Парові турбіни як основний двигун на теплових електростанціях
«Парові турбіни як основний двигун на теплових електростанціях»
Історія розвитку парових турбін
Уявімо закритий металевий посуд (котел), частково заповнений водою. Якщо під ним запалити вогонь, вода почне нагріватися, а потім закипить, перетворюючись на пару. Тиск усередині котла підвищуватиметься, і якщо стінки його недостатньо міцні, він може навіть вибухнути. Це показує, що в парі накопичився запас енергії, який нарешті виявив себе вибухом. Чи не можна змусити пару виконувати будь-яку корисну роботу? Це питання вже дуже давно займало вчених. Історія науки і техніки знає багато цікавих винаходів, у яких людина прагнула використати енергію пари. Деякі з цих винаходів були корисними, інші були просто хитромудрими іграшками, але принаймні два винаходи треба назвати великими; вони характеризують цілі епохи у розвитку науки та техніки. Ці великі винаходи – парова машина та парова турбіна. Парова машина, що отримала промислове застосування у другій половині XVIII ст., Здійснила переворот у техніці. Вона швидко стала головним двигуном, що застосовується в промисловості та на транспорті. Але наприкінці XIX та на початку XX ст. потужність і швидкохідність парової машини вже стали недостатніми.
Назріла необхідність у будівництві великих електричних станцій, для яких був потрібний потужний та швидкохідний двигун. Таким двигуном стала парова турбіна, яка може бути побудована на величезні потужності за високої кількості обертів. Парова турбіна швидко витіснила парову машину з електричних станцій та великих пароплавів.
Історія створення та вдосконалення парової турбіни, як івсякого великого винаходу пов'язана з іменами багатьох людей. Більше того, як зазвичай буває, основний принцип дії турбіни був відомий задовго до того, як рівень науки та техніки дозволив побудувати турбіну.
Принцип дії парової машини полягає у використанні пружних властивостей пари. Пара періодично надходить у циліндр і, розширюючись, робить роботу, переміщуючи поршень. Принцип дії парової турбіни інший. Тут пара розширюється, і потенційна енергія, накопичена в казані, перетворюється на швидкісну (кінетичну) енергію. У свою чергу кінетична енергія струменя пари перетворюється на механічну енергію обертання колеса турбіни.
Історію розвитку турбіни починають із кулі Герона Олександрійського та колеса Бранка. Можливість використання енергії пари для отримання механічного руху була відзначена відомим грецьким вченим Героном Олександрійським понад 2000 років тому. Ним було побудовано прилад, названий кулею Герона (рис. 1).
Куля могла вільно обертатися в двох опорах, виготовлених з трубок. За цими опорами пара з котла надходила в кулю і далі виходила в атмосферу по двох зігнутих під прямим кутом трубках. Куля оберталася під дією реактивних сил, що виникають при закінченні струменів пари.
Інший проект описаний у творі італійського вченого Джіованні Бранка (1629 р.). У верхню частину котла вставлено трубку (рис. 2).
Так як тиск пари всередині котла більший, ніж атмосферний тиск повітря навколо котла, то пара спрямовується по трубці назовні.
З вільного кінця трубки б'є струмінь пари і, потрапляючи на лопаті колеса, змушує її обертатися.
Модель Герона і колесо Бранка не були двигунами, але вони вже вказували на можливі шляхи отримання механічного руху за рахунок енергії рушійної пари.
У принципахдії кулі Герона та колеса Бранка є відмінність. Куля Герона, як було зазначено, обертається під впливом реактивних сил. Це ті самі сили, які штовхають ракету. З механіки відомо, що струмінь, що виштовхується з судини під дією тиску, зі свого боку тисне на судину у напрямку, протилежному до напряму закінчення. Це очевидно на підставі третього закону Ньютона, за яким сила, що виштовхує струмінь, повинна дорівнювати і протилежна у напрямку силі реакції струменя на судину.
У турбінці Бранка потенційна енергія пари спочатку переходить у кінетичну енергію струменя, що б'є з трубки. Потім при ударі струменя в лопаті колеса частина кінетичної енергії пара перетворюється на механічну енергію обертання колеса.
Якщо куля Герона рухається реактивними силами, то в турбінці Бранка використовується так званий активний принцип, оскільки колесо черпає енергію з активного струменя.
Найбільше зрушення у конструктивному оформленні парової турбіни та її подальшому розвитку намітився наприкінці позаминулого століття, як у Швеції інж. Густав Лаваль і в Англії Чарльз Парсонс незалежно один від одного почали працювати над створенням та удосконаленням парової турбіни. Досягнуті ними результати дозволили паровій турбіні з часом стати основним типом двигуна для приводу генераторів електричного струму та отримати широке застосування як двигун для цивільних та військових кораблів. У парової турбіні Лаваля, створеної в 1883 р., пар надходить в одне або кілька паралельно включених сопел, набуває в них значну швидкість і прямує на робочі лопатки, розташовані на обід диска, що сидить на валу турбіни, і утворюють ґрати робочих каналів.
Зусилля, викликані поворотом струменя пари в каналах робочої решітки, обертають диск іпов'язаний із ним вал турбіни. Відмінною особливістю цієї турбіни є те, що розширення пари в соплах від початкового до кінцевого тиску відбувається в одному ступені, що зумовлює дуже високі швидкості потоку пари. Перетворення кінетичної енергії пари на механічну відбувається без подальшого розширення пари лише внаслідок зміни напрямку потоку в лопаткових каналах.
Турбіни, побудовані з цього принципу, тобто. турбіни, у яких весь процес розширення пари та пов'язаного з ним прискорення парового потоку відбувається в нерухомих соплах, отримали назву активних турбін.
При розробці активних одноступеневих турбін було вирішено низку складних питань, що мало надзвичайно велике значення для подальшого розвитку парових турбін. Були застосовані сопла, що розширюються, що допускають великий ступінь розширення пари і дозволяють досягти високих швидкостей закінчення парового потоку (1200-1500 м/сек). Для кращого використання великих швидкостей потоку пари Лаваль розробив конструкцію диска рівного опору, що допускав роботу з великими окружними швидкостями (350 м/с). Нарешті, в одноступінчастій активній турбіні були застосовані такі високі числа оборотів (до 32 000 об/хв), які набагато перевищували оборотів поширених на той час двигунів. Це призвело до винаходу гнучкого валу, частота вільних коливань якого менше частоти зусиль, що обурюють при робочому числі оборотів.
Незважаючи на низку нових конструктивних рішень, використаних в одноступінчастих активних турбінах, економічність їхня була невисока. Крім того, необхідність застосування редукторної передачі для зниження числа обертів ведучого валу до рівня числа обертів машини, що наводиться, також гальмувала в той час розвиток одноступінчастих турбін і вособливості збільшення їхньої потужності. Тому турбіни Лаваля, отримавши на початку розвитку турбобудування значне поширення як агрегати невеликої потужності (до 500 кВт), надалі поступилися місцем іншим типам турбін.
Парова турбіна, запропонована в 1884 Парсонсом, принципово відрізняється від турбіни Лаваля. Розширення пари в ній проводиться не в одній сопловій групі, а в ряді наступних один за одним ступенів, кожна з яких складається з нерухомих напрямних апаратів (соплових решіток) і лопаток, що обертаються.
Напрямні лопатки закріплені у нерухомому корпусі турбіни, робочі лопатки розташовуються рядами на барабані. У кожному ступені такої турбіни спрацьовується перепад тиску, що становить лише невелику частку повного перепаду між тиском свіжої пари і тиском пари, що залишає турбіну. Таким чином, виявилося можливим працювати з невеликими швидкостями парового потоку в кожному ступені та з меншими окружними швидкостями робочих лопаток, ніж у турбіні Лаваля. Крім того, розширення пари в щаблях турбіни Парсонса відбувається не тільки в сопловій, а й у робочих ґратах. Тому на робочі лопатки передаються зусилля, викликані як зміною напрями потоку пари, а й прискоренням пари у межах робочої ґрати, що викликає реактивне зусилля на робочі лопатки турбіни.
Щаблі турбіни, в яких застосовується розширення пари і пов'язане з ним прискорення парового потоку в каналах робочих лопаток, отримали назву реактивних щаблів. Таким чином, показана на рис. 4 турбіна стала типовим представником багатоступеневих реактивних парових турбін.
Принцип послідовного включення ступенів, у кожному з яких використовується лише частина теплового перепаду, що розташовується, виявився дуже пліднимдля подальшого розвитку парових турбін. Він дозволив досягти у турбіні високої економічності при помірних числах оборотів ротора турбіни, що допускають безпосереднє з'єднання валу турбіни з валом генератора електричного струму. Цей же принцип дав можливість виконувати турбіни дуже великої потужності, що сягає кількох десятків і навіть сотень тисяч кіловат в одному агрегаті.
Багатоступінчасті реактивні турбіни в даний час мають широке поширення, як у стаціонарних установках, так і у флоті.
Розвиток активних парових турбін пішло також шляхом послідовного розширення пари не в одній, а в ряді ступенів, розташованих один за одним. У цих турбінах ряд дисків, укріплених на загальному валу, розділений перегородками, що дістали назву діафрагм, в яких розташовані нерухомі соплові ґрати. У кожній з побудованих таким чином ступенів відбувається розширення пари в межах частини загального теплопадіння. У робочих ґратах відбувається лише перетворення кінетичної енергії парового потоку без додаткового розширення пари в каналах робочих лопаток. Активні багатоступінчасті турбіни набули широкого поширення в стаціонарних установках, вони застосовуються також як суднові двигуни.