ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Принцип работы паровой турбины из "Общая теплотехника Издание 2 " До конца прошлого века превращение тепловой энергии в механическую работу в поршневых машинах было единственным способом, применявшимся в промышленной практике. Основанный на простейшем принципе непосредственного превращения потенциальной энергии пара в работу, совершаемую поршнем машины, этот способ требовал осуществления отдельного цикла для каждой порции пара, поступающей в цилиндр паровой машины, т. е. принципиально допускал лишь периодический процесс работы теплового двигателя. Как с термодинамической точки зрения (возможно меньшее отклонение от обратимости), так и с конструктивной (наличие возвратно-поступательного движения) этому способу было свойственно медленное протекание процессов, и повышение скоростей лриводило к увеличению потерь и понижению к. п. д, теплового двигателя. Однако простота и наглядность принципа позволяли осуществлять превращение тепловой энергии в механическую в промышленных условиях даже при сравнительно низком уровне развития техники и науки. Простая, неприхотливая и надежная паровая машина весьма успешно удовлетворяла потребностям отдельных промышленных предприятий в двигателях небольшой мощности при небольших скоростях протекания производственных процессов и сыграла огромную роль в развитии промышленности, машиностроительной техники и науки. Развитие термодинамики в громадной степени стимулировалось паровой машиной. [c.290] Наряду с этим дифференциация и совершенствование производственных процессов и увеличение числа отдельных производственных агрегатов, увеличение пространственных размеров предприятий и необходимость передачи мощностей на значительные расстояния чрезвычайно обострили недостатки трансмиссионных приводов. Противоречие между целесообразностью повышения единичных мощностей машин-двигателей и увеличением числа машин-орудий привело к применению и широкому распространению наиболее совершенного и универсального вида энергии — электрической. Применение электрической энергии сделало возможной концентрацию огромных мощностей в единичных агрегатах и установках и в то же время принесло исключительную легкость передачи энергии практически на любые расстояния и неменьшую легкость дробления на сколь угодные малые мощности, потребляемые в отдельных производственных процессах, а также осуществления практически любых скоростей (чисел оборотов) отдельных машин-орудий. [c.290] НЫМ тепловым процессом, не имеющих возвратно-поступательного движения отдельных частей. Такими двигателями, получившими практическое применение в конце прошлого века, явились паровые турбины, принцип дерТ-ствия которых был известен уже в глубокой древности (шар Герона). [c.291] Скоростные коэффициенты сопел определяются с помощью опытов и данные об их величинах приведены далее. [c.292] Второй процесс — передача кинетической энергии пара вращающемуся валу турбины — осуществляется следующим образом (фиг. 1-44). [c.292] УГЛОМ 1 к плоскости диска со скоростью С. [c.292] Вал турбины с дисками и всеми связанными с валом деталями называется ротором, а корпус турбины со всеми неподвижными деталями — статором. [c.292] Если бы. яопатки были неподвижны (и вал турбины не вращался), то поток пара, обтекая лопатки, при постоянном сечении канала между ними и прп отсутствии потерь изменял бы только свое направление и оказывал бы при этом давление на рабочую поверхность лопаток, не совершая полезной работы. Однако давление потока пара на лопатки заставляет ротор вращаться и при движении лопаток со средней окружной скоростью и м/сек (средней окружной скоростью лопатки называется скорость на диаметре, соответствующем середине высоты лопатки и называемом диаметром ступени) поток пара соверщает работу, равную произведению проекции силы полного давления потока пара на путь, проходимый лопаткой. [c.292] Эта потеря кинетической энергии повышает теплосодержание пара, выходящего из лопаточного канала. [c.293] Абсолютная скорость выхода пара нз рабочей лопатки (геометрическая сугл-ма и и) и угол выхода находятся построением треугольника скоростей выхода, как это показано на фиг. 5-2,6. При этом относительный и абсолютный углы выхода пара из лопаток 1 (углы направления относительной ш 2 и абсолютной скоростей выхода пара из лопаток) принято определять как дополнительные углы к углам и а, отсчитываемым в том же направлении, что и углы а, и р,. На фиг. 5-2,6 показаны треугольники скоростей входа и выхода, причем все векторы скоросте ю и г построены из одной точки О. На этом чертеже показаны также значения проекций всех скоростей на плоскость диска (окружная составляющая скоростей) и на перпендикулярное диску направление (осевая составляющая скоростей). [c.293] Пользуясь треугольниками скоростей, нетрудно определить величину проекций полного давления потока пара на плоскость диска (окружное усилие) и в осевом направлении (осевое усилие). [c.293] Величина полного давления потока пара на лопатку может быть определена с помощью закона импульса (количества движения), глася це1 о, что произведение величины силы на время ее действия (импульс силы) равно полному геометрическому изменению произведения массы на скорость (количества движения). [c.293] Так как пар из сопла вытекает непрерывно, а ротор турбины вращается с постоянной окружной скоростью, то паровая турбина работает при данном расходе пара с постоянным окружным усилием и вращающим моментом (произведением окружного усилия на радиус). [c.293] На фиг. 5-2, в показаны изменения давления, абсолютной скорости и теплосодержания пара при прохождении через сопла и рабочие лопатки турбины, работающей по описанному принципу. Давление пара перед соплами равно Pq и уменьщается до конечного р при выходе из сопла. Таково же давление пара и при выходе из рабочих лопаток. Абсолютная скорость пара в соплах увеличивается от величины q перед ними до j при выходе и уменьщается на рабочих лопатках до величины с, при выходе из них. Теплосодержание пара уменьшается в соплах от Q до i и на рабочих лопатках увеличивается вследствие потерь до Совокупность сопел и рабочих лопаток, в которых протекает рассмотренный процесс, называется ступенью турбины. [c.293] Рассмотренный принцип работы паровой турбины называется активным, а турбины, работающие по этому принципу, активными (их называют иногда также турбинами равного давления). Характерным свойством активных турбин является превращение тепловой энергии в кинетическую (понижение давления) только в соплах, в то время как на лопатках происходит лишь уменьшение скорости (абсолютной). [c.293] Наряду с активным принципом применяется также реактивный принцип работы паровых турбин. [c.293] На рабочих лопатках пар продолжает расширяться, а давление— падать до конечного. [c.294] Для получения пара с начальными параметрами Pq, tu из воды при температуре 0°С затрачивается определенное количество тепла / о ккал кг. Использование этого тепла в турбине будет тем лучше, чем большее теплопадение будет превраш ено в механическую работу на лопатках турбины. С увеличением теплопадения в ступени, как следует из (5-1) или (5-8), растет и скорость выхода пара из сопла С]. [c.295] Для того чтобы при увеличении теплопадения в ступени не увеличивать долю потерь с тлходной скоростью, необходимо, как это следует на фиг. 5-2,6, пропорционально С] увеличивать окружную скорость и (сохранять подобие треугольников скоростей при больших и малых значениях с,). Однако возможность увеличения окружной скорости ограничена допустимыми механическими напряжениями в лиске и лопатках, что препятствует увеличению используемого в ступени теплопадения (по[5ын1ению скорости С)). [c.295] Деление всего перепада давлений и теплопадения в турбине на ряд расположенных одна за другой ступеней было осуществлено уже в первых реактивных турбинах Парсонса, в то время как первые активные турбины Лаваля были одноступенчатыми, т. е. с использованием всего перепада в одной ступени. Для возможности осуществления таких одноступенчатых пурбнн пришлось преодолеть большие технические трудности и решить ряд сложных технических задач. К их числу прежде всего относится конструирование расширяющегося сопла, в котором возможно получение сверхкритиче-ских скоростей (см. 1-17), причем в узком сечении сопла получается критическая (звуковая) скорость. Кроме того, при высоких скоростях пара и соответствующих высоких окружных скоростях оказывалось невозможным осуществление ротора (вала) при существовавшем до того уровне техники. Эту задачу удалось решить применением диска равного сопротивления и гибкого вала (см. 5-6). При сравнительно малом диаметре диска число оборотов в одноступенчатых активных турбинах было чрезвычайно большим—порядка 10 ООО- 40 000 об/мин. Применение таких турбин для привода электрических генераторов требовало осуществления специальных зубчатых передач— редукторов для снижения числа оборотов. [c.295] Вернуться к основной статье