Паровые турбины. Том 1. Моторин А.В. 2004 г
Министерство образования и науки Российской Федерации
Алтайский государственный технический университет им.И.И. Ползунова
Кафедра котло- и реакторостроения
А.В. Моторин, И.В. Распопов, И.Д. Фурсов
ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
Том I
Учебное пособие
Изд-воАлтГТУ Барнаул 2004
УДК 621.165 (075.8)
Моторин А.В. Паровые турбины: Учебное пособие: в 2-хт. Т.1/ Моторин А.В., Распопов И.В., Фурсов И.Д.; Алт. гос. техн.ун-тим. И.И. Ползунова.- Барнаул:Изд-воАлтГТУ, 2004.- 127 с.
Пособие содержит основные понятия и определения, описание процессов, происходящих в паровой турбине, краткое описание конструкций паровых турбин и возможные неполадки в работе.
Предназначено для студентов энергомашиностроительных и теплоэнергетических специальностей вузов.
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры котло- и реакторостроения.
Протокол № 2 от 28.09.04 г.
Рецензенты:
Г.Н. Лихачева – к.т.н., доц.АлтГТУ; В.И. Симанов – гл.конструктор ЗАО «Сибтепломонтаж»
ISBN 5-7568-0417-Х
© Моторин А.В., Распопов И.В., Фурсов И.Д. 2004 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Том I
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Этапы развития турбостроения . . . . . . . . . . . 5
1.1История создания паровой турбины . . . . 5
1.2Одноступенчатые активные турбины . . . 5
1.3Реактивные турбины . . . . . . . . . . . . . 8
1.4Многоступенчатые активные турбины . . . 10
1.5Радиальные турбины . . . . . . . . . . . . .16
1.6Краткие сведения о развитии
турбостроения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7Классификация паровых турбин . . . . . . 20
1.8Маркировка паровых турбин . . . . . . . . 25
1.9Понятие о паротурбинной установке . . . . 28 2 Рабочий процесс в паровой турбине . . . . . . . . 31
2.1Изменение состояния водяного пара . . . 31
2.2Тепловой процесс в ступени паровой турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3Классификация потерь в турбинах . . . . 48
2.4Тепловой процесс в паровой турбине
на h-sдиаграмме . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5Коэффициент полезного действия паровой турбины . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Устройство паровой турбины . . . . . . . . . . . 71
3.1Требования к устройству паровой турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2Материалы деталей турбин . . . . . . . . 71
3.3Основные элементы (детали) паровой турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4Конденсационные устройства паровых
турбин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 121 |
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 126 |
ВВЕДЕНИЕ
Паровая турбина (ПТ) – это машина-двигатель,в которой потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения вала.
Вал турбины непосредственно или посредством зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной.
В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности – на электростанциях, для привода воздуходувок в металлургии, компрессоров, насосов, на водном и железнодорожном транспорте.
Устанавливаемые на электрических станциях генераторы электрического тока в подавляющем большинстве имеют привод от турбин.
Паровая турбина является основным типом двигателя на современных тепловых и атомных электростанциях, на которых вырабатывается 85-90% электроэнергии, производимой в мире.
Обладая большой быстроходностью (как правило, 3000 об/мин), сравнительно малыми размерами и массой, паровая турбина может быть изготовлена на очень большую мощность – свыше миллиона киловатт в одном агрегате при достаточно высокой экономичности.
1ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ТУРБОСТРОЕНИЯ
1.1История создания паровой турбины
Создание паровой турбины, как и всякое крупное изобретение, нельзя приписать творчеству отдельного лица. Идея паровой турбины имеет давнее происхождение. Известно, что около 120 лет до н.э. Герон – старший из Александрии описал прототип реактивной паровой турбины. В 1629 г. итальянский инженер Бранка дал описание активной турбины.
В1806 – 1813 гг. на Сузунском заводе Алтая русский изобретатель Поликарп Залесов сооружал модели паровых турбин. В 30-хгодах XIX в. нижнетагильские механики строили паровые турбины, не получившие, однако, промышленного применения.
Втечение XIX в. различными изобретателями, в т.ч. и Ползуновым И.И., было выдвинуто много предложений для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием скоростного напора струи пара.
Наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и ее развитии наметился в конце XIX в., когда в Швеции Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины.
1.2 Одноступенчатые активные турбины
В турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступает в одно или несколько сопл, приобретатет в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины. Уси-
5
лия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки (пространстве между рабочими лопатками), вращают диск и связанный с ним вал турбины.
Схематический разрез одноступенчатой паровой турбины изображен на рисунке 1.1. Простейшая одноступен-
чатая активная паровая турбина состоит из корпуса 5, в котором расположены сопла4 и ротор (вал1 с дисками2).
На ободе диска 2 расположены рабочие лопатки3. Вал опирается на подшипники. Сопла, обеспечивающие направление пара на рабочие лопатки (с диском), образуют с ними ступень. Отличительной особенностью этой турбины
является то, что расширение пара от начального Р0 до ко-
нечного Р2 = Р1 происходит в одной ступени. Понижение давления пара в сопловых каналах сопро-
вождается уменьшением его энтальпии; в соплах срабатывается перепад тепла, который затрачивается на получение кинетической энергии паровой струи.
В процессе расширения скорость пара в соплах возрастает от С0 доС1 за соплами.
В каналах рабочих лопаток абсолютная скорость пара снижается от С1 доС2. От воздействия струи пара на рабочие лопатки часть его кинетической энергии превращается в механическую энергию вращения ротора.
Турбины, построенные по этому принципу, т.е. турбины, в которых весь процесс расширения и ускорения пара идет только в неподвижных каналах (соплах), а на рабочих лопатках происходит превращение кинетической энергии в механическую работу без дополнительного расширения струи пара, называют активными.
1 – вал;2 – диск;3 – рабочие лопатки;4 – сопло;5 – корпус;6 – выпускной патрубок.
Рисунок 1.1 – Разрез одноступенчатой активной турбины.
При разработке активных одноступенчатых турбин был решен ряд сложных вопросов: разработаны и применены расширяющиеся сопла, позволившие достигнуть высоких скоростей истечения парового потока; применен
7
диск равного сопротивления, допускающий работу с большими окружными скоростями, порядка 350 м/с.
Кроме того, эксплуатация одноступенчатых турбин, имеющих скорость вращения до 30 – 40 тыс. об/мин, потребовала и привела к разработке и применению гибкого вала, частота свободных колебаний которого меньше частоты возмущающих усилий при работе турбины
(nкр< nраб).
Однако, экономичность этих турбин была невысока, мощность не превышала 500 – 800 кВт. К тому же, для снижения частоты вращения ведущего вала до уровня частоты вращения приводимой машины требовалась редукторная передача. Все это тормозило увеличение их мощности и развитие одноступенчатых турбин. Поэтому, получив широкое распространение в начальный период развития турбостроения, одноступенчатые активные паровые турбины уступили место другим турбинам, в частности, многоступенчатым.
1.3 Реактивные турбины
Паровая турбина, предложенная английским инженером Парсонсом, существенно отличается от турбины Лаваля. Расширение пара в ней происходит не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных сопловых и вращающихся рабочих лопаток (рисунок 1.2).
Сопловые лопатки закреплены в неподвижном корпусе турбины, рабочие лопатки располагаются на барабане ротора. Два смежных ряда лопаток, закрепленных соответственно в корпусе и на барабане, образуют ступень.
1 – барабан ротора;2 и3 – рабочие лопатки;4 и5 – направляющие лопатки;6 – корпус;7 – кольцевая камера подвода свежего пара;8 – разгрузочный
поршень; 9 – соединительный паропровод;10 – выпускной патрубок.
Рисунок 1.2 – Схематический разрез реактивной турбины небольшой мощности.
Пар, покидающий последний ряд подвижных лопаток, называется отработавшим.
Кривая Ро – Р2 на рисунке 1.2 показывает изменение давления пара, а пунктирная ломаная линия характеризует изменение абсолютной скорости пара по ступеням турби-
9
ны. Верхняя кривая изображает изменение энтальпии пара по ступеням турбины.
В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между начальным давлением и давлением пара, покидающего турбину.
Таким образом, оказалось возможным работать с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими, чем в турбине Лаваля, окружными скоростями рабочих лопаток.
Расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит как в сопловой, так и рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия не только вследствие изменения направления потока пара, но и благодаря ускорению пара в пределах рабочей решетки, вызывающему реактивное усилие.
Ступени турбины, в которых расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока происходят примерно одинаково в каналах сопловых и рабочих лопаток, получили название реактивных ступеней, а состоящая из них турбина является типичным представителем многоступенчатых реактивных паровых турбин.
1.4 Многоступенчатые активные турбины
Принцип последовательного включения ступеней, в каждой из которых используется часть располагаемого теплового перепада оказался плодотворным для последующего развития паровых турбин и позволил достигнуть высокой экономичности их при умеренной частоте вращения ротора, допускающей непосредственное соединение вала турбины с ротором электрического генератора посредством соединительной муфты. Этот принцип дал возмож-
studfiles.net
Паровые турбины (учебное пособие) – Книги – документы – Каталог файлов
 | Занин А. И., Соколов В. С. Паровые турбины: Учеб. пособие для СПТУ.— М.: Высш. шк., 1988.—208 е.: В книге приведены термодинамические и газодинамические основы работы паровых турбин и паротурбинных установок, Описаны принципы действия, схемы и конструкции турбинных ступеней и многоступенчатых турбин, переменные режимы их работы, конденсационные установки, системы маслоснабжения и регулирования. Рассмотрены пуск и останов паровых турбин, условия их безопасной эксплуатации, возможные аварии и неполадки, а также способы их устранения. |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основными направлениями экономического и социального раз-
вития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года особая
роль отводится опережающему наращиванию энергетического
потенциала нашей страны.
Энергетической программой СССР предусматривается значительное
увеличение выработки электроэнергии, коренная
реконструкция энергетических объектов, внедрение энергосберегающей
техники и технологии, совершенствование топливно-
энергетического комплекса, обеспечение устойчивого снабжения
теплом и электроэнергией всех отраслей народного хозяйства
и населения.
Для выполнения поставленных задач Энергетической про-
граммой СССР намечены три главных направления: первое —
повышение технического уровня проектов и создаваемого обору-
дования, второе — высокое качество изготовления и монтажа
техники и третье — обеспечение качества эксплуатации энерге-
тического оборудования, неукоснительное соблюдение техниче-
ских условий и требований. Комплексное проведение в жизнь
эффективных мер по этим направлениям должно способствовать
надежности энергетического оборудования.
Прирост производства электроэнергии планируется за счет
использования ядерного горючего на атомных электростанциях
в европейской части СССР, твердого топлива — на мощных
конденсационных тепловых электростанциях в восточных райо-
нах страны, природного газа —на электростанциях Западной
Сибири, Урала и Средней Азии. Кроме того, в восточных райо-
нах будут построены крупные гидроэлектростанции.
Таким образом, большая часть электроэнергии будет выра-
батываться, как и в настоящее время, тепловыми (ТЭС) и атом-
ными (АЭС) электростанциями, основным агрегатом которых,
преобразующим тепловую энергию в электрическую, является
паровая турбина, связанная с электрическим генератором.
electrik.clan.su
Теплофикационные паровые турбины. Е.И. Бененсон, Л.С. Иоффе, 1986 – Книги – Каталог файлов
Экономические преимущества теплофикации,
базирующейся на комбинированной выработке
электрической и тепловой энергии, определи-
ли значительное место теплоэлектроцентралей
(ТЭЦ) в современной энергетике.
Устанавливаемые на ТЭЦ теплофикационные
паровые турбины,
сохраняя общность с турбинами кон-
денсационных электростанций, имеют
ряд особенностей в конструкции и
условиях эксплуатации. Широкое рас-
пространение получили теплофика-
ционные турбины мощностью от 25
до 250 МВт производственного объе-
динения «Турбомоторный завод» (ПО
ТМЗ).
В первом издании книги «Тепло-
фикационные паровые турбины», вы-
пущенном в 1976 г., основное внима-
ние уделено конструкциям и прин-
ципиальным решениям, разработан-
ным и реализованным в серии турбин
40— 100 МВт. В книге рассмотрены,
но менее подробно турбины мощно-
стью 25 МВт и ниже, находящиеся в
эксплуатации, давались краткие све-
дения по турбинам мощностью более
100 МВт, эксплуатационный опыт по
которым в то время был ограничен.
В новом издании книги турбины
мощностью менее 100 МВт не рас-
сматриваются. Значительная часть
книги посвящена изложению материа-
лов по выпускаемым ПО ТМЗ в на-
стоящее время турбинам: Т-100/120-
130-5, Т-175/210-130, Т-250/300-240-3,
ПТ-135/165-130/15, Р-100/105-130/15.
Из перечисленных турбин в преды-
дущем издании подробно рассматри-
валась турбина Т-100-130, однако,
учитывая, что эта турбина получила
широкое распространение в энерге-
тике, а также то, что в производстве
находится ее пятая модификация,
имеющая ряд отличий от ранее вы-
пускавшихся турбин, признано це-
лесообразным вновь дать материал по
этой турбине.
В прошлом издании книги систе-
матизирован ряд общих для тепло-
фикационных турбин вопросов, про-
анализированы пути повышения их
экономичности в специфических усло-
виях комбинированной выработки
электрической и тепловой энергии.
Во втором издании эти материалы в
основном сохранены, но дополни-
тельно рассмотрены особенности влия-
ния начальных параметров и темпе-
ратуры подогрева питательной воды
на экономичность теплофикационных
турбин, выявлены оптимальные ва-
рианты эксплуатации турбоустановки
при частичной тепловой нагрузке,
проанализирована эффективность от-
ключения МВД в теплофикационных
турбинах и экономичность последо-
вательного пропуска циркуляционной
воды через два конденсатора одной
турбины и некоторые другие вопросы,
имеющие общий характер для тепло-
фикационных турбин. Рассмотрены
также основные тенденции развития
теплофикационных турбин.
В книге использованы заводские
материалы, содержащие конкретные
цифровые данные, а также описание
принятых решений. Поскольку за-
воды-изготовители турбин ведут систе-
матическую работу по их совершенст-
вованию, то отдельные данные и пояс-
нения могут не соответствовать для
турбин всех выпусков.
Авторы выражают благодарность
Е. В. Осипенко за прочтение части
рукописи и высказанные при этом за-
мечания.
Авторы благодарны профессору
Б. М. Трояновскому, сделавшему ряд
ценных замечаний при рецензирова-
нии.
Все замечения и предложения, ко-
торые возникнут у читателей при
пользовании предлагаемой книгой, ав-
торы примут с признательностью, и
их следует направлять по адресу:
113114, Москва, М-114, Шлюзовая
наб., 10, Энергоатомиздаг.
Авторы
www.xn--80affsqimkl5h.xn--p1ai
Книга – Паровые турбины – Физика
Девятнадцатый век не зря называли веком пара.С изобретением паровой машины произошел настоящий переворот в промышленности, энергетике, транспорте. Появилась возможность механизировать работы, ранее требовавшие слишком много человеческих рук. Железные дороги резко расширили возможности тр\анспортировки грузов по суше. В море вышли огромные суда, способные двигаться против ветра и гарантировавшие своевременность доставки товаров. Расширение объемов промышленного производства поставило перед энергетикой задачу всемерного повышения мощности двигателей. Однако первоначально вовсе не высокая мощность вызвала к жизни паровую турбину…
Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием «турбины Герона» и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим — вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами.
И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, «вплотную». Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины.
В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости. Опираясь на собственный практический опыт, Д. Уатт считал столь высокие скорости движения элементов машины недостижимыми в принципе, и в ответ на предупреждение об угрозе, которую могла создать турбина изобретенной им паровой машине, ответил так: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?»
Однако время шло, техника совершенствовалась, и час практического примения паровой турбины пробил. Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо — отходы лесопильного производства.
Впрочем, эти первые американские паровые турбины широкого распространения не получили. Их влияние на дальнейшую историю техники практически отсутствует. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа французского происхождения де Лаваля, имя которого сегодня известно любому двигателисту.
Карл-Густав-Патрик де Лаваль
Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. Карл-Густав-Патрик («основным» считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив технологический институт и университет в Упсале. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин.
Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске.
На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6…7 кг/л.с.·ч.
Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался чешский ученый А. Стодола, он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории не позволило де Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей. Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса.
Чарльз Алджернон Парсонс
Чарльз Парсонс родился в 1854 г. и получил классическое английское образование, закончив Кембриджский университет. Родом своей деятельности он избрал машиностроение и с 1976 г. стал работать на заводе Армстронга в Ньюкасле. Талант и изобретательность конструктора в сочетании с финансовыми возможностями родителей позволили Парсонсу быстро встать во главе собственного дела. Уже в 1883 г. он совладелец фирмы «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко», а в 1889 г. — владелец собственного турбостроительного и динамостроительного завода в Гитоне.
Первую паровую многоступенчатую турбину реактивного типа Парсонс построил в 1884 г. Она предназначалась вовсе не для привода относительно маломощных сепараторов, а для работы совместно с электрическим генератором. Таким образом, уже с первого шага Парсонс правильно предугадал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин, и в дальнейшем ему не пришлось разыскивать потребителей для своего изобретения. С целью уравновешивания осевого усилия пар подавался к середине вала турбины, а затем протекал к ее концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции, датированной 1887 г., Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность пока еще не достигла 100 л.с. при частоте вращения около 5000 об/мин. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.
Взаимоотношения между компаньонами в «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко» оказались далеко не безоблачными, и Парсонс вынужден был уйти, оставив бывшим коллегам и часть авторских прав, формально принадлежавших фирме. В связи с этим он надолго отказался от создания активных турбин (защищенных патентом) и перешел к разработке радиальных многоступенчатых турбин. Совершенствуя этот тип, конструктор сумел добиться впечатляющих результатов. Так, он уменьшил удельный расход пара с 44 до 12,7 кг/кВт·ч, но одновременно понял, что прежний аксиальный тип турбины был все же более перспективным. Начиная с 1894 г., восстановив права на патент, Парсонс вновь стал заниматься именно такими турбинами.
На своем заводе он опробовал самые различные материалы для лопаток турбин, но остановился на бронзе для насыщенного и умеренно перегретого пара, чистой меди для части высокого давления и никелевой бронзе для сильно перегретого пара. Кроме того, проводились глубокие исследования по созданию рациональной конструкции регулятора подачи пара. Для повышения точности Парсонс применил релейный принцип прерывистой подачи, позволяющий уменьшить трение. Параллельно вводились и другие усовершенствования, что в совокупности привело к уменьшению удельного расхода пара до 9,2 кг/кВт·ч у турбины мощностью 400 кВт, изготовленной в 1896 г.
Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность построенных в том же 1896 г. турбин превысила 40 000 л.с. Но и на континенте передовые инженеры осознали важность новинки для целей энергетики. В 1899 г. по инициативе одного из них, Линдлея, занимавшего должность главного инженера Франкфурта, было решено применить на строящейся Эльберфельдской электростанции две турбины Парсонса мощностью по 1000 кВт. Немецкая гордость была задета. В первую очередь оказались недовольными промышленники, выпускавшие мощные паровые машины. Однако результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 г., свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун-Бовери» в Бадене (неподалеку от Цюриха) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса.
Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев интерес проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Если в 1903 г. наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 г. появились агрегаты мощностью 10 000 кВт, в 1915 г. — 20 000 кВт, а в 1917 г. — 30 000 кВт! Турбины стали строить в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники как звезда первой величины: ведь помимо чисто «турбинных» проблем он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового вида двигателя на флоте.
Морские котлотурбинные установки
В конце XIX века сформировался новый класс военных кораблей — миноносцы (на Западе им соответствует термин «дистроер» — разрушитель), главным оружием которых стали прямоходные торпеды с мощным боевым зарядом, способным отправить на дно огромный броненосец. При небольшом водоизмещении единственной защитой для миноносца являлась высокая скорость, поскольку никакое бронирование не могло уберечь его от фатального конца в случае прямого попадания крупнокалиберного снаряда. Закономерным образом размеры миноносца росли, и на рубеже веков его водоизмещение достигло 350…500 т, а потребная мощность силовой установки — 5000…8000 л.с. Резко возросла масса механизмов и топлива на борту корабля, поэтому для сохранения высоких боевых качеств миноносца возникла настоятельная потребность в более мощном двигателе с лучшими удельными характеристиками. И такой двигатель появился в виде судовой турбины.
В 1894 г. Парсонс построил небольшое турбинное судно, в сущности катер водоизмещением всего 44,5 т, но мощность его силовой установки достигла 2000 л.с. 27 ноября «Турбиния» вышла на испытания и… разочаровала создателя. Ее скорость составила всего 19,7 узла, а конструктор ожидал получить не менее 30. Причина заключалась в так называемом проскальзывании гребного винта, позднее названном «кавитацией». Из-за чрезмерной частоты вращения винтов скорость воды на засасывающей стороне лопастей настолько возрастала, что давление понижалось до критического и вода вскипала при нормальной температуре, превращаясь в пар. В такой среде винт проскальзывал, терял упор, и его к.п.д. резко падал.
В течение года на «Турбинии» сменили 9 винтов, но ее скорость так и не достигла запланированного значения. Тогда Парсон радикально переделал судно, превратив его одновальную установку в трехвальную. На каждый вал работали последовательно соединенные по пару турбины высокого, среднего и низкого давления. Валы заканчивались тремя расположенными друг за другом гребными винтами. На первом же выходе обновленная «Турбиния» показала скорость 32,8 узла. К 1897 г., после ряда усовершенствований и повышения мощности котлотурбинной установки (КТУ) до 2400 л.с., она смогла разогнаться до 34,5 узлов! «Турбиния» являлась самым быстроходным судном в мире.
С целью демонстрации преимуществ судовой турбины Парсонс решился на неординарный шаг, граничивший с хулиганством. По его распоряжению перед началом морского парада, приуроченного ко дню 60-летия вступления на престол королевы Виктории, «Турбиния» несанкционированно промчалась перед строем английского флота, и ни один самый быстроходный британский миноносец не смог остановить наглеца. Резонанс оказался весьма значительным — о скандальном происшествии написали газеты, проснулось даже английское Адмиралтейство. Для начало оно заказало два «дистроера» с четырехвальной КТУ мощностью по 11 500 л.с., способной обеспечить кораблю контрактную скорость 31,5 узла. Следующим шагом стали крейсера «Аметист» и «Топаз», совершенно однотипные, за исключением силовых установок. При водоизмещении 3050 т максимальная мощность котлотурбинной установки «Аметиста» составила 13 000 л.с, обеспечив ему скорость 23,6 узла, в то время как котломашинная установка «Топаза» развивала максимальную мощность 9 600 л.с., а его скорость не превысила 21,8 узла. И, что очень важно, у «Аметиста» с увеличением скорости удельный расход топлива уменьшался, а у «Топаза» — имел минимум приблизительно при 14-узловой скорости.
По результатам испытаний англичане приняли радикальное решение: все вновь строящиеся надводные корабли основных классов оснащать КТУ.
Практически одновременно началось внедрение паровых турбин в судостроение. Первые два турбинных лайнера были построены в Англии для Канады, а в 1906 г. на линию Ливерпуль — Нью-Йорк вышел турбинный трансатлантик «Кармания». По условиям контракта в течение четырех месяцев он должен был плавать с опломбированными корпусами турбин, что исключало их вскрытие не только для ремонта, но и для осмотра. КТУ лайнера выдержала столь жесткое испытание, и в 1907 г. вошли в строй еще два турбинных судна водоизмещением по 38 тыс. т: «Лузитания» и «Мавритания». Последняя в ходе трансатлантического рейса продемонстрировала среднюю скорость, превысившую 26 узлов, и впоследствии в течение 22 лет удерживала «Голубую ленту Атлантики» — почетную награду самому быстроходному лайнеру океана.
В 1913 г. на Путиловском заводе в Петербурге был построен эскадренный миноносец «Новик», трехвальная КТУ которого суммарной мощностью 42 000 л.с. позволила кораблю установить мировой рекорд скорости 37,3 узла.
Вместе с тем, впечатляющие достижения не могли компенсировать невысокую экономичность паровой турбины на малых нагрузках, что существенно снижало ее привлекательность в качестве судового двигателя. Скорость, при которой турбинные суда получали преимущество перед судами с паровыми машинами, составляла 16…18 узлов. В связи с этим Ч. Парсонс предложил идею турбомашинной установки. Для малого хода и реверса использовалась паровая машина, а при скорости выше некоторой критической ее отключали, и пар подавался на турбины. Иным способом была устроена силовая установка печально известного «Титаника» и однотипного «Олимпика». На этих судах бортовые валы приводились во вращение паровыми машинами, а средний — турбиной, в которой использовался пар, уже отработавший в цилиндрах машин.
Триумф паротурбинной энергетики
В период между двумя великими войнами энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Одна из первых таких турбин мощностью 1675 кВт была построена заводом «Броун-Бовери» для бельгийской электростанции. Давление пара было принято равным 50 кгс/см2, а его температура достигала 440…450 °С. Лабиринтное уплотнение получалось слишком сложным и ненадежным, поэтому конструкторы разместили первую ступень турбины высокого давления на весу, без подшипника.
Вскоре для электростанции в Маннгейме завод «Броун-Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 160 кгс/см2 и температуре 430 °С. У турбины, построенной для электростанции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: температура 450 °С, а его давление — 225 кгс/см2. В Соединенных Штатах компания «Дженерал-Электрик» предпочла не рисковать, ограничив давление 84 кгс/см2, но зато она стала энергично наращивать мощность единичной установки. Так, турбина, построенная для предприятия «Форда» (2-цилиндровая, 2-осевая), имела мощность 110 МВт при частоте вращения валов 1800 об/мин. В начале тридцатых годов в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МВт.
Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наиболее «крутых» считалась установка в Витковицах, располагавшая двумя турбинами, одна из которых мощностью 30 МВт, а вторая — 18 МВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалась принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели, как правило, частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.
Удобство «сочленения» с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач оказалось исключительно важным достоинством паровой турбины. Кроме того, турбина легко переносила перегрузки, практически не замасливала пар (в отличие от паровой машины), легко регулировалась по частоте вращения. В сочетании с более высоким к.п.д. турбины, особенно при больших нагрузках, все эти достоинства относительно быстро привели к повсеместному «закату» эры паровой машины в энергетике и судостроении.
ronl.org
100 великих изобретений. Содержание – 56. ПАРОВАЯ ТУРБИНА
Пресс Витворта состоял из четырех колонн, укрепленных в фундаментной плите. На верхней части колонн была расположена неподвижная поперечная балка (траверса) с двумя гидравлическими подъемными цилиндрами — с их помощью вверх и вниз перемещалась подвижная траверса, на которой внизу был установлен штамп. Устройство пресса основывалось на комбинированном использовании силовых насосов и гидравлических аккумуляторов. (Гидравлический аккумулятор — устройство, позволяющее накапливать гидравлическую энергию; он состоит из цилиндра и поршня, к которому крепится груз; сначала вода, поступающая в цилиндр, приподнимает груз, затем, в нужный момент, груз отпускается, и вода, выходя из цилиндра под его давлением, совершает необходимую работу.) В прессе Витворта между четырьмя колоннами на некоторой высоте над наковальней K помещался массив P; внутрь него был вставлен большой цилиндр C, поршень которого E и был кующей частью пресса. Этот поршень соединялся с поршнями двух малых цилиндров a и a1, также вставленных в массив, так что при работе все три поршня поднимались и опускались одновременно. Пространство C над поршнем большого цилиндра соединялось с коробкой D, куда вгонялась насосами вода. У малых цилиндров пространство над поршнем соединялось с трубкой грузового аккумулятора AB, груз которого был уравновешен с весом всех трех поршней E, a и a1.
Сама работа ковки производилась следующим образом: открывался клапан d в нагнетательной коробке, воду насосов направляли в пространство над поршнем большого цилиндра, отчего все три поршня опускались. При этом большой поршень производил сжатие металла, а малые поршни давили на воду под ними и этим давлением поднимали уравновешивающий груз аккумулятора. Когда клапан нагнетательного насоса закрывали, давление на большой поршень прекращалось, и тогда поднятый груз аккумулятора начинал опускаться, передавая давление на воду, которая поднимала все три поршня. Таким образом, груз и три уравновешенных с ним поршня представляли собой как бы две чаши весов. Насосы приводились в действие паровой машиной. Для наблюдения за силой сжатия с кующим поршнем была соединена стрелка F, что давало возможность вести ковку с исключительной точностью.
Впервые гидравлический пресс Витворта был применен для ковки отливок в 1884 году. До этого времени ковка орудийных стволов на заводе Витворта, как и многие другие кузнечные операции, велась на паровых молотах. Однако преимущество гидравлических прессов перед паровыми молотами оказалось бесспорным. Так, например, для ковки ствола орудия из слитка массой 36, 5 т требовалось 3 недели и 33 промежуточных нагрева; с применением же гидравлического пресса, дававшим усилие в 4000 т, ковка слитка массой 37, 5 т занимала всего 4 дня и требовала 15 промежуточных нагреваний. Замена молота прессом удешевляла операцию ковки крупногабаритных деталей примерно в семь раз. Поэтому в короткое время прессы Витворта получили широкое распространение. Вскоре применение гидравлических ковочных прессов привело к серьезным техническим преобразованиям на крупных металлургических и машиностроительных заводах. Тяжелые паровые молоты были повсеместно демонтированы и заменены прессами. К началу 90-х годов XIX века уже имелись прессы мощностью в 1000 т.
56. ПАРОВАЯ ТУРБИНА
Наряду с гидротурбинами, описанными в одной из предыдущих глав, огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую — струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя. Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономичную машину — паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.
Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель. Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и вырывался наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему это расширение, получалось значительное увеличение скорости вытекания (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом заключенная в паре энергия передавалась лопастям турбины. Число сопел и давление пара определяли мощность турбины. Когда отработанный пар не выпускали прямо в воздух, а направляли, как в паровых машинах, в конденсатор и сжижали при пониженном давлении, мощность турбины была наивысшей. Так, при расширении пара от 5 атм до 1/10 атм скорость струи достигала сверхзвуковой величины.
Несмотря на кажущуюся простоту, турбина Лаваля была настоящим чудом инженерной мысли. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться от своего детища бесперебойной работы. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную нагрузку на ось и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль придумал насадить колесо на очень тонкую ось, которая при вращении могла бы слегка прогибаться. При раскручивании она сама собой приходила в строго центральное положение, удерживаемое затем при любой скорости вращения. Благодаря этому остроумному решению разрушающее действие на подшипники было сведено до минимума.
Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли также как привод для электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и потому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).
www.booklot.org