Паровых котлах и Перспективы развития котлостроения

 

§ 10.1 Главные котлы паротурбоходов

На судах Минморфлота с паро­энергетическими установками в ка­честве главных применяют только во­дотрубные котлы с естественной цир- 116

куляцией; как правило, это верти­кальные, одноходовые по газу котды с развитыми хвостовыми поверх­ностями нагрева, вырабатывающие перегретый пар повышенных пара­метров. Поскольку в ближайшее вре­мя пополнения транспортного флота

с паротурбинными установками, ра­ботающим на органическом топливе, не предполагается, рассмотрим ос­новные конструктивные компоновки некоторых главных водотрубных котлов, установленных на действую­щих судах Минморфлота.

На рис. 10.1 показан котел оте­чественной постройки КВГ-34К (ко­тёл водотрубный главный, паропро- изводительностью 34 т/ч; К — кор­ректированного проекта), установ­ленный на танкерах типа «София» с паротурбинной установкой мощ­ностью 14000 кВт. Котельная уста­новка этих танкеров состоит из двух агрегатов, выполненных правой и ле­вой модели, которые вырабатывают пар с параметрами: давление 4,4 МПа, температура перегретого пара 470° С.

Рис. 10.1. Котел КВГ-34К

По компоновке котел однопроточ­ный, трехколлекторный с вертикаль­ным петлевым пароперегревателем, экономайзером и паровым воздухо­подогревателем. Котел КВГ-34К име­ет два контура циркуляции — неза­висимый и смешанный. В независи­мый контур входит конвективный пучок 20 с трубами диаметром 29Х Х2,5 мм, расположенный за паро­перегревателем 15. Все трубы пучка подъемные.

Для опускания воды в водяной коллектор 16 предусмотрено 12 не- обогреваемых опускных труб диамет­ром 114X7 мм, проложенных в меж­обшивочном пространстве каркаса: шесть труб на стороне переднего и шесть — на стороне заднего фрон­тов (на рис. 10.1 не показаны). Вто­рой контур циркуляции образован из первого сплошного ряда бокового эк­рана 9 с трубами диаметром 44,5X3 мм и притопочного пучка 7, у ко­торого два первых ряда труб имеют диаметр 44,5X3 мм, а два следую­щих — 29Х 2,5 мм. Опускные трубы 11 этого контура диаметром 57X3,5 мм располагаются за первым рядом экрана. Трубы экрана и притопоч­ного пучка подведены к экранному коллектору 12.

Пароперегреватель 15 имеет петли 17, выполненные из труб диаметром 25 X 2,5 мм, которые развальцованы в коллекторе 14, разгороженном вертикальными перегородками. Прост­ранство между петлями предназна­чено для осмотра, очистки при необ­ходимости ремонта элементов труб­ной части пароперегревателя. Пет­ли пароперегревателя имеют в верх­ней части опору в виде пустотелой трубы-балки 19, по которой пропус­кается охлаждающий воздух. В паро­вом коллекторе 4, помимо обычно предусматриваемых внутренних уст­ройств, находится вспомогательный пароохладитель 3, охлажденный пар от которого расходуется на ходу для работы турбопитательных насосов и пароструйных воздушных эжекторов главной паротурбинной установки. Для очистки труб от наружных заг­рязнений предусмотрены автомати­зированные сажеобдувочные устрой­ства 18 и 22.

Хвостовой поверхностью нагрева котла является двухсекционный эко­номайзер I, смонтированный из че­тырех змеевиковых пакетов с диамет­ром труб 38 X 3 мм.

У котла применен паровой возду­хоподогреватель 6, установленный на переднем фронте котла и выполнен­ный из прямых труб диаметром 22 X 2 мм. Для увеличения поверх­ности теплообмена на трубы наса­жены круглые ребра. Греющий пар и конденсат движутся внутри труб, а воздух омывает ребристую поверх­ность снаружи. Воздух, подаваемый котельным вентилятором в межобши­вочное пространство каркаса, нап­равляется в воздухоподогреватель, нагревается в нем примерно до тем­пературы 130° С и поступает в топку. Топочное устройство котла оборудо­вано четырьмя паромеханическими форсунками 10 и ВНУ с профиль­ными поворотными лопатками.

На рис. 10.1, кроме указанных эле­ментов, приведены следующие; паро­сепарирующий щит 2, паровой кла­пан к воздухоподогревателю 5, труба для отвода конденсата от воздухо­подогревателя 8, пароперепускная труба 13, изоляция обшивки 21.

Предшественниками котлов КВГ- 34К были котлы КВГ-25 и КВГ-25К (корректированного проекта) паро- производительностью 25 т/ч и выра­батывающие пар тех же параметров. Эти котлы устанавливались на боль­шой серии (24 единицы) отечест­венных сухогрузных судов типа «Ле­нинский комсомол» с паротурбинной установкой 9550 кВт, строящихся в конце 50-х — началё 60-х годов. В настоящее время из этой серии в эксплуатации остались только суда более поздних лет постройки. Котлы судов типа «Ленинский комсомол» и танкеров типа «София» имеют ана­логичные компоновку и поверхности нагрева, выполненные из труб одина­ковых размеров. Примерно равны и их экономические показатели, т. е. КПД «93%. Основное отличие этих котлов в паропроизводительности, незначительных общих размерах, хвостовых поверхностях нагрева, числе и типе форсунок. После замены у котлов КВГ-34К газового воздухо­подогревателя на паровой была уст­ранена коррозия его труб, а после

замены шести механических центро­бежных форсунок на четыре паро­механические упростилась конструк­ция и эксплуатация агрегата. На рис. 10.2 для сравнения приведены схемы компоновок котлов К.ВГ-25 и КВГ-34К.

Наиболее современные и эконо­мичные главные пароэнергетические установки выполняют с промежуточ­ным перегревом пара. Перегретый пар от основного пароперегревателя направляется в турбину, частично со­вершает в ней работу (температура его при этом понижается), возвра­щается в промежуточный пароперег­реватель, приобретает первоначаль­ную температуру и поступает в пос­ледующие ступени турбины, что поз­воляет общий процесс расширения пара в ней приблизить к наиболее экономичному — изотермическому.

Для осуществления промежуточ­ного перегрева пара потребовались существенные изменения в конструк­ции и компоновке котлов, которые стали называть агрегатами шахтного типа. Обычно такие котлы входят в

4

Рис, 10,2. Схемы компоновки котлов КВГ-25 (а) и КВГ-34К (Ö): 1 газовый, воздухоподогреватель; 2экономайзер; 3 — форсунки; 4 паровой воздухоподогреватель

состав так называемой полутора­котельной установки, в которой котел шахтного типа используется как главный, а другой (однопроточный обычного типа) — в качестве вспомо­гательного для обеспечения судна па­ром на стоянке, а также для работы главной турбины на ходу в случае выхода из строя главного котла. Кот­лы шахтного типа оборудуют паро­образующими элементами только радиационного типа, которые обра­зуют полностью экранированную топку. Средними экранными стенка­ми, образованными из испаритель­ных труб, котлы делятся на две час­ти: топочную камеру и камеру в виде шахты, где размещаются конвектив­ные поверхности нагрева пароперег­ревателей (основного и промежуточ­ного) и экономайзера. Подобная ус­тановка применена на серии крупно­тоннажных танкеров типа «Крым», где установлены в качестве главного котел КВГ-80/80 паропроизводитель- ностью 80 т/ч при давлении перегре­того пара 8 МПа и температуре 515 °C, имеющий КПД 96%, в каче­
стве вспомогательного — котел КВ- 35/25-1 паропроизводительностью 35 т/ч.

Котел показан на рис. 10.3 и 10.4 (номера позиций на рисунках совпа­дают). Правая часть агрегата, пред­ставляющая топочную камеру 12, об­разована экранами 11, 13, 15. Трубы торцевых экранов закреплены в кол­лекторах 9 и 14. Топочная камера оборудована четырьмя паромехани­ческими форсунками 7, расположен­ными в верхней части топки. Опуск­ными являются трубы 10, соединяю­щие паровой коллектор 2 с водяным коллектором 16. Образующиеся в топке продукты сгорания топлива проходят через разреженный участок труб 15, называемый фестоном, и поступают в шахту 18, где разме­щены конвективные змеевиковые по­верхности нагрева основного паро­перегревателя 19, промежуточного пароперегревателя 25, экономайзера 29 и трубчатые поверхности нагре­ва воздухоподогревателя 1.

Пар из парового коллектора по паропроводу 8 поступает в основной

 

19 18 17 16 18  19-

Рис. 10.3. Схема компоновки котла КВГ-80/80 120

 

 

пароперегреватель 19, состоящий из двух секций. Часть пара после пер­вой секции может быть направле­на по паропроводу 17 в главный пароохладитель 5 для возможности регулирования температуры перегре­того пара. Из основного пароперег­ревателя (после второй секции) пар по паропроводу 21 поступает к глав­ной паровой турбине. Предусмотре­ны также частичный отвод пара по паропроводу 20 во вспомогательный пароохладитель 4 и подача его в магистраль охлажденного пара 3. Частично отработавший в главной ТВД пар по паропроводу 27 посту­пает в промежуточный пароперегре­ватель 25, откуда вновь перегретый по паропроводу 23 снова направля­ется в главную турбину. На схеме также обозначено: 6, 22, 24,26, 28 — трубопроводы; 30 — подогреватель.

Регулирование температуры пе­регретого пара в промежуточном па­роперегревателе осуществляется с помощью перепускного паропровода 24, который предназначен для пода­чи насыщенного пара в промежуточ­ный пароперегреватель (для защиты от пережога) и сброса его по паро­проводу 26 в систему охлажденного пара.

Питательная вода подается в эко­номайзер 29 по трубопроводу 28, а в котел — по трубопроводу 6. Воз­духоподогреватель трехходовой по газу и одноходовой по воздуху. По­следний пучок труб (третьего хода), где температура уходящих газов наи­более низкая, с газовой стороны име­ет защитное покрытие фторопластом против химической (низкотемпера­турной) коррозии. На режимах ма­лых нагрузок также для защиты воз­духоподогревателя от химической (низкотемпературной) коррозии предусмотрен предварительный по­догрев воздуха питательной водой в подогревателе 30.

На судах зарубежной постройки в качестве главных применяют котлы, конструктивно и по характеристикам мало отличающиеся от рассмотрен­ных котлов отечественной постройки. 122

Это тоже, как правило, вертикаль­ные водотрубные однопроточные котлы с естественной циркуляцией, развитыми хвостовыми поверхностя­ми нагрева и часто с полностью экра­нированной топкой. Секционные кот­лы, являющиеся единственными представителями горизонтальных во­дотрубных котлов, в свое время при­шедшие на смену газотрубным (ог­нетрубным) оборотным как более со­вершенные и экономичные, в насто­ящее время как главные не при­меняются. До 50-х годов на судах за­рубежной постройки они широко ис­пользовались в паромашинных и па­ротурбинных энергетических уста­новках и еще могут встретиться на старых судах. Однако с ростом мощ­ностей паротурбинных установок их паропроизводительность и парамет­ры оказались недостаточными, поэ­тому если их еще строят, то только для использования в качестве вспо­могательных.

§ 10.2 Перспективы развития судового котлостроения

В ближайшие годы пополнение отечественного морского флота суда­ми с паротурбинными установками, работающими на органическом топ­ливе, не предполагается. Поэтому в настоящее время о перспективах раз­вития котлостроения для судов морс­кого флота можно говорить только относительно вспомогательных и ути­лизационных котлов. Существует много разновидностей этих котлов, применение которых тесно связано с назначением судна. Кроме того, учи­тывая предстоящее значительное пополнение отечественного флота су­дами зарубежной постройки, следует ожидать появление большого разно­образия на них вспомогательных и утилизационных котлов. Поскольку продолжается строительство крупно­тоннажных танкеров и балктанкеров (нефтерудовозов), будут создавать­ся более совершенные конструкции высокопроизводительных, более эко­номичных, надежных и удобных в эксплуатации вспомогательных кот­лов с применением пароперегревате­лей и хвостовых поверхностей нагре­ва. Большое внимание будет уделять­ся вспомогательным и утилизацион­ным котлам для специализированных судов (ролкеров, лихтеровозов, уни­версальных судов и др), а также вспомогательным котлам для обеспе­чения паром атомоходов при нера­ботающей атомной паропроизводя­щей установке (АППУ). Новые кот­лы будут создаваться только авто­матизированными для работы в ре­жиме безвахтенного обслуживания преимущественно водотрубные. Лишь на судах с малыми потребностями в паре может продолжаться приме­нение газотрубных и газоводотруб­ных котлов. Вспомогательные водо­трубные котлы будут более эконо­мичные и компактные благодаря эк­ранированию топок и применению хвостовых (хотя и несильноразви­тых) поверхностей нагрева. Утили­зационные котлы, обеспечивающие эффективное использование теплоты отработавших газов от главных ди­зельных двигателей, будут преиму­щественно с принудительной цирку­ляцией, оборудованные сепаратором пара. В связи с расширением при­менения на судах схем глубокой утилизации теплоты с использова­нием ходового утилизационного тур­богенератора утилизационные котлы

в этом случае будут обязательно оборудоваться пароперегреватель­ными секциями.       ।

Энергетические установки дизель­ных судов будут комплектоваться отдельно вспомогательными и от­дельно утилизационными котлами и в значительной степени реже котла­ми с комбинированным отоплением. Котлы будут выполнять роль обору­дования по защите окружающей мор­ской среды от загрязнений, генери­ровать уходящие газы в систему инертных газов грузовых танков тан­керов, повышая тем самым их пожа­робезопасность.

Паровые котлы по-прежнему оста­нутся основными генераторами паро­вого (водяного) теплоносителя в раз­личных теплообменных аппаратах.

На малых судах будут применяться водогрейные котлы. Что касается от­дельных котлов, в которых вместо воды применяются специальные теп­лоносители (например,термомасла), то их широкого применения ожидать не приходится.

Контрольные вопросы

1. Перечислите характеристики котлов КВГ-25К и КВГ-34К.

2. Чем, кроме паропроизводительности, от­личается котел КВГ-25К от котла КВГ-34К?

3. Перечислите характеристики и особен­ности котла КВГ-80/80.

, 4. Каковы перспективы использования па­ровых котлов на современных морских судах?

Раздел второй

СУДОВЫЕ ТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

Глава 11 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ТУРБИНЫ

 

§ 11.1. Активные турбины

Особенности турбины как теплово­го двигателя. Турбина (от латин­ского слова «turbo», т. е. вихрь) яв­ляется тепловым ротационным дви­гателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а пос­ледняя в свою очередь преобразу­ется в механическую работу враще­ния вала. (В дальнейшем слово «газ» опущено, однако все излагае­мое относится как к пару, так и к газу,)

Такое преобразование может осу­ществляться одновременно на одних и тех же подвижных частях тур­бины или же преобразование потен­циальной энергии в кинетическую может происходить на неподвижных частях турбины, а превращение ки­нетической энергии в механическую работу — на подвижных. В первом случае турбина будет чисто реактив­ной, а во втором — чисто активной.

По чисто реактивному принципу работают только радиальные турби- ны₍ типа Юнгстрем, которые из-за ряда существенных недостатков на судах не применяются.

Наконец, превращение потенци­альной энергии пара в кинетическую может происходить частично на не­подвижных частях турбины и частич­но — на подвижных; в этом случае турбина работает с некоторой сте­пенью реактивности. Все современ- 124

ные турбины действуют по послед­нему принципу.

Турбины, действие которых осно­вано преимущественно на активном принципе, называют активными, а турбины, действие которых основано наполовину на реактивном принци­пе,— реактивными.

Принцип действия и устройства турбины легко уяснить на примере простейшей активной турбины, схема которой показана на рис. 11.1, а. Пар с давлением более высоким, чем за турбиной, поступает в одно или несколько неподвижных каналов (сопл) 5. В сопловых каналах пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает. Следователь­но, в соплах происходит первое пре­образование тепловой потенциаль­ной энергии в кинетическую.

Из сопл пар поступает в рабочие каналы, образованные рабочими ло­патками 3, закрепленными на диске 2. Двигаясь в рабочих каналах между рабочими лопатками и изме­няя свое направление, поток пара оказывает силовое воздействие на рабочие лопатки, заставляя их вра­щаться вместе с диском и валом 1, установленным в опорных под­шипниках 4. Следовательно, на ра­бочих лопатках происходит второе преобразование энергии: кинетичес­кая энергия пара преобразуется.в механическую работу.

Комплект, состоящий из сопл и рабочих лопаток, в которых со-

вершается процесс расширения пара, называется ступенью давления тур­бины. Простейшие турбины, имею­щие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Одноступенчатая турбина. На рис. 11.1, б показан продольный разрез одноступенчатой активной турбины. Ее вращающаяся часть состоит из вала /, на который насажен диск 2 с рабочими лопатками 3. В кор­пусе 5 турбины вставлены одно или несколько сопл 4.

Сечение Л — Л представляет собой развернутое на горизонтальную плос­кость сечение сопл и лопаток. Вид­но, что оси сопл расположены под некоторым углом к плоскости диска.

На рис. 11.1, б показаны кривые изменения давления и абсолютной скорости пара при его прохождении по проточной части турбины. Све­жий пар давлением ро подводится к соплам. Пар в сопле расширяется, и давление падает от р<> до р\, а скорость возрастает от Со до щ. С этой скоростью пар поступает на ра­бочие лопатки, которым он отдает часть своей кинетической энергии, приводя во вращение диск с укреп­ленными на нем лопатками и вал. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до выходной скорости Ci- Расширение пара на рабочих лопатках не происходит, поэтому давление р\ пара до диска равно давлению р₂ за диском.

Несмотря на простоту устройства, одноступенчатые паровые турбины не получили распространения из-за низкой экономичности, большой час­тоты вращения и невозможности по­лучения значительных мощностей. Одноступенчатые газовые турбины широко применяются в качестве приводов турбокомпрессоров дизе­лей.

Чтобы избежать высокой частоты вращения и чрезмерной окружной скорости, сохранив при большом пе­репаде энтальпий высокий КПД, современные паровые турбины стро­ят многоступенчатыми, со ступенями давления, ступенями скорости и раз-

 

личными комбинациями ступеней давления и скорости.

Многоступенчатые турбины со сту­пенями давления. Идея ступеней давления пара заключается в следу­ющем: вместо того, чтобы расширить пар от начального до конечного дав­ления в одной ступени, его застав­ляют расширяться в нескольких по­следовательно расположенных ступе­нях, используя в каждой ступени небольшие перепады теплоты и дав­ления. Ступени давления применяют в активных и реактивных турбинах.

Рассмотрим' активную турбину с тремя ступенями давления (рис. 11.2). На валу 1 насажены три диска 2, 3, 4, на которых укреплены ра­бочие лопатки 6, 8, 10. Корпус тур­бины разделен диафрагмами на три отдельные камеры. Сопла 5 первой ступени расположены в передней стенке турбины, а сопла 7 второй и 9 третьей ступеней — в диафраг­мах по их окружности. Свежий пар давлением ро со скоростью со под­водят к соплам первой ступени, где он расширяется до давления а скорость увеличивается до значения С|. После этого пар попадает на ра­бочие лопатки 6 и отдает им свою кинетическую энергию. Скорость па­ра уменьшается до сг, давление же пара по обе стороны диска остается постоянным. Затем пар поступает в сопла второй ступени 7, где расши­ряется от давления р'\ до давления р", и, приобретая снова кинети­ческую энергию, поступает на ра­бочие лопатки 8, где отдает эту энер­гию. При прохождении по рабочим лопаткам 8 пар сохраняет давление р" неизменным.

Расширение пара в соплах третьей ступени 9 и преобразование кине­тической энергии в механическую ра­боту на рабочих лопатках 10 проис­ходят так же, как в первой и вто­рой ступенях, после чего пар дав­лением р2 со скоростью С2 поступает по паровыпускному патрубку в кон­денсатор.

Таким образом, расширение пара от давления ро до давления р2 про­исходит не сразу, а в три приема, т. е. тремя ступенями. Ввиду того что по мере расширения пара его объ­ем возрастает, высоту сопл и лопа­ток турбины приходится постепенно увеличивать. Благодаря равномер­ному распределению перепада эн­тальпий в этих турбинах удается достичь высокой экономичности. Они могут быть изготовлены практически на любую мощность и являются на­иболее распространенным типом со­временных главных и вспомогатель­ных судовых турбин.

Такая турбина в зависимости от рабочего тела может быть паровой или газовой. В современных паро­вых турбинах чисто активные сту­пени давления не применяются, ибо в них пар при прохождении кана­лов рабочих лопаток дополнительно расширяется, т. е. активные турбины при этом изготавливают с некоторой степенью реактивности на рабочих лопатках.

Многоступенчатая турбина со сту­пенями скорости. Идея ступеней ско­рости пара заключается в том, что сначала его потенциальная энергия в расширяющихся соплах полностью преобразуется в кинетическую энер­гию, а уже затем она превращается в механическую работу на двух или на трех рядах лопаток. Между рабо­чими лопатками располагаются не­подвижные направляющие лопатки, служащие для изменения направле­ния движения пара. Пар, отдав часть своей кинетической энергии первому ряду лопаток, направляется в после­дующие ряды, укрепленные в этом же диске, где используется еще часть кинетической энергии пара.

Схема турбины с двумя ступенями скорости показана на рис. 11.3. Она отличается от схемы одноступенча­той турбины (см. рис. 11.1) тем, что на ободе диска 2 установлены два ряда рабочих лопаток 4 и 6, а в промежутке между ними помещен ряд направляющих лопаток 5, за­крепленных в корпусе турбины 1. В верхней части рис. 11.3 построена диаграмма изменения давления и аб­солютной скорости пара. Свежий пар, подводимый к соплам 3, расши­ряется в них от давления ро до давле­ния р\. Далее при прохождении па­ра между лопатками его давление уже не меняется, т. е. по обе стороны диска оно остается неизменным (pi = Pi)-

Скорость пара при расширении его в соплах увеличивается до значе­ния ci. С этой скоростью пар по­ступает на первый ряд рабочих ло­паток, где вследствие преобразова­ния части кинетической энергии в механическую работу и затраты на преодоление вредных сопротивлений скорость уменьшается до значения С2, с которой пар и поступает на направляющие лопатки.

Направляющие лопатки аналогич­ны рабочим, но выгнуты в проти­воположную сторону. Так как они не­подвижны, никакой работы на них пар не совершает, а потому скорость пара уменьшается немного (до cf), что происходит вследствие затраты некоторой части кинетической энер­гии на преодоление вредных сопро­тивлений на этих лопатках.

На рабочих лопатках второго ряда опять кинетическая энергия пара преобразуется в механическую рабо­ту. Поэтому скорость пара с(, с кото­рой он входит на этот ряд лопаток, снижается до ci.

В рассматриваемой турбине (как и в одноступенчатой) все расшире­ние пара происходит сразу в соп­лах одной ступени, но кинетическая энергия используется на двух рядах рабочих лопаток, поэтому турбина называется активной с одной сту­пенью давления и двумя ступенями скорости. Диск этой турбины в отли­чие от одноступенчатого диска, имею­щего один ряд рабочих лопаток (од­ну ступень скорости), называется двухвенечным, или диском с двумя ступенями скорости.

Встречаются колеса с двумя, тре­мя и четырьмя ступенями скорости, но в настоящее время их строят обыч­но с двумя ступенями. Это объясня­ется тем, что КПД турбины резко уменьшается с увеличением числа ступеней скорости.

Пар на лопатках турбины со сту­пенями скорости не расширяется, вы­сота же лопаток от ряда к ряду по­степенно возрастает в связи с тем, что скорость течения пара постепен­но (от ряда к ряду) убывает и, чтобы пропустить в единицу време­ни ту же массу (и тот же объем) пара, но с меньшей скоростью, тре­буются каналы с большим проход­ным сечением.

Преимуществом турбин со ступе­нями скорости являются простота и небольшие размеры, невысокая стои­мость. Существенный недостаток — низкая экономичность, эффективный КПД турбины с двумя ступенями скорости составляет 0,55—0,65.

Применяют турбины со ступенями скорости в агрегатах, работающих непродолжительное время; в этом случае простота устройства, малые масса и габаритные размеры более существенны, чем невысокая эконо­мичность. Эти турбины применяются в качестве турбины заднего хода главных турбин, так как продолжи­тельность работы заднего хода неве­лика, в приводах грузовых насо­сов танкеров (эти насосы работают в основном в период выкачки гру­за в порту), а иногда в приводах к питательным насосам с использо­ванием отработавшего пара для подогрева питательной воды.

Достаточно широко используются турбины с двумя ступенями скорос­тей в качестве первой (регулировоч­ной ступени) в комбинированных и

так как двухвенечное колесо заме­няет четыре одновенечных диска или восемь реактивных ступеней.

Комбинированная турбина. Актив­ные турбины со ступенями давления, у которых одна или несколько сту­пеней давления имеют ступени ско­рости, называются активными ком­бинированными турбинами.

На рис. 11.4 показана схема ком­бинированной активной турбины с первой ступенью давления в виде двухвенечного колеса. В верхней ча­сти рис. 11.4 показаны кривые изме­нения давления и абсолютной ско­рости пара при течении его по про­точной части.

Турбины такого типа устанавли­ваются в качестве приводов мощных вспомогательных электрогенерато­ров и насосов.

§ 11.2. Реактивная и активно­реактивная турбины

Работа пара в реактивной сту­пени. Чисто реактивные турбины (как было сказано выше) в практике при­менения не нашли. Используются только многоступенчатые полуреак- тивные турбины (называемые упро­щенно реактивными), в которых пар расширяется в неподвижных на­правляющих каналах и в подвижных каналах между рабочими лопатками

ротора примерно в равных долях падению энтальпий. а)

Рис. 11.5. Схема реактивной ступени (а) и действия сил на рабочую лопатку (б) О Зак. 592

по ложно ускорению струи пара, а сле­довательно, зависящей от формы

Рг

В реактивной ступени (рис. 11.5, а) пар с давлением ро и скоростью со поступает в каналы между непод­вижными направляющими лопатка­ми 1, закрепленными в корпусе 2 тур­бины, где он частично расширяется до давления p_t, как в соплах, и при­обретает скорость С|. С этой скоро­стью пар входит в каналы между рабочими лопатками 3, укреплен­ными на роторе 4 барабанного типа и, воздействуя на эти лопатки, отдает им приобретенную кинетическую энергию. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до величины выходной скорости. Таким образом, здесь также осуществляется актив­ный принцип. Кроме того, вследствие суживающейся формы каналов ра­бочих лопаток пар в них дополни­тельно расширяется до давления р2, что вызывает появление реактив­ной силы, действующей на каждую лопатку. Направление движения ра­бочих лопаток показано стрелкой. Рассмотрим силы, действующие на рабочую лопатку реактивной сту­пени. Направление движения струи пара, попадающей- в каналы меж­ду рабочими лопатками, изменя­ется, в результате чего развиваются центробежные силы частиц пара, суммарное действие которых создает активное усилие Р_акт (рис. 11.5, б). Расширение пара в рабочем канале приводит к появлению реактивной силы Рреакт- направленной противопо- канала. Сложив геометрически силы Р_акт и Р_реакт, получим равнодей­ствующую силу Р, окружная состав­ляющая Р„ которой вращает ротор, а осевая — Р_я воспринимается упор­ным подшипником. Кроме того, из-за разности давления рг у входа в рабочий канал и у выхода из него возникает дополнительное осевое усилие Р_а, направленное в сторону движения потока. Для компенсации осевой силы применяют специаль­ные разгрузочные устройства.

Многоступенчатая реактивная тур­бина. Схема работы пара в много­ступенчатой реактивной турбине по­казана на рис. 11.6. Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопат­ки 3, и ротора 2, на котором раз­мещены подвижные рабочие лопатки 1. Пар давлением ро подводится к кольцевому каналу 5 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до дав­ления р\ и увеличивает свою ско­рость до значения щ. Проходя да­лее по первому ряду рабочих лопа­ток, пар продолжает расширяться. Абсолютная скорость пара на рабо­чих лопатках уменьшается до значе­ния С2 вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляю­щие лопатки второй ступени пар вхо­дит, имея абсолютную скорость сг. Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою ско-

Рис. 11.6. Многоступенчатая реактив­ная турбина

рость от С2 до ci, с которой посту­пает на второй ряд рабочих лопаток, и т. д., пока пар не пройдет всю про­точную часть и не будет исполь­зован весь располагаемый для ра­боты турбины перепад энтальпий.

Вследствие разности давлений па­ра при входе на рабочие лопатки и при выходе с них и динамического усилия потока в турбине создается осевое усилие, стремящееся сдвинуть ротор в сторону движения пара. Для разгрузки этого усилия в перед­ней части ротора установлен думмис (разгрузочный поршень) 6. Сущ­ность действия думмиса заключает­ся в том, что пространство перед ним сообщается при помощи трубы 7 с полостью отработавшего пара и таким образом создается разность давлений, действующая в сторону, противоположную направлению дви­жения пара.

Реактивные турбины большой мощности для уменьшения длины ло­паток их последних ступеней часто делают двухпоточными. В этом слу­чае турбина будет уравновешенной в осевом направлении и необходи­мость в думмисе отпадает.

На рис. 11.7, а представлена тур­бина с расходящимся, а на рис. 11.7, б — со встречным течением пара. Вход пара А в турбину и выход па­ра Б из турбины показаны стрел­ками.

Из-за разности давлений на лопат­ках в турбинах реактивного типа наблюдается протечка пара через ра­диальные зазоры у концов направ­ляющих рабочих лопаток. В чисто активных турбинах протечки воз­можны только через зазоры диафраг­мы, так как здесь давление пара по обе стороны рабочих лопаток одина­ково. Для уменьшения протечек па­ра у реактивных турбин зазоры меж­ду рабочими лопатками и корпусом, а также между направляющими ло­патками и ротором делают как мож­но меньше.

По сравнению с активными тур­бинами паровые реактивные турби­ны менее выгодны в случае приме­

нения пара высокого давления. По­скольку такой пар имеет малый удельный объем, то необходимо уста­навливать лопатки небольшой высо­ты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки па­ра через такие зазоры.

В случае же применения пара низ­кого давления в реактивной турби­не относительные размеры радиаль­ных зазоров получаются неболь­шими. При этом и потери на протечки будут незначительными и КПД не­много выше, чем в активной турбине.

Таким образом, при умеренных параметрах пара активная и реак­тивная турбины мало отличаются од­на от другой по экономичности, а также массе и размерам. Однако реактивную турбину, имеющую мас­сивный барабанный ротор, требуется длительно прогревать перед пуском и ей необходимо продолжительное время на смену режима при манев­рировании.

При активной проточной части турбины уменьшается число ступе­ней и допускаются более высокие окружные скорости. Турбина с дис­ковым ротором небольшой длины бо­лее приспособлена к работе при вы­соких параметрах, чем реактивная турбина. Ротор активной турбины сравнительно быстро прогревается при соприкосновении с паром, имея в процессе прогревания примерно одинаковую с корпусом турбины тем­пературу; при этом уменьшаются деформации деталей Турбиными со­храняются почти постоянными ра­диальные и осевые зазоры в про­точной части. Поэтому в настоящее время отечественные турбострои­тельные заводы и известные зару­бежные фирмы строят в основном активные паровые судовые турбины.

Смешанные активно-реактивные турбины. В связи с выгодой исполь­зования активного принципа в обла­сти высоких давлений, а реактивно­го — в области низких применяют смешанные турбины, имеющие актив-

Рис. 11.7. Двухпроточные реактивные турбины

 

ные ступени высокого и реактивные низкого давления.

На рис. 11.8 показана схема наибо­лее простой смешанной турбины, со­стоящей из колеса с двумя ступе­нями скорости и реактивных сту­пеней. Двухвенечный диск 1 состав­ляет первую регулировочную сту­пень давления и многоступенчатая турбина 2 — вторую ступень. Диа­грамма изменений давления и ско­рости пара в проточной части этой турбины представляет собой соеди­нение кривых, показанных на рис. 11.3 и 11.6.

Установка колеса с двумя ступе­нями скорости в качестве первой ак­тивной ступени давления в много­ступенчатых реактивных турбинах ступени дает следующие преимуще­ства по сравнению с турбиной, име­ющей только реактивные ступени: возможность количественного (соп­лового) регулирования расхода па­ра путем подбора количества рабо­тающих сопл без понижения началь­ного давления пара;

уменьшение числа ступеней, а сле­довательно, длицы турбины;

уменьшение осевого давления в реактивных ступенях турбины;