустимі межі вологості пари ґрунтуються на діаметрі лопатки, а також швидкості обертання.

Яке пристрій парових і газових турбін

Найкращим якістю, яке стало найважливішою перевагою парової турбіни, є те, що вона не вимагає якого-небудь з'єднання з валом електричного генератора. Також цей пристрій відмінно справлялося з перевантаженнями, і його легко можна було регулювати по частоті обертання. Коефіцієнт корисної дії таких агрегатів також досить високий, що в поєднанні з іншими перевагами і вивело їх на передній план, якщо виникала необхідність з'єднання з електричними генераторами. Таким же є і пристрій парової турбіни AEG. Схожими об'єктами стали і газові турбіни. Якщо розглядати ці пристосування з точки зору конструкції, то вони практично нічим не відрізняються. Як і парова турбіна, газова є машиною лопаточного типу. Крім цього, в обох агрегатах обертання ротора досягається за рахунок того, що відбувається трансформація кінетичної енергії потоку робочої речовини. Суттєва відмінність між цими установками полягає як раз в типі робочої речовини. Природно, що в паровій турбіні такою речовиною є водяна пара, а в газовій установці - це газ, який найчастіше отриманий при спалювання будь-яких продуктів, або є сумішшю пари і повітря. Ще одна відмінність полягає в тому, що для утворення цих робочих речовин необхідно мати різне додаткове устаткування. Таким чином, виходить, що самі по собі турбіни дуже схожі, але установки, що утворюються на об'єктах навколо них, досить сильно відрізняються.

Парова турбіна з конденсатом

Конденсаційні пристрої і парові турбіни Лосєв С. М. описував у своїй книзі, виданій в 1964 році. Видання містило теорію, конструкцію та експлуатацію парових установок, а також конденсаційних агрегатів. Турбінна установка, яка знаходиться в котлі, має три середовища - вода, пар і конденсат. Ці три речовини утворюють між собою якийсь замкнутий цикл. Тут важливо зазначити, що в такому середовищі під час перетворення втрачається досить мала кількість пари і рідини. Щоб компенсувати невеликі втрати, встановлення додають сиру воду, яка перед цим проходить водоочисне пристрій. У цьому агрегаті рідина піддається впливу різних хімікатів, основне призначення яких у видаленні непотрібних домішок з води. Принцип роботи в таких установках наступний:

Пар, який вже відпрацював і володіє зниженим тиском і температурою, потрапляє в конденсатор турбіни.

При проходженні цієї ділянки шляху є велика кількість трубок, по яких безперервно гойдається охолоджуюча вода за допомогою насоса. Найчастіше ця рідина береться з рік, озер чи ставків.

У момент зіткнення з холодною поверхнею трубки відпрацьована пара починає утворювати конденсат, так як його температура все ще вище, ніж у трубах.

Весь накопичений конденсат постійно надходить у конденсатор, звідки він безперервно відкачується насосом. Після цього рідину передається в деаератор.

З цього елементу вода знову надходить у паровий котел, де перетворюється в пар, і процес починається спочатку.

Крім основних елементів і простого принципу роботи, є пара додаткових агрегатів, таких як турбонаддув і підігрівач.