Рассмотренные выше паровые турбины, состоящие только из одной ступени (активной или реактивной), способны срабатывать с достаточно высоким КПД относительно небольшие теплоперепады: 30 ÷ 400 кДж/кг. В современных котлотурбинных установках, работающих на высоких начальных параметрах пара (p0 = 4,5 ÷ 8,0 Мпа, t0 = 350 ÷ 515 °C), в главных турбинах срабатываются значительно бóльшие значения теплоперепадов. При указанных параметрах пара и с учетом конечного давления в главном конденсаторе:pГК = 0,002 МПа, значения теплоперепадов, срабатываемых главными турбинами в КТЭУ, достигают величин 1000 ÷ 1700 кДж/кг. В принципе сработать такие теплоперепады в одноступенчатой турбине возможно, но скорость потока пара в проточной части при этом становится недопустимо большой (около 1500 м/с), значительно увеличивается частота вращения ротора турбины, возрастают потери с выходной скоростью, снижается КПД турбины и установки в целом. Определенные ограничения накладываются также условиями прочности рабочих лопаток, дисков и роторов турбин, работающих с высокими частотами вращения.
Избежать перечисленных неприятных явлений, снизить скорости вращения турбин и повысить их КПД можно, если использовать многоступенчатые паровые турбины.
Двухвенечная турбинная ступень
Идея применения двухвенечной турбинной ступени (рис. 45) состоит в том, что на одном диске активной турбины располагают два ряда рабочих лопаток. Между рядами рабочих лопаток устанавливается неподвижный ряд направляющих лопаток, в котором происходит поворот потока пара и направление его под оптимальным углом на следующий за ним ряд рабочих лопаток. Таким образом потенциальная энергия пара полностью преобразуется в кинетическую в сопловом аппарате, а затем, последовательно проходя два ряда рабочих лопаток, преобразуется в механическую работу.
В двухвенечной ступени пар с начальными параметрами p0, t0 и скоростью c0 поступает в каналы соплового аппарата – С , где происходит его расширение. При расширении пара его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом абсолютная скорость потока пара на выходе из соплового аппарата увеличивается до значения c1-1 , а давление снижается до величины p1 . После выхода из соплового аппарата поток пара направляется на рабочие лопатки первого ряда – Р1. При обтекании паром рабочих лопаток и повороте его в межлопаточных каналах на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Расширения пара на рабочих лопатках не происходит, его давление остается постоянным, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины c2-1 . В направляющих лопатках – Н , следующих за первым рядом рабочих лопаток, происходит поворот потока пара (без расширения) и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки второго ряда – Р2 . При этом из-за потерь энергии происходит некоторое снижение абсолютной скорости пара на выходе из неподвижного ряда лопаток до величины c1-2 . В межлопаточных каналах рабочих лопаток второго ряда – Р2 расширения пара и изменения его давления не происходит, кинетическая энергия пара окончательно преобразуется в механическую работу, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины c2-2 .
Так как процесс расширения пара в двухвенечной ступени происходит только в сопловом аппарате, то весь располагаемый теплоперепад ha срабатывается в соплах: ha = hac. На диаграмме i - s теоретический процесс расширения пара в соплах показан линией A0 - Act . Из-за наличия потерь энергии действительный процесс расширения пара протекает по линии A0 - Ac. Дальнейшее преобразование энергии пара на рабочих и направляющих лопатках происходит изобарно. Точки на диаграмме соответствуют:
- АСt – параметрам пара за соплами при теоретическом расширении пара;
- АС – действительным параметрам пара на выходе из соплового аппарата;
- АР1 – действительным параметрам пара на выходе из первого ряда рабочих лопаток;
- АН – действительным параметрам пара на выходе из неподвижного ряда направляющих лопаток;
- АР2 – действительным параметрам пара на выходе из второго ряда рабочих лопаток;
- АВ – действительным параметрам пара на выходе из двухвенечной ступени.
Рассмотренные двухвенечные турбинные ступени называют ступенями скорости из-за того, что при течении потока пара в каналах лопаток не происходит изменения его давления, а изменяется только скорость потока. Ступени скорости способны срабатывать значительные теплоперепады с относительно высоким КПД. По этой причине двухвенечные турбинные ступени часто применяют в турбоприводах вспомогательных механизмов, в качестве турбин заднего хода и первой регулировочной ступени главных турбин.
В более редких случаях нашли применение трехвенечные ступени скорости, состоящие из соплового аппарата, трех рядов рабочих лопаток, расположенных на одном диске, и двух неподвижных рядов направляющих лопаток, расположенных между рабочими. Принцип действия их аналогичен рассмотренной выше двухвенечной ступени скорости: пар полностью расширяется в сопловом аппарате и затем последовательно проходит через ряды рабочих и направляющих лопаток. Трехвенечные ступени скорости способны срабатывать еще бóльшие значения теплоперепадов и (при определенных условиях) с еще бóльшим значением КПД, чем двухвенечные.
Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота устройства и небольшие размеры. Существенным недостатком – относительно низкий КПД.
Многоступенчатые турбины
Впервые идея использования многоступенчатой паровой турбины была предложена английским инженером Парсонсом в 1884 году. Парсонс предложил всю располагаемую энергию пара разделить на несколько частей и срабатывать каждую часть в отдельных турбинных ступенях, расположенных последовательно одна за другой на одном общем валу.
Многоступенчатые турбины конструктивно могут исполняться активными (рис. 46.а), реактивными (рис. 46.б) и сочетающими в себе как активные, так и реактивные ступени – турбины смешанного типа (рис. 47).
С точки зрения надежности и экономичности бесцельно искать преимущества и недостатки одного типа турбин перед другим. Активная ступень, при прочих равных условиях, способна сработать вдвое больший теплоперепад, чем реактивная. Поэтому при одинаковых начальных и конечных параметрах пара активная многоступенчатая турбина будет иметь вдвое меньшее число ступеней, чем реактивная, что значительно сокращает длину ротора и массогабаритные показатели турбины. Но при этом длина активной ступени несколько больше, чем реактивной. Роторы активных турбин в силу своей конструкции имеют меньшую массу, поэтому маневренные качества активных турбин выше, чем реактивных. Но барабанные роторы реактивных турбин более просты и технологичны в изготовлении, хотя имеют худшие массогабаритные показатели, допускают более медленный прогрев при пуске и менее надежны при резкой смене режимов работы. В активных турбинах подвод пара производится через сопловый аппарат, разделенный на несколько групп. Как правило, каждая группа сопл имеет индивидуальный подвод пара, что облегчает регулирование мощности и числа оборотов турбины. Чисто реактивные турбины выполняются только с полным подводом пара по всей окружности, что существенно затрудняет процесс регулирования мощности. По этой причине в реактивных многоступенчатых турбинах в качестве первой ступени часто применяют одно- или двухвенечную активную регулировочную ступень с сопловым подводом пара. Применение двухвенечной регулировочной ступени позволяет сработать значительный теплоперепад уже в первой ступени турбины, и тем самым уменьшить общее число ступеней турбины и снизить параметры пара перед последующими ступенями.
В реактивных турбинах значения давления пара перед рабочими лопатками и за ними неодинаковы, вследствие чего возникает значительная осевая сила, воздействующая на ротор реактивной турбины и направленная со стороны впуска пара в сторону выхлопного патрубка. Для уменьшения осевых усилий, воздействующих на ротор реактивной турбины и ее упорный подшипник, применяются разгрузочные устройства – думмисы.
Конструктивные особенности и характер изменения давлений и скоростей пара в многоступенчатых турбинах показаны на рис. 46.
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
