Особенности крупных паровых турбин

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на железнодорожном транспорте»

Автор: Зыков А.П., доктор технических наук, доцент

Лекция №2. Теплосиловые установки и теплотехническое оборудование подвижного состава

ЭНЕРГЕТИКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА. НОРМИРОВАНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РЕСУРСОВ

Направление/специальность:_140100.62 Теплоэнергетика и теплотехника _________________

(код, наименование специальности /направления)

Профиль/специализация:Промышленная теплоэнергетика__ _____Квалификация (степень) выпускника: __бакалавр _________________ __ ____

Форма обучения: __заочная_________ ___________ ______

Москва

Содержание

Введение

1. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2. ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

Заключение

Литература

Введение

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и навыков но устройству, тепловому расчету и эксплуатации тепловых двигателей и установок железнодорожного транспорта.

Изучив дисциплину, студент должен знать принципы работы, конструктивное устройство и теплотехническую эффективность двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, компрессоров, теплосиловых установок подвижного состава, передвижных электростанций, теплотехнических устройств линейных предприятии, уметь выполнять расчеты, производить выбор тепловых двигателей и теплотехнических устройств и уметь выбирать рациональные методы их эксплуатации. Иметь представление о специфике теплоэнергетических устройств, о путях экономии энергоресурсов и тепловой энергии на железнодорожном транспорте.

Лекция содержит два вопроса. В каждом из них приводятся теоретические знания процессов и примеры применения на практике. Программой дисциплины предусматривается выполнение курсового проекта, для этого разработаны отдельные методические указания.

1. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатели внутреннего сгорания являются одним из самых распространенных типов тепловых двигателей. На железнодорожном транспорте широко используется тепловозная тяга Основным типом ДВС на тепловозе является дизель, который находит применение в а рефрижераторном подвижном составе, передвижных электростанциях и в других теплосиловых установках отрасли.

Тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. в. с. По сравнению с паромашинной установкой Д. в. с. принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность Д. в. с., меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).

В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности Д. в. с., предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого Д. в. с. на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого Д. в. с. становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с Д. в. с. Дальнейшее развитие автомобильных Д. в. с. позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с Д. в. с., начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 рус. инженеры установили Д. в. с. на судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.

По роду топлива Д. в. с. разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в Карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В Д. в. с. с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях (См. Дизель)) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного Д. в. с. совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. При 1-м такте — впуске поршень движется от верхней мёртвой точки (в. м. т.) к нижней мёртвой точке (н. м. т.). Впускной клапан при этом открыт (рис. 1) и горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр. В течение 2-го такта — сжатия, когда поршень движется от н. м. т. кв. м. т., впускной и выпускной клапаны закрыты и смесь сжимается до давления 0,8—2 Мн/м2 (8—20 кгс/см2). Температура смеси в конце сжатия составляет 200—400°C. В конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива. Сгорание имеет место при положении поршня, близком кв. м. т. В конце сгорания давление в цилиндре составляет 3—6 Мн/м2 (30—60 кгс/1см2), а температура 1600—2200°C. 3-й такт цикла — расширение называется рабочим ходом; в течение этого такта происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в механическую работу. 4-й такт — выпуск происходит при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы вытесняются поршнем.

Рабочий цикл 2- тактного карбюраторного Д. в. с. осуществляется за 2 хода поршня или за 1 оборот коленчатого вала (рис. 2). Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам 4-тактного Д. в. с. При прочих равных условиях 2-тактный двигатель должен быть в 2 раза более мощным, чем 4-тактный, т. к. рабочий ход в 2-тактном двигателе происходит в 2 раза чаще, однако на практике мощность 2-тактного карбюраторного Д. в. с. часто не только не превышает мощность 4-тактного с тем же диаметром цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20—35% ) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не производит работы; продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие воздуха в продувочном насосе; очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в 4-тактном Д. в. с.

Рабочий цикл карбюраторного Д. в. с. может быть осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000—7000 об/мин). Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более. Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на обеднённой смеси (18 : 1) или обогащенной смеси (12 : 1). Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания. Регулирование мощности карбюраторного Д. в. с. осуществляется изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют сравнительно небольшие габариты и массу [ 1—4 кг/квт ( 0,75—3 кг/л. с.)]. Применение низких степеней сжатия (См. Степень сжатия) обусловливает умеренные давления в конце сгорания, вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в дизелях. При увеличении диаметра цилиндра кароюраторного Д. в. с. возрастает склонность двигателя к детонации (См. Детонация), поэтому карбюраторные Д. в. с. не делают с большими диаметрами цилиндров (как правило, не более 150 мм). Примером карбюраторного Д. в. с. может служить двигатель ГАЗ-21 «Волга». Это 4-цилиндровый 4-тактный двигатель, развивающий мощность 55 квт (75 л. с.) при 4000 об/мин и степени сжатия 6,7. Удельный расход топлива на наиболее экономичном режиме составляет 290 г;(квт.ч).

Наибольшая мощность 4-тактного карбюраторного Д. в. с. 600 квт (800 л. с.). Мотоциклетные карбюраторные 2-тактные и 4-тактные Д. в. с. имеют мощность от 3,5 до 45 квт (от 5 до 60 л. с.). Авиационные поршневые двигатели с непосредственным впрыском бензина и искровым зажиганием развивают до 1100 квт (1500 л. с.) и более.

Карбюраторные Д. в. с. представляют собой сложный агрегат, включающий ряд узлов и систем.

Остов двигателя — группа неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей.

Механизм движения — группа движущихся деталей, воспринимающих давление газов в цилиндрах и преобразующих это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм движения включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик).

Механизм газораспределения служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов. Эти функции выполняют кулачковый (распределительный) вал, приводимый в движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла, открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами.

Система смазки — система агрегатов и каналов, подводящих смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне, подаётся насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный канал в блок-картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в подшипниках вращающихся деталей. Часть масла отводится по параллельным каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон.

Система охлаждения может быть жидкостной и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. п.), насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах).

Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра, трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы.

Система зажигания служит для образования в камере сгорания искры, воспламеняюшей рабочую смесь. В систему зажигания входят источники тока — генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. В систему включается распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение (12—20 кв). В то время, когда Д. в. с. не имели электрического зажигания, применялись запальные калоризаторы.

Система пуска состоит из электрического стартёра, шестерён передачи от стартёра к маховику, источника тока (аккумулятора) и элементов дистанционного управления. В функции системы входит вращение вала двигателя для пуска.

Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов, воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске.

Газовые Д. в. с. работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Кроме того, могут быть использованы: газ, генерируемый в результате неполного сгорания твёрдого топлива, металлургические газы, канализационные газы и пр. Применяются как 4-тактные, так и 2-тактныс газовые Д. в. с. По принципу смесеобразования и воспламенения газовые двигатели разделяются на: Д. в. с. с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, в которых рабочий процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя; Д. в. с. с внешним смесеобразованием и зажиганием струей жидкого топлива, воспламеняющегося от сжатия; Д. в. с. с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (см. Газобаллонный автомобиль).

Экономичность работы Д. в. с. характеризуется эффективным кпд, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного на получение этой работы. Максимальный эффективный кпд наиболее совершенных Д. в. с. около 44%.

Основным преимуществом Д. в. с., так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей (См. Реактивный двигатель)), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Д. в. с., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Д. в. с. на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).

Совершенствование Д. в. с. идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций (см., например, Ванкеля двигатель). Можно наметить также такие тенденции в развитии Д. в. с., как постепенное замещение карбюраторных Д. в. с. дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей (См. Многотопливный двигатель), увеличение частоты вращения и др.

Лит.: Двигатели внутреннего сгорания, т. 1—3, М.. 1957—62; Двигатели внутреннего сгорания, М., 1968.

Д. Н. Вырубов, В. П. Алексеев.

Рис. 1. Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного двигателя.

Рис. 2. Схема работы 2-тактного карбюраторного Д. в. с. с кривошипно-камерной продувкой: вверху — сжатие и наполнение кривошипной камеры; внизу — продувка и выпуск; 1 — свеча зажигания; 2 — поршень; 3 — продувочное окно; 4 — выпускное окно; 5 — кривошипная камера; 6 — карбюратор; 7 — впускное окно; 8 — головка цилиндра; 9 — цилиндр.

Контрольные вопросы

1. Особенности работы карбюраторного двигателя.

2. Особенности работы дизеля.

3. Влияние степени сжатая на термический КПД цикла.

4. Представьте теоретический цикл дизеля в системе координат РV.

5. Представьте цикл продолженного расширения в системе координат РV.

6. Покажите диаграмму фаз газораспределения 4-х тактного ДВС.

7. Что влияет на теплоту сгорания дизельного топлива.

8. Что называют средним индикаторным давлением цикла.

9. Перечислите факторы, влияющие на мощность дизеля.

10. Опишите принцип газотурбинного наддува в современном дизеле.

Литература

1. Симсон А.Э. и др. Тепловые двигатели внутреннего сгорания. Транспорт, М. -1987,256с.

2. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. Транспорт, М. - 1987, 256с.

2. ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

Паровые турбины являются самым распространенным типом теплового двигателя для привода электрогенераторов на электростанциях и теплоэлектроцентралях. Паросиловые установки с паровыми турбинами находят применение на передвижных электростанциях и других теплосиловых устройствах предприятий железнодорожного транспорта. Газовые турбины являются составной частью современных комбинированных двигателей. Для покрытия пиковой части графика электрической нагрузки могут использоваться газовые турбины различной мощности. Парогазотурбинные установки позволяют повысить их экономичность и в перспективе могут занять свое место в теплосиловом хозяйстве отрасли.

История развития паровых турбин

Представим себе закрытый металлический сосуд (котел), частично заполненный водой. Если под ним зажечь огонь, то вода начнет нагреваться, а затем закипит, превращаясь в пар. Давление внутри котла будет повышаться, и если стенки его недостаточно прочны, он может даже взорваться. Это показывает, что в паре накопился запас энергии, который, наконец, проявил себя взрывом. Нельзя ли заставить пар совершать какую-либо полезную работу? Этот вопрос уже очень давно занимал ученых. История науки и техники знает много интересных изобретений, в которых человек стремился использовать энергию пара. Некоторые из этих изобретений были полезными, другие были просто хитроумными игрушками, но, по крайней мере, два изобретения надо назвать великими; они характеризуют целые эпохи в развитии науки и техники. Эти великие изобретения - паровая машина и паровая турбина. Паровая машина, получившая промышленное применение во второй половине XVIII в., совершила переворот в технике. Она быстро стала главным двигателем, применяемым в промышленности и на транспорте. Но в конце XIX и начале XX вв. достижимая мощность и быстроходность паровой машины уже стали недостаточными.

Назрела необходимость в строительстве крупных электрических станций, для которых был нужен мощный и быстроходный двигатель. Таким двигателем стала паровая турбина, которая может быть построена на огромные мощности при высоком числе оборотов. Паровая турбина быстро вытеснила паровую машину с электрических станций и крупных пароходов.

История создания и совершенствования паровой турбины, как и всякого крупного изобретения, связана с именами многих людей. Более того, как обычно бывает, основной принцип действия турбины был известен задолго до того, как уровень науки и техники позволил построить турбину.

Принцип действия паровой машины заключается в использовании упругих свойств пара. Пар периодически поступает в цилиндр и, расширяясь, совершает работу, перемещая поршень. Принцип действия паровой турбины иной. Здесь пар расширяется, и потенциальная энергия, накопленная в котле, переходит в скоростную (кинетическую) энергию. В свою очередь кинетическая энергия струи пара превращается в механическую энергию вращения колеса турбины.

Историю развития турбины начинают с шара Герона Александрийского и колеса Бранка. Возможность использования энергии пара для получения механического движения была отмечена известным греческим ученым Героном Александрийским более 2000 лет назад. Им был построен прибор, названный шаром Герона (рис. 1).

Шар мог свободно вращаться в двух опорах, изготовленных из трубок. По этим опорам пар из котла поступал в шар и далее выходил в атмосферу по двум изогнутым под прямым углом трубкам. Шар вращался под действием реактивных сил, возникающих при истечении струй пара.

Другой проект описан в сочинении итальянского ученого Джиовани Бранка (1629 г.). В верхнюю часть котла вставлена трубка (рис. 2).

Так как давление пара внутри котла больше, чем атмосферное давление воздуха вокруг котла, то пар устремляется по трубке наружу.

Из свободного конца трубки бьет струя пара и, попадая на лопасти колеса, заставляет его вращаться.

Модель Герона и колесо Бранка не являлись двигателями, но они уже указывали возможные пути получения механического движения за счет энергии движущего пара.

В принципах действия шара Герона и колеса Бранка есть различие. Шар Герона, как уже было сказано, вращается под действием реактивных сил. Это те же силы, которые толкают ракету. Из механики известно, что струя, выталкиваемая из сосуда под действием давления, со своей стороны давит на сосуд в направлении, противоположном направлению истечения. Это очевидно на основании третьего закона Ньютона, по которому сила, выталкивающая струю, должна быть равна и противоположна по направлению силе реакции струи на сосуд.

В турбинке Бранка потенциальная энергия пара сначала переходит в кинетическую энергию струи, бьющей из трубки. Затем при ударе струи в лопасти колеса часть кинетической энергии пара переходит в механическую энергию вращения колеса.

Если шар Герона движется реактивными силами, то в турбинке Бранка используется так называемый активный принцип, так как колесо черпает энергию из активной струи.

Наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и дальнейшем ее развитии наметился в конце позапрошлого столетия, когда в Швеции инж. Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины. Достигнутые ими результаты позволили паровой турбине со временем стать основным типом двигателя для привода генераторов электрического тока и получить широкое применение в качестве двигателя для гражданских и военных кораблей. В паровой турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступает в одно или несколько параллельно включенных сопел, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины, и образующие решетку рабочих каналов.

Усилия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки, вращают диск и связанный с ним вал турбины. Отличительной особенностью этой турбины является то, что расширение пара в соплах от начального до конечного давления происходит в одной ступени, что обусловливает очень высокие скорости потока пара. Преобразование кинетической энергии пара в механическую происходит без дальнейшего расширения пара лишь вследствие изменения направления потока в лопаточных каналах.

Турбины, построенные по этому принципу, т.е. турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, получили название активных турбин.

При разработке активных одноступенчатых турбин был решен ряд сложных вопросов, что имело чрезвычайно большое значение для дальнейшего развития паровых турбин. Были применены расширяющиеся сопла, которые допускают большую степень расширения пара и позволяют достигнуть высоких скоростей истечения парового потока (1200-1500 м/сек). Для лучшего использования больших скоростей потока пара Лаваль разработал конструкцию диска равного сопротивления, допускавшего работу с большими окружными скоростями (350 м/сек). Наконец, в одноступенчатой активной турбине были применены такие высокие числа оборотов (до 32 000 об/мин), которые намного превышали числа оборотов распространенных в то время двигателей. Это привело к изобретению гибкого вала, частота свободных колебаний которого меньше частоты возмущающих усилий при рабочем числе оборотов.

Несмотря на ряд новых конструктивных решений, использованных в одноступенчатых активных турбинах, экономичность их была невысока. Кроме того, необходимость применения редукторной передачи для снижения числа оборотов ведущего вала до уровня числа оборотов приводимой машины также тормозила в то время развитие одноступенчатых турбин и в особенности увеличение их мощности. Поэтому турбины Лаваля, получив вначале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место другим типам турбин.

Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, принципиально отличается от турбины Лаваля. Расширение пара в ней производится не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных направляющих аппаратов (сопловых решеток) и вращающихся лопаток.

Направляющие лопатки закреплены в неподвижном корпусе турбины, рабочие лопатки располагаются рядами на барабане. В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между давлением свежего пара и давлением пара, покидающего турбину. Таким образом, оказалось возможным работать с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток, чем в турбине Лаваля. Кроме того, расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит не только в сопловой, но и в рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия, вызванные не только изменением направления потока пара, но и ускорением пара в пределах рабочей решетки, вызывающим реактивное усилие на рабочие лопатки турбины.

Ступени турбины, в которых применяется расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока в каналах рабочих лопаток, получили название реактивных ступеней. Таким образом, показанная на рис. 4 турбина явилась типичным представителем многоступенчатых реактивных паровых турбин.

Принцип последовательного включения ступеней, в каждой из которых используется лишь часть располагаемого теплового перепада, оказался очень плодотворным для последующего развития паровых турбин. Он позволил достигнуть в турбине высокой экономичности при умеренных числах оборотов ротора турбины, допускающих непосредственное соединение вала турбины с валом генератора электрического тока. Этот же принцип дал возможность выполнять турбины очень большой мощности, достигающей нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт в одном агрегате.

Многоступенчатые реактивные турбины в настоящее время имеют широкое распространение, как в стационарных установках, так и во флоте.

Развитие активных паровых турбин пошло также по пути последовательного расширения пара не в одной, а в ряде ступеней, расположенных друг за другом. В этих турбинах ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками, получившими название диафрагм, в которых расположены неподвижные сопловые решетки. В каждой из построенных таким образом ступеней происходит расширение пара в пределах части общего располагаемого теплопадения. В рабочих решеткам происходит лишь преобразование кинетической энергии парового потока без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, они применяются также в качестве судовых двигателей.

Наряду с турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины (аксиальными), были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем.

Рис. Схематический чертеж радиальной турбины Юнгстрем:

1,2 - диски турбины; 3 - паропроводы свежего пара; 4, 5 - валы турбины; 6, 7 - лопатки промежуточных ступеней

На боковых поверхностях дисков 1 и 2 кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам 3 и далее через отверстия в дисках 1 и 2 направляется к центральной камере. Отсюда он течет к периферии через каналы лопаток 6 и 7, укрепленных на обоих дисках. В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных сопловых решеток или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться валами 4 и 5. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину очень компактной и экономичной.

С начала 90-х годов развитие паровых турбин идет исключительно быстрым темпом. Это развитие в значительной степени определилось таким же быстрым параллельным развитием электрических машин и широким внедрением электрической энергии в промышленность. Экономичность паровой турбины и мощность ее в одном агрегате достигли высоких значений. По своей мощности турбины далеко превзошли мощности всех без исключения других типов двигателей. Имеются турбины мощностью 500 МВт, связанные с генератором электрического тока, причем доказана возможность выполнения еще более мощных агрегатов, по крайней мере до 1000 МВт.

В развитии парового турбостроения можно отметить несколько этапов, которые сказались на конструктивном выполнении турбин, построенных в различные периоды времени.

В период до империалистической войны 1914 г. уровень знаний в области работы металлов при высоких температурах был недостаточен для применения пара высоких давлений и температуры. Поэтому до 1914 г. паровые турбины строились преимущественно для работы паром умеренного давления (12 - 16 бар), с температурой до 350 °С.

В отношении повышения мощности единичного агрегата уже в начальный период развития паровых турбин были достигнуты большие успехи.

В 1915 г. мощность отдельных турбин достигала уже 20 МВт. В послевоенный период, начиная с 1918-1919 гг., продолжает сохраняться тенденция к повышению мощности. Однако в дальнейшем конструкторами турбин преследовалась задача повышения не только мощности агрегата, но и числа оборотов турбин большой мощности при выполнении их с одним генератором электрического тока.

Наиболее мощной быстроходной турбиной в мире в свое время (1937 г.) была турбина Ленинградского металлического завода, построенная на 100 МВт при 3000 об/мин.

В период до империалистической войны 1914 г. турбостроительные заводы в большинстве случаев выпускали турбины с ограниченным числом ступеней, размещенных в одном корпусе турбины. Это позволило выполнять турбину очень компактными и относительно дешевыми. После войны 1914 г. напряженность в топливоснабжении, которую испытывало большинство стран, потребовала всемерного повышения экономичности турбинных агрегатов.

Было установлено, что максимального КПД турбины можно достигнуть, применяя малые тепловые перепады в каждой ступени турбины и соответственно строя турбины с большим числом ступеней. В связи с этой тенденцией возникли конструкции турбин, которые даже при умеренных параметрах свежего пара имели чрезвычайно большое число ступеней, достигающее 50 - 60.

Большое число ступеней приводило к необходимости создавать турбины с несколькими корпусами даже в том случае, когда турбина соединялась с одним электрическим генератором.

Таким образом, стали распространяться двух- и трехкорпусные турбины, которые, отличаясь высокой экономичностью, были очень дорогими и громоздкими.

В последующем развитии турбостроения в этом вопросе также наметилось известное отступление в сторону упрощения конструкции турбины и сокращения числа ее ступеней. Турбины мощностью до 50 МВт при 3000 об/мин довольно долго строились только двухкорпусными. Новейшие конденсационные турбины такой мощности, выпускаемые передовыми заводами, строятся однокорпусными.

Одновременно с конструктивными усовершенствованиями турбин умеренного давления (в 20 - 30 бар) в период с 1920 по 1940 г. стали распространяться более экономичные установки высокого давления, достигающего 120 - 170 бар.

Применение пара высоких параметров, существенно повышающее экономичность турбинной установки, потребовало новых решений в области конструирования паровых турбин. Значительные успехи были достигнуты в деле применения легированных сталей, имеющих достаточно высокий предел текучести и малые скорости ползучести при температурах 500 - 550° С.

Наряду с развитием конденсационных турбин уже в начале этого столетия начинают применяться установки для комбинированной выработки электрической энергии и тепла, которые потребовали построения турбин с противодавлением и промежуточным отбором пара. Первая турбина с регулированием постоянства давления отбираемого пара была построена в 1907 г.

Условия капиталистического хозяйства препятствуют, однако, использованию всех преимуществ комбинированной выработки тепла и электрической энергии. В самом деле, емкость теплового потребления за границей в большинстве случаев ограничивается потреблением предприятия, на котором устанавливается турбина. Поэтому турбины, допускающие использование тепла отработавшего пара, за границей чаще всего строятся на небольшие мощности (до 10 - 12 МВт) и рассчитываются на обеспечение теплом и электрической энергией лишь индивидуального промышленного предприятия. Характерно, что наиболее крупные (25 МВт, а затем 50 и 100 МВт) турбины с отбором пара были построены в Советском Союзе, так как плановое развитие народного хозяйства создает благоприятные условия для комбинированной выработки тепла и электрической энергии.

В послевоенный период во всех технически развитых европейских странах, а также в США наблюдается все ускоряющееся развитие энергетики, которое приводит ко все большему росту мощности энергетических агрегатов. Одновременно сохраняется тенденция применения все более высоких начальных параметров пара.

Конденсационные одновальные турбины достигают мощности 500 - 800 МВт, а при двухвальном исполнении уже построены установки мощностью 1000 МВт.

По мере увеличения мощностей целесообразным являлось и повышение начальных параметров пара, которые последовательно выбирались на уровне 90, 130, 170, 250 и, наконец, 350 бар, при этом повышались также и начальные температуры, которые составили 500, 535, 565, 590, а в отдельных случаях до 650° С. Следует иметь в виду, что при температурах, превышающих 565° С, приходится применять очень дорогие и менее изученные стали аустенитного класса. Это привело к тому, что в последнее время наблюдается тенденция к некоторому отступлению в область температур, исключающих необходимость использования аустенитных сталей, т.е. температур на уровне 540° С.

Большое значение для развития турбин малой мощности и, в особенности для развития судовых паровых турбин имели успехи, достигнутые в 1915-1920 гг. в области построения редукторов. До этого времени судовые турбины выполнялись на число оборотов, равное числу оборотов гребных винтов, т.е. 300 - 500 об/мин, что снижало экономичность установки и приводило к большим габаритам и весам турбин.

С того времени, когда в работе зубчатых редукторов были достигнуты полная надежность и высокая экономичность, судовые турбины снабжаются редукторными приводами и выполняются на повышенное число оборотов, которое соответствует наивыгоднейшим условиям работы турбины.

Для стационарных турбин малой мощности также оказалось целесообразным применение редукторной передачи между турбиной и генератором. Наибольшее число оборотов, возможное при непосредственном соединении валов турбины и генератора 50-периодного переменного тока, составляет 3000 об/мин. При мощностях ниже 2,5 МВт это число оборотов невыгодно для конденсационной турбины. С развитием редукторостроения оказалось возможным выполнять турбины на более высокие числа оборотов (5000-10000 обIмин), что позволило повысить экономичность турбин небольшой мощности, а главное уменьшить их размеры и упростить конструкцию.

Типовая конструкция современной паровой турбины

При проектировании паровой турбины учитывают ряд предъявляемых к ней требований:

- надежность и безаварийность работы;

- высокая тепловая экономичность;

- высокая равномерность вращения и быстроходность, допускающая использование быстроходных электрогенераторов с возможностью их непосредственного соединения с валом двигателя;

- возможность получения в двигате