Конструкция основных элементов паровых турбин
Паровая турбина (рис. 52, 53) состоит из двух основных элементов: ротора – совокупности всех вращающихся частей; и статора – совокупности неподвижных частей. В силу схожести термодинамических и физических процессов, протекающих в газовых и паровых турбинах (двойное преобразование энергии газа (пара) в механическую энергию вращения ротора), эти типы двигателей имеют схожие конструктивные узлы. Но условия работы газовых и паровых турбин и физические свойства рабочих тел значительно отличаются, что приводит к различию конструктивного исполнения проточных частей и отдельных узлов этих типов двигателей. Конструктивные узлы паровых турбин более разнообразны, чем у газотурбинных двигателей.
Концы ротора турбины опираются на подшипники и уплотняются лабиринтовыми уплотнениями. Подшипники (опорные и упорный) обеспечивают вращение ротора турбины, фиксируют его в радиальном и осевом направлениях, а также воспринимают вес ротора и силы, действующие на ротор при работе паровой турбины. Часто упорный подшипник совмещается с одним из опорных, образуя единую конструкцию – опорно-упорный подшипник.
Корпус турбины изготавливается литым из стали и должен выдерживать давления и темепратуры пара, работающего в проточной части турбины. Для обеспечения сборки турбины, корпус обычно имеет горизонтальный разъем. Снаружи корпус турбины покрывают слоем тепловой изоляции.
Для обеспечения подвода пара к сопловому аппарату на корпусе турбины располагают блок регулирования, состоящий из сопловых, байпасных клапанов (клапана заднего хода – для однокорпусной турбины) и их сервоприводов. Корпус опирается на судовой фундамент через опоры – носовую и кормовую.
Проточные части паровых турбин
Рабочий процесс двойного преобразования энергии пара (потенциальной энергии в кинетическую, и далее – в механическую работу) происходит в проточной части паровой турбины. В состав проточной части входят сопловые (направляющие) и рабочие лопатки. Направляющие лопатки закреплены неподвижно в корпусе (статоре) турбины. В них происходит разгон потока пара и направление его на рабочие лопатки турбины под оптимальным углом. Рабочие лопатки турбины закреплены на роторе. В каналах, образованных рабочими лопатками, происходит преобразование кинетической энергии струи пара в механическую энергию вращения ротора.
Проточные части и детали паровых турбин работают в следующих условиях:
- большие частоты вращения ротора (от 3000 до 7000 об/мин у главных турбин, до 12000 об/мин у турбин вспомогательных механизмов);
- большие массы вращающихся частей и значительные напряжения, возникающие в металле ротора;
- значительные давления и температуры, переменные по длине проточной части;
- высокие скорости потока пара (зачастую больше сверхзвуковых);
- воздействие на лопатки турбин капель влаги (особенно в последних ступенях) и механических частиц, вызывающих эрозионные разрушения деталей проточной части;
- воздействие на лопатки сил, переменных по величине и направлению.
Исходя их условий работы, к проточным частям турбин предъявляются следующие требования:
- высокая точность изготовления и высокое качество обработки деталей;
- высокая точность установки направляющих и рабочих лопаток;
- жесткость крепления рабочих лопаток на роторе;
- отстройка деталей проточной части от резонансных колебаний;
- применение материалов, обеспечивающих механическую прочность, пластичность, коррозионную и эрозионную стойкость деталей проточной части.
В состав проточной части паровой турбины входят следующие элементы:
Сопловый аппарат (рис. 54, 55) – предназначен для подвода пара к рабочим лопаткам первой активной ступени турбины. Часто сопловым аппаратом называют также каналы, образованные направляющими лопатками последующих активных ступеней, закрепленными в диафрагмах.
Для дозвуковых и околозвуковых скоростей потока пара в ступенях главных турбин переднего хода как правило применяют сопла с уменьшением проходного сечения по ходу движения пара; для сверхзвуковых скоростей потока пара (обычно в турбинах заднего хода и турбинах вспомогательных механизмов), сопла имеют сужающуюся часть, горло и расширяющуюся часть (сопла Лаваля). В сужающейся части сверхзвукового сопла происходит разгон потока пара до звуковой скорости, в расширяющейся – свыше звуковой. В некоторых случаях разгон потока пара до сверхзвуковой скорости может быть обеспечен в сужающихся соплах за счет расширительной способности «косого среза» в выходном сечении соплового аппарата (рис. 54.а).
Конструктивно сопловые аппараты могут выполняться: литыми, с соплами круглого сечения; такие сопла обычно применяются в турбинах заднего хода и турбоприводах вспомогательных механизмов небольшой мощности (рис. 54.б); сборными – состоящими из цельнофрезерованых сопловых лопаток, закрепленных в сопловых сегментах (рис. 54.а); и сварными.
Сопловые сегменты первой ступени турбины устанавливаются в сопловых парораспределительных коробках. Обычно в конструкциях паровых турбин применяется от одного до шести сопловых сегментов с подводом пара к ним через сопловые клапаны. Привод сопловых клапанов может быть как индивидуальным – для каждого соплового клапана, так и общим для всех сопловых клапанов. В сопловых аппаратах турбин заднего хода и вспомогательных механизмов, имеющих более простую систему регулирования мощности, обычно применяют один сопловый сегмент, выполненный по всей окружности турбинной ступени или на ее части.
Сопла промежуточных ступеней активных турбин размещаются в диафрагмах (рис. 56), основным назначением которых является отделение одной ступени турбины от другой. Диафрагма представляет собой диск с центральным отверстием для вала турбины, на котором закреплены сопловые (направляющие) лопатки. Обычно диск состоит из двух половин и имеет горизонтальный разъем для удобства монтажа его в корпусе турбины.
Диафрагмы устанавливаются непосредственно в корпусе турбины в специальных проточках, или собираются в обоймы, которые в свою очередь крепятся к корпусу (рис. 52). Сборка нескольких диафрагм в одну обойму позволяет упростить конфигурацию корпуса, улучшает маневренные характеристики турбины за счет более быстрого прогрева корпуса, но несколько увеличивает диаметр и радиальные размеры турбины.
Рабочие и направляющие лопатки
Конструктивное исполнение рабочих и направляющих лопаток паровой турбины зависит от типа турбинной ступени, в которой они устанавливаются. Ступени можно разделить на активные и реактивные; регулировочные и нерегулируемые; с короткими и длинными лопатками.
Все турбинные лопатки состоят из трех частей (рис. 57): корня (хвостовика), для закрепления лопатки в роторе или в корпусе турбины; рабочей части (пера), образующей криволинейные каналы, в которых происходит преобразование энергии пара; и вершины.
Активные турбинные лопатки имеют значительную толщину и профиль, близкий к симметричному; реактивные лопатки относительно тонки и имеют профиль, напоминающий профиль крыла самолета.
У коротких турбинных лопаток вершина имеет форму шипа, на который одевается бандажная лента, скрепляющая по 6 ÷ 12 лопаток между собой в пакет. Сборка лопаток в пакет позволяет предотвратить колебания и вибрации отдельных лопаток от воздействия струи пара. У длинных лопаток вершина представляет собой утоненную часть. Длинные лопатки соединяются между собой в пакет с помощью связующей проволоки, проходящей через специальные отверстия в теле лопатки. Короткие турбинные лопатки имеют, как правило, постоянное сечение (профиль) по всей высоте. Длинные лопатки обычно выполняются с переменным по высоте профилем вследствие различных условий работы (окружной скорости, углов входа и выхода пара и т.д.) корневой и периферийной части. При этом корневая часть длинной лопатки обычно имеет симметричный активный профиль, а периферийная часть – реактивный профиль.
Крепление лопаток на диске (барабане) ротора осуществляется хвостовиком. В зависимости от конструкции хвостовика возможны следующие варианты крепления:
- крепления погруженного типа, когда хвостовики лопаток заводят в специальные выточки в ободе диска или барабана (рис. 57.г-и);
- крепления верхнего типа, когда хвостовики лопаток надевают верхом и закрепляют на гребне диска (рис. 57.к-л).
Рабочие лопатки являются самым напряженным элементом паровой турбины. Они испытывают напряжения от растяжения, изгиба, кручения, воздействия высоких температур и скоростей движения пара. Кроме того, приложение нестационарных аэродинамических сил вызывает вибрацию лопаток. Влага, содержащаяся в паре, вызывает эрозионные и коррозионные разрушения тел лопаток. Учитывая тяжелые условия работы турбинных лопаток, к ним предъявляются очень высокие требования в части точности изготовления, чистоте и качеству обработки рабочей поверхности.
Направляющие лопатки обычно имеют реактивную форму профиля и в реактивных турбинах крепятся непосредственно к корпусу, а в активных – размещаются в диафрагмах, образуя сопловые сужающиеся каналы.
Лопатки последовательно набирают в пазы дисков активных турбин, барабана ротора реактивных турбин или в пазы корпуса. Последняя лопатка в набранном ряде называется замковой и крепится различными способами: клиньями, замковыми вставками, расклепыванием или винтами.
По способу изготовления турбинные лопатки могут быть цельнакотанными, полуфрезерованными, цельнофрезерованными и штампованными.
Роторы паровых турбин
Ротором называется совокупность вращающихся деталей паровой турбины. Ротор преобразует усилия, воздействующие на лопатки турбины, во вращательное движение вала и передает крутящий момент на потребитель мощности (линию вала судна, электрогенератор и т.д.).
Ротор турбины состоит из вала с дисками (активные турбины) или барабана (реактивные турбины), рабочих лопаток, элементов концевых и промежуточных уплотнений, паро- и маслоотбойных колец, шеек опорных подшипников, упорного гребня и полумуфты, соединяющей ротор с редуктором. Иногда на концы ротора навешиваются рабочие органы масляных и питательных насосов, насосов-регуляторов и элементы зацепления валоповоротных устройств.
Конструктивное исполнение ротора зависит от типа паровой турбины и количества используемых ступеней. Все роторы судовых и корабельных паровых турбин можно классифицировать по следующим признакам:
- по типу используемых ступеней: на роторы активных, реактивных турбин и комбинированные;
- по конструкции: на дисковые, барабанные и комбинированные;
- по рабочей частоте вращения: на гибкие, рабочая частота вращения которых превышает собственную частоту колебаний; и жесткие, рабочая частота вращения которых ниже частоты собственных колебаний. Гибкий ротор в процессе пуска турбины переходит через критическую частоту вращения, при этом возможно возникновение явления резонанса, сопровождающееся усилением вибрации ротора и приводящее к выходу из строя турбоагрегата. В судовых и корабельных турбинах используются исключительно жесткие роторы;
- по способу изготовления: цельнокованые, сварные, с насадными дисками, наборные и комбинированные.
Роторы активных турбин (рис. 58.а) имеют дисковое конструктивное исполнение и представляют собой вал с насаженными на него или выточенными заодно с ним дисками. Диск является основной частью ротора, участвующей в передаче крутящего момента от рабочих лопаток. В дисках с целью выравнивания давления по обеим его сторонам, и уменьшения осевой силы, воздействующей на ротор, выполняются разгрузочные отверстия. Между дисками на валу растачиваются проточки под лабиринтовые уплотнения диафрагм. С обоих концов ротора размещаются проточки под наружные (концевые) уплотнения турбины. Ротор опирается на подшипники турбины шейками опорных подшипников. Полости концевых уплотнений и опорных подшипников отделяются друг от друга паро-маслоотбойными гребнями. В носовой части ротора (со стороны подвода пара) размещается гребень упорного подшипника, воспринимающего осевые усилия, действующие на ротор турбины, и фиксирующего положение ротора в осевом направлении. Ротор турбины обычно выполняют с центральным сверлением, облегчающим его массу. Сверление используется для контроля качества металла при изготовлении ротора. В носовой части ротора располагают: импеллер (импульсный насос системы РУЗ ГТЗА); механический узел защиты турбины по превышению частоты вращения ротора выше допустимой; приспособления для осевого сдвига ротора и замера его положения (микрометры). Балансировка ротора осуществляется с помощью балансировочных грузиков, раскрепляющихся в специальных проточках.
Дисковые роторы по сравнению с барабанными имеют меньшую массу при том же числе ступеней, более высокую маневренность, меньшие напряжения от действия центробежных сил, допускают более качественный контроль состояния металла при изготовлении. Роторы судовых и корабельных турбин обычно выполняются цельноковаными.
Роторы реактивных турбин (рис. 58.б) всегда имеют барабанное конструктивное исполнение. Использование дисковой конструкции ротора в реактивной турбине привело бы к значительным перепадам давления на дисках и недопустимому увеличению осевых сил, воздействующих на ротор и упорный подшипник. Цельнокованые барабанные роторы применяют у быстроходных турбин небольшого размера. Барабаны роторов большого размера выполняют полыми. Как правило, перед барабаном ротора насаживается или вытачивается заодно с ним диск регулировочной активной ступени. Перед диском регулировочной ступени на ротор насаживается или растачивается заодно с ним думмис – специальный поршень, предназначенный для компенсации осевых усилий, воздействующих на ротор реактивной турбины. Полость думмиса соединяется с выхлопным патрубком турбины или с полостью одной из промежуточных ступеней. Площадь думмиса расчитывается таким образом, чтобы давление в полости думмиса полностью компенсировало осевую силу, действующую на ротор реактивной турбины. На боковой поверхности думмиса растачиваются проточки для лабиринтовых уплотнений. В остальном конструкции барабанного и дискового роторов имеют сходное строение. Барабанные роторы имеют более жесткую конструкцию, чем дисковые, и поэтому меньше подвержены тепловым прогибам при неравномерном прогреве.
Комбинированные роторы могут использоваться в судовых турбинных установках большой мощности. Встречаются роторы, у которых вал в части высокого давления откован заодно с дисками, а в части низкого давления диски насажены на вал. В некоторых конструкциях роторов часть высокого давления выполняется дисковой, часть низкого давления – барабанной.
Корпус паровой турбины
Конструкция корпуса паровой турбины определяется следующими условиями:
- назначением и типом паровой турбины;
- условиями работы проточной части и деталей турбины;
- начальными параметрами пара;
- размерами проточной части.
Корпус турбины представляет собой полый цилиндр или усеченный конус, часто с ребрами жесткости, форма которого согласуется с формой ротора. Условно корпус можно разбить на три части: носовую, в которой располагаются входной патрубок и сопловые коробки; среднюю, с креплениями обойм диафрагм или самих диафрагм; и кормовую – выхлопной патрубок.
В корпусе турбины размещается большое количество патрубков, фланцев, штуцеров для подвода и отвода пара и других сред. Поэтому корпуса турбин имеют довольно сложную конфигурацию. Корпуса горизонтально расположенных турбин всегда имеют горизонтальный разъем для удобства выемки и установки ротора. Разъем делит корпус на две половины – собственно корпус и крышку. Между собой они стягиваются горизонтальными фланцами и шпильками. Чем под большим внутренним давлением работает корпус турбины, тем больше диаметры шпилек и размеры крепежа, и тем чаще их расположение.
Вместе с нижней половиной корпуса отливаются корпуса опорных и упорного подшипников, и лапы крепления турбины к фундаменту. Корпус турбины крепится к фундаменту судна через опоры. Одна из опор выполняется гибкой, обеспечивая тепловые расширения турбины при ее работе.
Уплотнения паровых турбин
По своему назначению уплотнения, применяемые в паровых турбинах, делятся на два типа: наружные (концевые) и внутренние.
Наружные уплотнения устанавливаются в местах выхода вала из корпуса турбины и предназначены для предотвращения протечек пара из корпуса турбины наружу при давлении в корпусе выше атмосферного, и подсоса воздуха внутрь корпуса турбины из машинного отделения при давлении в нем ниже атмосферного.
Внутренние уплотнения предотвращают перетечки пара между ступенями турбины помимо рабочих лопаток и направляющего аппарата. Внутренние уплотнения устанавливаются на диафрагмах в месте прохода ротора через диафрагму, и на думмисах барабанных роторов. К внутренним уплотнениям относятся также уплотнительные элементы рабочих и направляющих лопаток: усики уплотнений на бандажных лентах, уплотнительные ножи со стороны корпуса над бандажной лентой, а также уплотнительные усики у корня рабочей лопатки.
В паровых турбинах могут применяться следующие типы уплотнений:
Угольные уплотнения (рис. 49.а) обычно используют в качестве наружных уплотнений турбоприводов маломощных вспомогательных механизмов, работающих на невысоких параметрах пара. Этот вид уплотнений надежно работает только при перепаде давлений между разделяемыми полостями не более 0,5 МПа и окружных скоростях вала не более 50 м/сек. Угольные уплотнения состоят из ряда колец (от 3 до 8), изготовленных из специального прессованного обогащенного графитом угля. Каждое кольцо разделено на 2 ÷ 6 сегментов, стянутых между собой пружиной, и установленных в уплотнительную коробку. Уплотняющий эффект достигается за счет контакта угольных колец с валом турбины. Этот вид уплотнений компактен, но при контакте угольного кольца с вращающимся валом выделяется значительное количество теплоты, что вызывает относительно быстрый износ угольных колец.
Гидравлические уплотнения применяются в качестве концевых уплотнений вала турбины при использовании в качестве рабочего тела агрессивной среды. Этот тип уплотнений обеспечивает полную герметичность вала. Конструктивно уплотнение представляет собой лопастное колесо, насаженное на вал турбины. При вращении вала колесо увлекает воду к периферии кольцевой камеры, образуя вращающееся водяное кольцо. Гидравлические уплотнения компактны, полностью герметичны, но в режимах пуска турбины при невращающемся роторе необходимо применение других типов уплотнений. Главный недостаток гидравлического уплотнения состоит в значительной мощности, отбираемой от турбины на работу лопастного колеса.
Лабиринтовые уплотнения (рис. 49.б-е) являются наиболее распространенным типом уплотнений в паровых турбинах. Принцип работы лабиринтового уплотнения основан на чередовании узких щелей, в которых происходит дросселирование потока пара (воздуха), и камер, в которых происходит потеря энергии потока. В результате прохождения пара через ряд щелей и камер, его давление уменьшается до давления воздуха в машинном отделении. Практически можно рассчитать необходимое количество камер и щелей, обеспечивающих нулевой расход среды через уплотнение, но в этом случае уплотнение становится достаточно протяженным и занимает значительную часть длины ротора (особенно со стороны впуска пара). Фактически уплотнение делается более коротким, а предотвращение протечек среды через него дополнительно обеспечивается специальной системой уплотнения турбины.
Уплотнения диафрагм, вследствие небольшого перепада давления на ступени турбины, имеют небольшое количество лабиринтов (как правило от 3 до 5). В концевых уплотнениях, количество гребней которых может достигать нескольких десятков, уплотнительные элементы собираются в уплотнительные коробки.
По конструкции лабиринтовые уплотнения могут быть гребенчатого и елочного типов. По способу крепления – жесткими и эластичными. В жестких уплотнениях все элементы (уплотнительные ножи и проточки) закреплены неподвижно или выполнены заодно с валом турбины. В эластичных уплотнениях уплотнительные элементы подпружинены и при касании вала не вызывают его нагрева и износа.
Паромаслоотбойные устройства паровой турбины (рис. 60) предназначены для разделения паровой полости концевых уплотнений от масляной полости подшипников турбины, и предотвращают взаимное проникновение разнородных сред друг в друга. Попадание воды в систему смазки приводит к обводнению масла, вследствие чего в масляной цистерне скапливается конденсат, который периодически приходится удалять. Попадание масла в конденсатно-питательную систему может привести к более серьезным последствиям. Масляная пленка имеет большое термическое сопротивление, и при попадании в трубные системы котла может вызвать перегрев металла котельных труб и выход котла из строя.
Пароотбойником является гребень 1, выточенный заодно с валом турбины. При вращении ротора пар, в случае его протечек через концевые уплотнения, конденсируется на гребне, и либо стекает вниз по валу, либо разбрызгивается центробежной силой по периферии, чем предотвращается попадание конденсата в масляную систему.
Маслоотбойное устройство состоит из двух частей: маслоотбойного щитка вкладыша опорного подшипника 3, и маслоотбойника с маслоудерживающими полукольцами. Масло, протекающее из подшипника через маслоотбойный щиток, разбрызгивается при вращении ротора центробежной силой и собирается в сливной полости 2. Дополнительной преградой, предтвращающей попадание масла в конденсат, являются уплотнительные маслоудерживающие ножи 4 и проточки, выполненные на роторе.
Подшипники паровых турбин
Опорные подшипники турбины воспринимают массу ротора и добавочные силы, возникающие при частичном впуске пара, качке судна, а также обеспечивают центровку ротора относительно корпуса турбины.
В качестве опорных подшипников паровых турбин используются подшипники скольжения. Подшипники скольжения состоят из вкладышей, залитых антифрикционным сплавом – графитобаббитом. Вкладыши устанавливаются в обойму, которая крепится к корпусу подшипника.
Состояние подшипников характеризует работу всего турбоагрегата. Так как радиальные зазоры между элементами ротора и корпусом в проточной части турбин очень малы, то повышенный износ подшипников может вызвать задевание ротора о статор и выход из строя всего турбоагрегата. Подшипники паровых турбин работают в условиях высоких скоростей скольжения и больших нагрузок на единицу площади, поэтому даже кратковременный перерыв в подаче масла выводит ГТЗА из строя.
Упорный подшипник – предназначен для восприятия осевых сил, действующих на ротор турбины, и фиксации ротора относительно корпуса в осевом направлении.
В современных судовых паровых турбинах используют одногребенчатые двусторонние упорные подшипники. По одну или обе стороны гребня располагаются от 6 до 12 упорных самоустанавливающихся подушек (сегментов), залитых с рабочей поверхности антифрикционным материалом. При пуске турбины и вращении ротора упорный гребень затягивает масло в зазор между подушкой и гребнем, при этом создается масляный клин, воспринимающий силы давления упорного гребня, и фиксирующий вал ротора за счет возникающих в нем гидродинамических сил.
Упорный подшипник всегда располагается со стороны впуска пара и обычно устанавливается в едином корпусе с передним опорным подшипником. Такая конструкция упрощает схему подвода масла к подшипникам, уменьшает габариты конструкции и облегчает условия работы турбинного вала.
Подшипники турбин имеют, как правило, горизонтальный разъем, облегчающий изготовление деталей и монтаж как подшипника, так и ротора турбины. Длинные роторы, имеющие большие стрелки прогиба, размещают в самоустанавливающихся подшипниках со сферическими опорами.
Валоповоротные устройства
Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора турбины с целью равномерного его прогрева при вводе установки в действие, и равномерного остывания после вывода турбины из действия. Кроме того в функции валоповоротного устройства входят:
- периодические медленные проворачивания холодных турбин, валопровода и зубчатой передачи для проверки состояния частей ГТЗА и их прослушивания;
- периодическое изменение положения шеек ротора турбины, зацеплений зубчатой передачи и валопровода во избежание развития процесса коррозии;
После вывода турбины из действия происходит постепенное остывание ротора и остальных частей паровой турбины. Остывание происходит неравномерно: нижняя часть ротора и корпуса турбины остывает более быстро, чем верхняя. Неравномерность остывания ротора приводит к деформации вала и его прогибу, что может послужить причиной возникновения аварии (задевания частей ротора о статор) при очередном пуске турбины. При выводе турбины из действия ее вал проворачивают с помощью ВПУ с одновременной прокачкой подшипников маслом до полного остывания корпуса и ротора. Аналогичные условия возникают при вводе турбины в действие, когда пар предварительно подается в корпус для прогрева ротора перед пуском. Если ротор при прогреве турбины не проворачивать, возникнет тепловой прогиб, который может привести к задеванию ротора о статор.
В конструкциях судовых турбин обычно применяется два типа валоповоротных устройств:
- ВПУ с приводом от электродвигателя и червячной передачей. Вращение вала двигателя ВПУ через муфту и червячную передачу передается на одну из шестерен редуктора, приводит во вращение зубчатое зацепление редуктора, и через него – ротор турбины;
- ВПУ с зубчатым колесом и гидравлическим толкателем. В этой конструкции ВПУ на валу турбины (рядом с фланцем отбора мощности) устанавливается колесо с зубьями. Шток гидравлического толкателя входит в зацепление с одним из зубьев ВПУ и при продольном перемещении проворачивает вал турбины на некоторый угол. При обратном движении шток выходит из зацепления и перемещается на следующий зуб колеса.
Во избежание поломки ВПУ при пуске турбины предусматривается система блокировки, исключающая пуск турбины при работающем ВПУ и выдающая сигнализацию о включенном состоянии ВПУ на пульт оператора управления паротурбинной установкой.
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
