Колесо кертиса в турбине что это

Принцип работы паровой турбины

Критическое давление и критическая скорость

Первые попытки изобретателей еще не изучивших процесса расширения пара, построить промышленно пригодную паровую турбину натолкнулись на следующее затруднение: оказывается, что если сосуд, в котором находится пар под давлением, снабдить нерасширяющейся трубкой (соплом) цилиндрической или иной формы (рис. 4), через которую будет происходить истечение пара в пространство с меньшим давлением, то пар в этой трубке будет терять давление и приобретать скорость, но только до определенного предела; в случае сухого насыщенного пара у выхода из трубки давление его не может быть меньше 0,58 начального давления. Это давление называется критическим давлением. Соответственно этому давлению мы получим и некоторую предельную скорость истечения, которая называется критической скоростью. Для перегретого пара критическое давление равно 0,546 от начального давления.

Таким образом, если в нашем сосуде находится сухой насыщенный пар при давлении р₀=10 ата, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получим давление

то есть мы используем для превращения в скоростной напор перепад давлений, равный только

Дальше, выйдя из устья сопла, пар, расширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его в направлении оси сопла почти не произойдет. Следовательно, пользоваться цилиндрическим (нерасширяющимся)соплом целесообразно только тогда, когда начальное давление пара не превышает примерно двойного давления в пространстве, куда он вытекает; например, при выпуске пара в атмосферу рабочее давление перед соплом не должно превышать 1,8 ата.

Если отношение давлений перед и за трубкой больше 1,8, то для полного преобразования энергии давления в скоростную энергию нужно, чтобы трубка (сопло) имела после узкого сечения расширяющуюся часть (рис. 5).

Отличительная особенность расширяющегося сопла заключается в том, что давление пара у выхода из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он вытекает. При этих условиях пар вытекает из сопла с сверхкритической скоростью и идет ровной струей, вся энергия которой может быть использована на лопатках турбины. Расширяющееся сопло дает возможность использовать любые перепады давлений, полностью преобразовываю в пределах данного перепада давлений потенциальную энергию пара в кинетическую.

Два принципа работы пара в турбине

Из сказанного выше вытекает, что, используя расширение пара в турбине, мы можем получить механическую работу, эквивалентную располагаемому перепаду тепла за вычетом потерь. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу может происходить различным образом в зависимости от типа турбины.

Турбины, у которых расширение пара происходит только в неподвижных соплах до вступления его на рабочие лопатки, называется активными турбинами.

Турбины, у которых расширение пара совершается не только до вступления его на рабочие (подвижные) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинами, работающими с реакцией. Если теплопадение в соплах составляет примерно половину общего теплопадения (или меньше), турбину принято называть реактивной.

Струя жидкости, направленная на лопатку, оказывает на нее давление, которое зависит от расхода жидкости, скорости ее при входе на поверхность и при выходе с нее, формы поверхности лопатки, угла направления струи относительно этой поверхности и разности давлений жидкости перед и за лопаткой. При этом вовсе не требуется, чтобы струя ударяла о лопатку; наоборот, этого нужно всегда избегать и стремиться к тому, чтобы поток не ударял о лопатку, а плавно ее обтекал.

Дело в том, что при обтекании паром лопаток, так же 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 получается сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны; она заставляет лопатки перемещаться и совершать работу. Отцом русской авиации» профессором Н. Е. Жуковским установлены основные законы для определения «подъемной силы» крыла самолета, обтекаемого воздухом; применение этих законов помогает конструкторам современных турбин создавать наилучшие профили лопаток, обеспечивающие малые потери.

Однако при элементарном изучении преобразования энергии в турбине и конструкций турбин удобнее и нагляднее разделять и рассматривать особо активные и реактивные ступени и происходящие в них процессы. При этом часто вводятся еще некоторые упрощения; в частности, поток пара в соплах и между лопатками рассматривается в ряде случаев как некоторая сплошная струя несжимаемой жидкости, имеющая одинаковые скорости и давления в любой точке входного или выходного сечения.

Ниже рассмотрим подробнее, как работают активная и реактивная ступени турбины.

Активный принцип

Так как кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату скорости его движения, то даже тела с очень малой массой, но движущиеся с большими скоростями могут обладать большой кинетической энергией. С другой стороны, кинетическая энергия чрезвычайно быстро уменьшается при уменьшении скорости движения тела. По закону сохранения энергии всякое тело, движущееся с некоторой скоростью и задержанное в своем движении должно отдать при этом всю ту энергию, которую нужно было затратить, чтобы сообщить ему скорость, с которой оно двигалось.

При ударе струи о плоскую поверхность, перпендикулярную направлению движения струи, можно предположить два возможных случая:

а) Поверхность закреплена неподвижно; тогда кинетическая энергия задержанной в своем движении струи частично превратится в тепловую энергию, а частично будет расходоваться на отбрасывание частиц жидкости в стороны и в обратном направлении, на образование вихрей в струе и на разрушение поверхности. Никакой полезной работы при этом не будет совершено вследствие неподвижности поверхности.

б) Поверхность может перемещаться (рис 6,а); тогда кинетическая энергия частично превратится в работу перемещения поверхности, которую можно полезно использовать, а частично будет затрачена бесполезно (как и при неподвижной поверхности).

Очевидно, что в паровой турбине потеря энергии, то есть та часть энергии, которая не превращается в полезную работу, должна быть минимальной; кроме того, струя пара не должна повреждать поверхностей лопаток, на которые она направлена. Достигнуть этого при ударном действии струи нельзя; фурма лопаток турбины должна быть выбрана такой, чтобы струя пара, выходящая из сопла, плавно вступала на лопатки и передавала им наибольшую возможную часть своей энергии.

Путем расчета и опытов было найдено, что поверхности тела, на которую направлена струя, следует придать такую форму, чтобы направленная на него струя совершала поворот и меняла направление своего движения на прямо противоположное (рис. 6,б).

Законы механики так объясняют взаимодействие между струей и предметом. На предмет (лопатку) действует со стороны движущейся криволинейно струи центробежная сила; она распределена по поверхности лопатки, оказывает на нее давление и заставляет перемещаться и совершать работу.

На (рис. 7) изображена полукруглая лопатка. Предположим, что на нее направлена струя пара. Каждая частица пара действует на лопатку с силой, равной центробежной силе и направленной по нормали к поверхности лопатки, то есть по линии, соединяющей центр А полуокружности лопатки с центром тяжести частицы. Рассмотрим три такие частицы а, b, и с. Центробежные силы Р, возникающие от частиц а и с, по законам механики можно разложить на силы Р₁, напралвенные вертикально, и на силы Р₂, направленные горизонтально. Вертикальные силы Р₁ направлены во взаимно противоположные стороны и, будучи равными по величине, взаимно уничтожаются, то есть не оказывают влияния на движение лопатки.

Горизонтальные силы Р₂ становятся тем больше, чем ближе частица расположена к точке В, в которой Р₂=Р₁, а Р₁=0. Сумма сил Р₂ представляет собой ту силу, которая заставляет перемещаться лопатку вправо; помножив эту силу на путь, пройденный лопаткой, мы получим полезную работу, совершенную струей пара. При каких условиях эта работа будет максимально малой, мы рассмотрим ниже

На практике струя обычно направлена под некоторым углом к направлению движения лопаток (рис. 8). Профили лопаток не представляют собой полуокружностей; они образуются отрезками кривых и прямых линий так, чтобы было обеспечено безударное вступление струи пара и высокое использование ее скорости.

Рабочий процесс активной турбины

Свежий пар с давлением р₀ и скоростью с₀ поступает в сопло 4 и расширяется в нем до давления р₁; при этом скорость струи пара возрастает до величины с₁. С этой скоростью струя подходит к рабочим лопаткам 3 и, воздействуя на лопатки, заставляет диск 2 и вал 1 вращаться, производя механическую работу.

По выходе из рабочих лопаток струя имеет скорость с₂ (выходную скорость) меньшую, чем с₁, так как кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. Хотя давление в различных местах криволинейного канала, образованного рабочими лопатками, неодинаково, но при входе в канал и при выходе из него оно одинаково, так как каналы между лопатками имеют одинаковое сечение по длине и в них не происходит добавочного расширения пара.

Отработавший пар с давлением р₂=р₁ уходит из турбины через выпускной патрубок 6.

Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: Падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и при выходе с них одинаково.

Необходимая скорость на окружности турбинного диска

Нетрудно сообразить, что если лопатка (рис. 7) движется под действием какой-либо внешней силы с той же самой скоростью, что и направленная на нее струя пара, то она не оказывает струе какого-либо сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии. Такое же явление получится, если скорость лопатки будет больше скорости струи; в этом случае лопатка просто уйдет вперед, обгоняя струю.

Вообразим теперь, что лопатка закреплена в неподвижном состоянии; тогда струя пара, направленная на изогнутую поверхность лопатки, не совершит работы ее передвижения, а переменит направление своего движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила, если не считать небольших потерь на трение о поверхность лопатки; следовательно, кинетическая энергия струи останется неиспользованной.

Рассмотрим теперь такой пример: допустим, что скорость подтекания струи пара равна 500 м/сек, м скорость лопатки равна 250 м/сек; в этом случае струя вступит на лопатку с относительной скоростью в 250 м/сек и, изменив направление своего движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/сек относительно лопатки.

Но так как лопатка движется вперед со скоростью 250 м/сек, то скорость обратного движения струи равна и противоположна по направлению скорости лопатки и по отношению к какой-либо неподвижной точке пространства будет равна нулю.

Из сказанного можно сделать тот вывод, что для полного использования кинетической энергии пара скорость движения лопатки активной турбины должна быть в 2 раза меньше скорости истечения струи пара из сопла.

Скорость истечения пара из сопла, как мы уже говорили, зависит от разности его начальной и конечной энтальпии. Чем больше перепад тепла при расширении пара, тем больше скорость его истечения. Современные котельные установки строятся для давлений 35-90 ата и выше (до 300 ата), выпускают же отработавший в турбине пар обычно в конденсатор, где давление держат возможно более низким. Если бы соответствующий теплоперепад был использован сразу для получения скорости, ее значения превосходили бы 1000 м/сек; например, при расширении насыщенного пара от сравнительно невысокого давления 10 ата до давления, равного 0,1 ата (в конденсаторе), скорость истечения достигает 1167 м/сек, то есть будет значительно больше скорости полета пули, выпущенной из винтовки. При применении перегретого пара скорости истечения получаются еще большими, так как возрастают располагаемые перепады тепла.

Для наивыгоднейшего использования кинетической энергии пара скорость u на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали, только в 2 раза меньше скорости с₁ истечения пара из сопла. Так, для скорости истечения пара с₁=1200 м/сек скорость u на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/сек. Такую высокую окружную скорость осуществить в турбине пока невозможно, так как еще не существует материалов, могущих выдержать колоссальные напряжения от центробежной силы, развивающиеся при окружных скоростях, значительно превышающих 400 м/сек. Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/с₁ вызывает сильное снижение к.п.д. турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине можно использовать с хорошим к.п.д. лишь сравнительно небольшие теплопадения.

В турбинах с небольшими расходами и высокими скоростями пара приходится применять диски небольшого диаметра для того, чтобы не получить слишком низкими рабочие лопатки. К тому же диски малого диаметра легче изготовить лучшего качества. Но при малых диаметрах диска и высоких окружных скоростях получается высоким число оборотов.

Большинство же приводимых турбинами машин (генераторы, насосы и т.п.) требует числа оборотов порядка 3000 об/мин и ниже, а следовательно, высокооборотной турбиной и вращаемой ею машиной приходится вводить понизительную зубчатую передачу (редуктор); при этом размеры передачи не редко превышают размеры самой турбины, а к.п.д. установки понижается за счет механических потерь в редукторе.

На электростанциях зубчатые редукторы почти не применяются, но они нашли широкое применение на кораблях, так как для гребных винтов необходимо очень низкое число оборотов (от 100 до 500 об/мин), а турбина с таким числом оборотов получилась бы громадных размеров.

Невысокий к.п.д. и некоторые конструктивные трудности ограничивают мощность одноступенчатых турбин величиной 500-800 квт.

Одноступенчатые турбины, однако весьма просты и надежны в работе, и они часто применяются для привода вспомогательных механизмов, экономичность которых не имеет существенного значения.

Повышения экономичности турбины, работающей при большом теплопадении с умеренными окружными скоростями, можно достигнуть путем:

1) применения ступеней давления;

2) применения ступеней скорости.

Ступени давления

Идея ступеней давления заключается в следующем: вместо того чтобы вести расширение пара от давления в котле до противодавления в один прием, можно разделить этот процесс на части или ступени, используя в каждой ступени небольшие перепады давлений. Подобного рода устройства примененное для водяной турбины, изображено на (рис. 10), рассмотрим его подробно.

Как видно из чертежа, уровень воды в баке на 500 м выше сопла 1; при этом скорость истечения воды из сопла будет равна примерно 100 м/сек, и наивыгоднейшая скорость на окружности колеса турбины должна равняться 100/2=50 м/сек, для чего нужно 2000 об/мин при диаметре колеса 0,5 м.

Если же мы напор воды разделим на четыре части так, чтобы сопла 2,3,4 и 5 питались каждое из бака, в котором уровень воды стоит на высоте, в 4 раза меньшей, то есть 125 м, то скорость истечения из этих сопел будет уже не 100 м/сек, а только 50 м/сек, и колеса, насаженные на общий вал, должны будут вращаться с окружной скоростью 50/2=25 м/сек, то есть делать только 1000 об/мин при том же диаметре. Количество работы, которое мы при этом получаем, будет тем же самым, если не считать несколько большие потери на трение во втором случае.

Подобным же образом паровую турбину с несколькими ступенями давления можно рассматривать как состоящую из нескольких одноступенчатых турбин, соединенных последовательно, причем все диски сидят на общем валу, а пар, сработав в первой турбине часть располагаемого перепада давлений, переходит во вторую, затем в третью и т.д. до тех пор, пока давление его не сравняется с противодавлением атмосферы или конденсатора.

Турбина с числом ступеней равно 9 будет иметь наивыгоднейшую окружную скорость в 3 раза, а турбина с 16 ступенями в 4 раза меньшую, чем одноступенчатая турбина, использующая тот же перепад тепла.

Весь этот процесс легко проследить по нанесенным в верхней части (рис. 11) кривым, определяющим давления и скорости пара перед и за соплами и за рабочими лопатками. Сравнив эти кривые с имеющимися на (рис. 8), мы увидим, что рабочий процесс одноступенчатой турбины здесь повторяется 3 раза, по числу ступеней давления; при этом давление в каждой следующей ступени понижается, а скорости истечения примерно одинаковы. Последнее достигается выбором соответствующих размеров сопле.

При значительном числе ступеней перепады давлений в каждой ступени получаются небольшими и скорости истечения пара ниже критической; поэтому применение расширяющихся сопел в многоступенчатых турбинах стало уже необязательным; в современных турбинах, как правило, применяют лишь суживающиеся сопла. Этому способствует рассмотренная ниже возможность расширения пара в косом срезе суживающихся сопел до давления ниже критического.

Перепад тепла между ступенями турбины распределяют иногда поровну, чаще же принимают более высокие перепады в первой и последних ступенях; это дает возможность, с одной стороны, понизить давление и температуру в корпусе турбины за счет срабатывания большого перепада давлений в первой ступени, а с другой,- получить меньшую высоту лопаток в последних ступенях за счет больших скоростей протекания пара.

Падения давления по ступеням всегда получаются неодинаковыми: в первых ступенях давление падает резко, в последних же незначительно.

В качестве примера ниже приведена таблица распределения давлений по ступеням активной турбины с 13 ступенями давления, работающей свежим паром давлением 28 ата, температура пара= 400 о С и с противодавлением в конденсаторе= 0,05 ата

При этом перепады тепла составляют от 16,2 ккал/кг в первых ступенях до 32 ккал/кг в последней ступени.

Источник

Привет студент

Паровые турбины

Паровые турбины применяются преимущественно на крупных судах при необходимости иметь мощную энергетическую установку. Заметными преимуществами паровых турбин являются малая вибрация или полное ее отсутствие при работе турбин, малая масса, минимальные габаритные размеры и низкие эксплуатационные расходы. Более того, паровая турбина может применяться практически при любой требуемой мощности судовой установки. Но высокий удельный расход топлива по сравнению с дизельной установкой сводит на нет эти преимущества, хотя применение различных усовершенствований в турбине (промежуточный подогрев пара и т. п.) компенсирует в некоторой степени этот недостаток.

Таков основной принцип работы всех паровых турбин, хотя осуществление этого принципа может быть довольно различным. Пар от лопаток первого колеса проходит к ряду сопел и лопаток второго колеса, затем к следующему колесу и т. д. вдоль вала турбины, пока не израсходуется энергия пара. Комплект совместно работающих сопел и лопаток носит название ступени.

Существует два основных типа турбин: активные и реактивные. Эти термины объясняют, какие силы действуют на колесо, чтобы привести его во вращение.

Активные турбины

В активной турбине имеется сопловое колесо, за которым помещаются лопатки. Пар, обладающий высокой энергией и большим давлением, в сопле расширяется, его давление падает, а скорость увеличивается. Струя пара из сопла подается на активные лопатки под определенным углом, а выходит из них под другим углом (рис. 3.2). Благодаря изменению направления движения и скорости пара возникает активная сила, направление действия которой в основном совпадает с направлением движения лопаток при вращении колеса. На валу турбины возникает лишь небольшое осевое усилие.

Реактивные турбины

В корпусе реактивной турбины имеется кольцо с вмонтированными в него неподвижными лопатками, а также закрепленное на роторе колесо с движущимися лопатками примерно одинакового профиля (рис. 3.3). Движущиеся лопатки имеют такой профиль и установлены так, чтобы образовать суживающийся канал, в котором, как в сопле, скорость пара будет возрастать. Увеличение скорости пара в лопатках приводит к появлению реактивной силы, вектор которой имеет одну составляющую по направлению вращения лопаток, а другую — по направлению оси ротора. В лопатках происходит изменение направления движения пара и соответствующее изменение его скорости. В результате в реактивных лопатках тоже возникает активная сила. Более правильно было бы этот тип турбины называть активно-реактивиым,

Рис. 3.1. Преобразование энергии в паровой турбине:

1- канал для преобразования энергии давления пара в кинетическую энергию в сопле; 2 — сопловое кольцо; 3 — сила, вращающая колесо; 4 — угол изменения направления движения (скорости) пара; 5 — лопатки, закрепленные на колесе; I — вход пара; II — выход пара

Рис. 3.2. Активные лопатки:

I—направление потока пара; II — направление вращения вала; III — канал с постоянной

Рис. 3.3. Реактивные лопатки:

Расширение пара в турбине может происходить в двух и более ступенях по мере изменения давления и скорости истечения пара.

Так, в активной турбине подобное разделение осуществляется посредством применения ряда ступеней, в которых давление пара последовательно падает. В результате можно получить более или менее приемлемые скорости потока и лучший к. п. д. турбины.

В активной турбине на один ряд сопел приходится несколько рядов движущихся лопаток, сидящих на одном диске. Между рядами движущихся лопаток устанавливают направляющие лопатки, закрепленные в корпусе турбины. При таком устройстве ступеней турбина получается короткой и легкой, но с меньшим к. п. д., что вполне приемлемо, например, для турбины заднего хода.

Если в турбине сочетаются оба принципа работы, то такая турбина называется турбиной со ступенями давления и скорости.

В реактивной турбине как неподвижные, так и движущиеся лопатки устроены так, что на каждой ступени последовательно уменьшаются и скорость пара и его давление. Таким образом, разделение процесса осуществляется благодаря самой конструкции турбины.

Агрегат, состоящий из турбины высокого давления и турбины низкого давления, называют двухкорпусным ( рис. 3.4). Главные судовые турбины обычно имеют такую конструкцию. В ряде случаев могут встречаться однокорпусные установки, чаще в качестве привода в турбогенераторной установке, а иногда и в качестве главного двигателя.

Промежуточный подогрев пара. Этот подогрев пара применяется для повышения к. п. д. установки. Пар после расширения в какой-то части турбины высокого давления возвращается в паровой котел, где снова подогревается до первоначальной температуры перегретого пара. Затем пар подается на оставшиеся ступени турбины высокого давления, а затем в турбину низкого давления.

Разновидности турбин, связанные с названиями фирм или с именами изобретателей. Турбина Парсонса это реактивная турбина, в которой расширение пара происходит на неподвижных и движущихся лопатках. В каждой ступени половина перепада теплоты приходится на сопловые лопатки, а другая половина — на рабочие лопатки, поэтому каждая ступень обладает 50%-ной реактивностью.

Турбина Кертиса это активная турбина, в которой на ряд сопел приходится несколько рядов лопаток, т. е. ступеней скорости.

Турбина Лаваля это одноступенчатая активная турбина, т. е. с одним рядом сопел и одним рядом лопаток; турбина работает с очень высокой частотой вращения.

Турбина Рато это активная многоступенчатая турбина со ступенями давления.

Турбины заднего хода. Главные судовые паровые турбины должны быть реверсивными. Обычно реверсирование достигается тем, что на валах турбин высокого и низкого давления устанавливают несколько рядов лопаток заднего хода. Мощность турбины заднего хода составляет около 50% мощности турбины переднего хода. При работе турбины на передний ход лопатки турбины заднего хода действуют как воздушный компрессор, что вызывает дополнительные потери.

Рис. 3.4. Устройство двухкорпусной турбины:

— зубчатый редуктор; 2 — валоповоротное устройство; 3 — турбина низкого давления; 4 — конденсатор; 5 — турбина высокого давления

На рис. 3.5 показано устройство активной турбины. На валу ротора имеется ряд колес, на которых закреплены рабочие лопатки. По мере движения пара вдоль вала давление пара падает, а объем увеличивается, поэтому и лопатки делаются все большей длины. Турбина заднего хода смонтирована на другом конце ротора, она короче, чем турбина переднего хода. С обоих концов вал ротора установлен на подшипниках. В одном из подшипников имеется упорный диск, воспринимающий осевые усилия.

Корпус турбины полностью закрывает ротор. В корпусе турбины имеются патрубки для впуска и выпуска пара. На входе пара устанавливается сопловая коробка. При помощи сопловых клапанов можно изменять количество подаваемого в турбину пара и тем самым регулировать мощность турбины. Первый комплект сопел смонтирован в сопловом кольце, крепящемся в корпусе. В корпусе между рабочими колесами также установлены кольцевые диски — диафрагмы. Внутри центральных отверстий дисков проходит вал ротора. В диафрагме имеются сопла для расширения пара, а между диафрагмой и валом ротора — уплотнения.

Турбина заднего хода отличается тем, что в ней нет диафрагм, а между рабочими лопатками установлены неподвижные лопатки.

Ротор

Роль вала турбины по существу выполняет ротор, при помощи которого полученная от пара мощность через зубчатую передачу передается на гребной вал. Ротор может быть цельным, выточенным, заодно с дисками, или, если размеры ротора большие, он состоит из вала и насаженных на него рабочих колес.

На концах вала ротора, там где он выходит из турбины, устанавливаются кольца, составляющие часть лабиринтового уплотнительного устройства, которое будет описано ниже в этой главе. По обеим сторонам ротора установлены подшипники, в которых имеются маслосбрасывающие кольца, предохраняющие от попадания масла из подшипника в паровое пространство вдоль вала. На одном конце ротора расположено, небольшое упорное кольцо для фиксирования ротора по длине. На другом конце ротора устанавливается фланец или другое приспособление для эластичной муфты, при помощи которой вращение с ротора передается на ведущее колесо редуктора. В диски рабочих колес в канавки различного профиля вставляются рабочие лопатки.

Рабочие лопатки

О типах лопаток и их форме было сказано выше. Когда ротор турбины вращается с высокой частотой, на лопатки действует значительная центробежная сила, а изменение скорости пара в лопатках вызывает вибрацию лопаток. При работе турбины также происходит тепловое расширение и сжатие материалов, поэтому крепление лопаток в дисках должно быть надежным. Для крепления лопаток имеются различные способы (рис. 3.6). При установке лопатку хвостовиком вводят в канавку и придвигают ее к соседней лопатке.

Рис. 3.5. Активная турбина:

1 — лабиринтовое уплотнение; 2 — скользящая опора; 3 — упорный подшипник; 4 — сопловое кольцо; 5 — сопловая коробка; 6 — корпус; 7 — лопатка; 8 — колесо; 9 — турбина заднего хода; 10 — подшипник; 11 — уплотнение; 12 — диафрагма; 13 — камера уплотнения; I — вход

пара; II — выход пара

Рис. 3.6. Крепление лопаток: а — вильчатое; 6 — обратное елочное; в — при помощи Т-образного хвостовика

Когда все лопатки последовательно вставлены в свои канавки, со стороны ввода хвостовики закрывают стопорным кольцом, которое в свою очередь крепится на диске. Затем через поводки на верхних концах лопаток пропускается бандажная лента. В некоторых случаях бандажную ленту пропускают через лопатки и припаивают к ним.

Уравновешивание осевого усилия

В реактивной турбине развивается значительное осевое усилие. Ротор турбины имеет высокую частоту вращения, а движущиеся элементы очень близко расположены по отношению к неподвижным, поэтому нельзя допускать осевого смещения ротора и осевое усилие должно быть уравновешено. Одним из способов уравновешивания осевого усилия является, применение уравновешивающего поршня. Пар, который по трубке отводится от одной из ступеней турбины, воздействует на поршень, посаженный на валу ротора (рис. 3.7). В корпусе турбины выполнен цилиндр для этого поршня, и поэтому под давлением пара возникает усилие, направленное вдоль оси вала.

Рис. 3.7. Устройство уравновешивающего поршня:

1 — уравновешивающая сила; 2 — уравновешивающий поршень; 3 — цилиндр уравновешивающего поршня; 4 — уравновешивающая труба; I — вход пара; II — выход пара

Площадь поршня и давление пара выбираются такими, чтобы точно уравновесить осевое усилие, возникающее на лопатках в реактивной турбине. Если в одном корпусе расположены турбины переднего и заднего хода, то уравновешивающие поршни нужно установить для работы в обоих направлениях:

Другим способом уравновешивания, который часто применяется в турбинах низкого давления, является создание двойного потока. При таком устройстве пар входит в среднюю часть турбины и расходится вдоль вала в противоположных направлениях. При равном числе ступеней слева и справа осевые усилия взаимно уравновешивают одно другое.

Уплотнительные устройства и система уплотнения. Уплотнительные устройства служат для предотвращения утечки пара из турбины высокого давления и попадания воздуха в турбину низкого давления. Уплотнительные устройства обычно применяются в совокупности с системой уплотнения.

Механические уплотнительные устройства — это обычно лабиринтовые уплотнения. На валу ротора монтируется ряд колец, а в корпусе закрепляется соответствующий ряд лабиринтов (рис. 3.8). Пар из турбины Должен пройти через эти многочисленные лабиринты, что практически приводит к снижению давления пара до атмосферного.

В дополнение к лабиринтовому механическому уплотнению действует система уплотнения, для которой в корпусе турбины имеется ряд камер. Система действует следующим образом. Во время работы турбины на полной мощности пар проникает в первую камеру, и поэтому в ней появляется какое-то давление выше атмосферного. Пар же, который проникает вдоль вала во вторую камеру, отсасывается воздушным насосом или эжектором в конденсатор сальникового пара. Если во вторую камеру попадает воздух из машинного отделения, он также отсасывается в конденсатор (рис. 3.9).

На самом малом ходу или при пуске турбины пар в первую камеру подается от какого-либо источника пара низкого давления. Вторая камера в этом случае действует, как описано выше.

Система уплотнения используется также для снабжения паром низкого давления различных потребителей и для отсоса пара и воздуха из различных других уплотнительных устройств турбинного агрегата.

Диафрагмы. Они устанавливаются в активных турбинах, имеют кольцевую форму и выполнены из двух полуколец. Через центральное отверстие диафрагмы проходит вал. Диафрагма крепится к корпусу и находится между двумя рядами лопаток. По периферии диафрагмы расположены сопла, в ее центральном отверстии крепятся лабиринты уплотнения.

Сопла

Сопла служат для преобразования статической энергии пара высокого давления в кинетическую энергию струи пара, обладающей высокой скоростью, но уменьшенным по сравнению с исходным давлением. Сопла на входе в турбину разбиты на несколько групп, и все они, за исключением основной, имеют собственные сопловые клапаны (рис. 3.10). Благодаря этому можно регулировать мощность турбины, меняя число включенных групп сопел. Сопловые коробки на входе имеют как активные, так и реактивные турбины.

Рис. 3.8. Лабиринтовое уплотнение:

1—ротор; 2— статор; 3— пластинчатая пружина

Рис. 3.9. Система уплотнения паром:

1 — турбина высокого давления; 2 — турбина низкого давления; 3 — турбина заднего хода; I — подвод пара к системе уплотнения; II — подвод пара к конденсатору системы уплотнения

Рис. 3.10. Управление турбиной при помощи сопловых клапанов:

а — поперечный разрез, вид на сопловое кольцо; б — продольный разрез; 1 — сопловая группа, не имеющая соплового клапана; 2 — управляемая группа сопел; 3 — выступ соплового кольца; I — вход пара в коробку от маневрового клапана; II — вход пара от группового соплового клапана.

Система спуска конденсата

При прогревании турбины или при маневрировании судна пар будет конденсироваться и накапливаться в различных частях турбины. Для того чтобы удалить конденсат и избежать его попадания на рабочие лопатки, что может вызвать Их повреждение, и предназначена система спуска. Спуск конденсата необходим еще и потому, что при накапливании конденсата может возникнуть местное охлаждение и деформация турбины из-за неравномерного нагрева. В современных установках имеются автоматические клапаны спуска, которые открыты во время прогрева или маневрирования турбины и закрыты при работе на нормальных частотах вращения ротора.

Подшипники

Подшипники турбины стальные, помещаются в корпусе, положение которого может регулироваться при центровке валопровода. Упорный подшипник — со сферическими самоустанавливающимися подушками. Этим обеспечивается их равномерная нагрузка и правильное положение подушек по отношению к упорному диску. Элементы обоих типов подшипников показаны на рис. 3.5. Масло для смазывания поступает в подшипник сбоку с обеих сторон. В месте подвода масла к валу отверстие расширено для того, чтобы масло равномерно распределялось по всей поверхности подшипника. В Подшипнике нет никаких масляных канавок. Зазоры в подшипниках турбин больше, чем в подшипниках дизелей. Во время работы турбины вал ее как бы плавает в маслянной ванне. Выходит масло через отверстие в верхней части подшипника и сливается в сточную цистерну.

Смазочная система

В паровых турбинах система смазки выполняет две функции: обеспечивает слой смазки для уменьшения трения между движущимися частями и отводит тепло, образующееся при работе подшипников или передаваемое по валу.

Смазочная система служит для подачи масла к турбине, редуктору, упорному подшипнику и к форсункам редуктора. Для остановки турбины, работающей на высоких частотах вращения, требуется значительное время. Главные масляные насосы, имеющие привод от турбины, в этот период времени, могут не обеспечить смазку в достаточной степени, и поэтому нужно предусмотреть дополнительный вариант подачи масла. Обычно в этом случае подключают напорный масляный бак, а приводные насосы не отключают, и они продолжают прокачивать масло через турбину.

На рис. 3.11 показана смазочная система, в которой применяются напорный масляный бак и приводные масляные насосы. Масло засасывается насосом из сточной цистерны через фильтры и пода-тору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла снова очищается в фильтрах, а затем подается к зубчатому редуктору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла через дроссельную шайбу попадает в напорный бак, из которого избыток масла постоянно сливается, что можно проконтролировать по смотровому стеклу.

Рис. 3.11. Типовая схема смазочной системы:

1 — подшипники редуктора и главный упорный подшипник; 2 — форсунки редуктора; 3— подшипники турбины; 4 — смотровое стекло; 5 — вентиляционный рожок; 6 — напорная масляная цистерна; 7 — дроссельная шайба; 8 — сдвоенный фильтр; 9 — охладители; 10— запорный вентиль; 11 — невозвратный клапан; 12 — приводной насос; 13 — сточная масляная цистерна; 14 — фильтры; 15 — электрические насосы; 16 — предохранительный клапан

Приводные насосы обеспечивают все режимы смазывания при нормальной работе турбины.

При уменьшении мощности турбины масло к форсункам редуктора продолжает подаваться от приводных насосов. Масло из напорного бака с пониженным давлением подается к подшипникам в течение продолжительного времени, чтобы исключить выход из строя подшипников при остановке турбины.

Тепловое расширение турбин. При работе турбины ее температура значительно повышается по сравнению с температурой неработающей турбины. Поэтому должна быть предусмотрена возможность для теплового расширения ротора и статора.

Корпус турбины обычно жестко крепится в кормовой ее части к опоре или кронштейнам корпуса редуктора. Здесь лапа корпуса турбины закреплена от продольного смещения, но может перемещаться в продольном направлении, так как отверстия для болтов имеют удлиненную форму. Такие же удлиненные отверстия для болтов имеются и в передней лапе корпуса, которая опирается на скользящую опору или на упругую вертикальную листовую опору, изгибающуюся при тепловом расширении корпуса.

Положение передней опоры по отношению к задней или к кронштейнам корпуса редуктора обычно фиксируется. На опорах и на корпусе турбины имеются соответствующие одни другим большие

вертикальные канавки и шпонки, обеспечивающие перемещение корпуса относительно опоры в вертикальном направлении при его центровке с валопроводом.

Ротор турбины обычно фиксируется относительно корпуса в своей передней части при помощи упорного кольца и, следовательно, любое осевое перемещение ротора должно передаваться на другой его конец со стороны редуктора. Между валом турбины и валом редуктора устанавливается эластичная муфта. Эта муфта не только воспринимает осевое удлинение ротора, но и нейтрализует небольшие отклонения в центровке валов. Все подведенные к корпусу турбины трубопроводы для обеспечения свободного теплового расширения корпуса должны иметь петлевые компенсаторы большого радиуса или сильфоны. Кроме того, при перемещении, вызванном тепловым расширением корпуса, эти трубопроводы не должны задевать корпус. Для этого трубопроводы устанавливают на эластичных или пружинных подвесках.

При прогревании турбины необходимо обеспечить ее свободное тепловое расширение. Для контроля за расширением на турбине устанавливают ряд индикаторов. Все направляющие приспособления должны содержаться в чистоте и хорошо смазываться.

Управление турбиной

Клапаны, служащие для впуска пара в турбину переднего или заднего хода, называются маневровыми. Обычно устанавливают три клапана: переднего хода, заднего хода и блокирующий. Блокирующий клапан это разобщительный клапан на турбине заднего хода. Все клапаны имеют гидравлический привод с питанием от автономной гидравлической системы, имеющей свои основные и аварийные насосы. На случай выхода из строя системы дистанционного управления предусматривается система ручного управления.

При открытии маневрового клапана переднего хода пар поступает к главной сопловой коробке. С увеличением мощности при помощи системы дистанционного управления в определенном порядке открываются групповые клапаны. Для поддержания постоянной частоты вращения ротора на маневровом клапане переднего хода установлен регулятор.

При открытии маневрового клапана заднего хода пар подается к блокирующему запорному клапану, который открывается одновременно с маневровым. Затем пар проходит в турбину заднего хода.

Система защиты турбины

Эта система включает в себя устройства для предотвращения повреждения турбины от неисправностей в самой турбине и в связанных с ней системах и устройствах. К этим устройствам относятся соленоидный клапан и элементы систем турбины, обеспечивающие ее аварийную остановку. При срабатывании предохранительных устройств прекращается подача гидравлического масла к маневровому клапану, с помощью которого прерывается подача пара в турбину. Эти устройства срабатывают при наличии одного из следующих аварийных состояний: низкое давление в системе смазки; превышение частоты вращения ротора; низкий вакуум в конденсаторе; аварийная остановка; высокий уровень конденсата в конденсаторе; высокий или низкий уровень воды в Котле.

К другим неисправностям, которые могут быть обнаружены системой защиты и вызвать ее срабатывание, относятся: эксцентриситет ротора в турбине высокого или низкого давления или их вибрация; дифференциальное расширение в турбине высокого и низкого давления, т. е. различная степень расширения ротора и статора; износ упорных подшипников турбин высокого и низкого давления; включенное валоповоротное устройство (в этом случае исключается пуск турбины).

Эта «всевидящая» система защиты, как ее можно назвать, действует двояко. Если обнаруживается опасная тенденция, которая может привести к аварийной ситуации, то дается первичный сигнал тревоги. Это позволяет произвести ряд корректирующих действий, и ротор турбины не останавливается. Если корректирующие действия осуществляются медленно или если они не приносят желаемого результата, а аварийная обстановка резко ухудшается, подается вторичный сигнал тревоги, и тогда срабатывает система защиты и ротор турбины останавливается.

Используемая литература: «Основы судовой техники» Автор: Д.А. Тейлор

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Источник