Активные и реактивные турбины

 

Турбины, в которых весь располагае­мый теплоперепад преобразуется в кине­тическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление ра­бочего тела не меняется), называются активными или турбинами равного давления.

В простейшей активной турбине ра­бочее тело поступает в сопло 1 (или группу сопл), разгоняется в нем до высо­кой скорости и направляется на рабочие лопатки 2 (рис. 35). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих ло­паток (см. рис. 34,в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими ло­патками и валом называется рото­ром. Один ряд сопл и один диск с рабо­чими лопатками составляют ступень.

 

 

 

Рис. 35. Схема ступени турбины

 

На лопатках рабочего колеса кинети­ческая энергия потока преобразуется в работу. При входе на лопатку окружная составляющая скорости потока со­впадает с направлением движения ло­патки, а при выходе — противоположна ей (рис. 28). Поэтому абсолютная ско­рость потока на выходе много меньше, чем на входе.

Движущийся поток действует на ра­бочие лопатки с силой Р. Проекция этой силы на ось машины Р_z (осевая сила) воспринимается упорными подшипника­ми, предотвращающими смещение рото­ра вдоль оси, а проекция на направление окружной скорости Р_и (окружная сила) вызывает вращение ротора.

Одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883г. (рис. 36).

 

Рис. 36. Схема одноступенчатой турбины Лаваля

 

Пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие ло­патки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8. Ротор тур­бины, состоящий из диска 3, закреплен­ных на нем лопаток и вала 1, заключен в корпус 6. В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и за­днее 7 лабиринтовые уплотнения, предот­вращающие утечки пара. Так как весь располагаемый теплоперепад срабатыва­ется в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими. При расширении, например, перегретого па­ра, имеющего параметры 1 МПа и 500°С, до давления 10 кПа теплопере­пад округленно равен 980 кДж/кг, что соответствует скорости потока 1400м/с. При таких скоростях потока неизбежны большие потери и, самое главное, недо­пустимые по условиям прочности лопа­ток окружные скорости в них. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 37 показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделе­ны друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла.

В таких турбинах давление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках. Абсо­лютная скорость пара в ступени, называ­емой ступенью давления, то воз­растает — в соплах, то снижается — на рабочих лопатках. Так как, объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают. Если общий телоперепад (h₀ - h_вых) распределить по­ровну между z ступенями давления, то скорость истечения пара из сопл каж­дой ступени, м/с, . Отсюда следует, что применением ступе­ней давления можно достичь умеренных значений с₁, обеспечив высокий КПД.

Рис. 37. Схема активной турбины с тремя ступенями давления:

1— сопло; 2 — входной патрубок; 3 — рабочая ло­патка I ступени; 4 — сопло; 5 — рабочая лопатка II ступени; 6 — сопло; 7 — рабочая лопатка III ступени; 8 — выхлопной патрубок; 9 — диафрагмы

Первая модель двигателя, использу­ющего реактивную силу, была построена Героном Александрийским за 120 лет до н.э. (рис. 38).

При истечении пара из сопл здесь возникают реактивные силы, вращаю­щие систему против часовой стрелки. Ступень турбины, по модели Герона, представляла бы собой вращающийся диск с соплами, к которым необходимо организовать непрерывный подвод рабо­чего тела. Ввиду сложности конструиро­вания таких ступеней, а тем более много­ступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались. Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летатель­ных аппаратов (ракет, самолетов и др.).

Практически реактивными называ­ются турбины, у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.

 

Рис. 38. Схема первой модели реактивной паровой турбины

 

Современные мощные турбины вы­полняют многоступенчатыми с опреде­ленной степенью реактивности, чаще все­го Ω = 0,5. В каждой ступени такой тур­бины расширение рабочего тела происхо­дит не только в сопловых каналах, но и на рабочих лопатках. Ступень сраба­тывает лишь часть общего перепада дав­ления на турбине, и при большом их числе разность давлений в отдельной ступени получается небольшой, а скоро­сти потока — умеренными. При степени реактивности Ω = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одинаковую форму. Более того, один и тот же профиль лопаток может быть использован во всех ступе­нях турбины, и только длина лопаток изменяется в соответствии с увеличением объема рабочего вещества по мере пони­жения давления. Это удобно с точки зре­ния их изготовления.

На левой половине рисунка 39 пока­зан корпус или цилиндр высокого дав­ления (ЦВД) конденсационной трехкорпусной турбины мощностью 300 МВт на сверхкритические параметры пара с про­межуточным перегревом пара до 565 °С. ЦВД представляет собой двустенную литую конструкцию. Пар сначалапоступает в сопловую коробку 4, расположен­ную во внутреннем корпусе 3, проходит через ступень 6 с двумя лопатками и пять ступеней давления справа налево. Выходя из внутреннего корпуса, пар по­ворачивается на 180°, проходит между внутренним и наружным 1 корпусами и поступает далее на шесть ступеней давления. При этом он омывает и охлаж­дает внутренний корпус, а также частич­но разгружает его стенки, испытываю­щие внутреннее давление. Во внутреннем корпусе диафрагмы 2 крепятся непосред­ственно в стенке, а в наружном — в про­межуточных обоймах 5. Обоймы позво­ляют организовать отборы пара для ре­генерации.

После промежуточного перегрева в котле пар с параметрами 3,53МПа и 565 °С поступает в корпус среднего, а затем низкого давления (справа).

 

Рис. 39. Продольный разрез турбины К-300-240-1 ЛМЗ:

слева - цилиндр высокого давления; справа – цилиндры среднего и низкого давления