Читать книгу Турбовозы. История, теория, конструкция - Евгений Лосев - Страница 5

Паровые и газовые турбины – это тепловые расширительные турбомашины, в которых потенциальная энергия нагретого и сжатого пара (газа) при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вращающемся валу. К турбомашинам относятся и турбокомпрессоры, преобразующие механическую энергию, подводимую к валу, в потенциальную энергию сжатого воздуха (газа) при его торможении в лопаточном аппарате. Вращающиеся лопатки, закреплённые на роторе турбомашины, изменяют полную энтальпию рабочего тела, при этом производится положительная (в турбинах) или отрицательная (в компрессорах) работа.

Ступени осевой турбомашины образуют проточную часть. Процесс расширения в осевой турбине или сжатия в осевом компрессоре происходит в одной или нескольких ступенях. Ступень турбины – это совокупность неподвижного соплового аппарата, поворачивающего рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса, и вращающегося рабочего колеса. Ступень компрессора – это совокупность вращающегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппарата.

В зависимости от характера расширения рабочего тела различают активные и реактивные ступени турбины. В активных ступенях потенциальная энергия пара (газа) преобразуется в кинетическую только в сопловых аппаратах, и кинетическая энергия используется для вращения рабочих лопаток. В реактивных ступенях расширение рабочего тела начинается в сопловом аппарате и продолжается в каналах рабочих лопаток, имеющих конфигурацию реактивного сопла. Полезная работа совершается в активной ступени только вследствие изменения направления потока рабочего тела, а в реактивной ещё благодаря силе рабочего тела в межлопаточных каналах.

Модель одной ступени паровой турбины. Автор фото dr. Kaboldy Péter.

Турбомашины классифицируют по нескольким признакам.

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины. Центробежные турбины (турбокомпрессоры) выделяют как отдельный тип турбин.

По числу контуров турбины подразделяют на одноконтурные, двухконтурные и трёхконтурные. Очень редко турбины могут иметь четыре или пять контуров. Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.

Осевая многоступенчатая турбина состоит из вращающегося ротора и неподвижного корпуса. Ротор несёт ряды закреплённых на нём рабочих лопаток. Перед каждым рядом рабочих лопаток в корпусе устанавливаются сопловые лопатки (в паровых турбинах их часто называют направляющими). Для уплотнения зазоров между ротором и корпусом применяются концевые и промежуточные уплотнения. Для подвода и отвода тепла служат соответственно входной и выходной патрубки либо в виде улиток, либо в виде кольцевых каналов.

Радиальная (центростремительная) турбина включает ротор и корпус. Ротор представляет собой рабочее колесо, несущее обычно изготавливаемые за одно целое с ним рабочие лопатки. Из входного патрубка (улитки) рабочее тело поступает в сопловой аппарат, а затем на рабочее колесо. Иногда сопловой аппарат выполняют без лопаток; в этом случае специально спрофилированная входная улитка служит безлопаточным сопловым аппаратом. Центробежный компрессор имеет аналогичные элементы.

На переднем конце вала ротора устанавливается предельный центробежный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх номинальной.

В турбоагрегатах традиционно применяется «тихоходный» – несколько оборотов в минуту – валоповорот. Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора при пуске и останове турбины для предотвращения теплового искривления ротора.

Схемы основных типов турбин и турбокомпрессоров.

а – осевая турбина; б – центростремительная турбина; в – осевой компрессор; г – центробежный компрессор; 1 – ротор; 2 – входной патрубок (улитка); 3 – корпус; 4 – выходной патрубок (улитка); 5 – концевые уплотнения; 6 – подшипниковые узлы; 7 – промежуточные уплотнения; 8 – рабочая лопатка; 9 – сопловая лопатка; 10 – спрямляющая лопатка; 11 – лопаточный диффузор; 12 – безлопаточный диффузор.

На конструкцию паровой турбины влияют начальные параметры пара, режим её работы, конечная влажность пара, особенности технологии изготовления и другие факторы.

Для активных турбин характерно наличие перегородок-диафрагм, в которых располагаются неподвижные сопловые лопатки. Диафрагмы разделяют диски так, что две соседние диафрагмы образуют камеру, в которой располагается диск с рабочими лопатками. В реактивных паровых турбинах рабочие лопатки обычно крепят к ротору барабанного типа, а сопловые – к корпусу турбины или в обоймах.

Конденсационные турбины мощностью до 50 МВт, как правило, выполняются одноцилиндровыми. Цилиндр – это основной узел паровой турбины, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию парового потока и далее – в механическую энергию ротора. Число венцов сопловых лопаток в каждом цилиндре паровой турбины равно числу венцов рабочих лопаток соответствующего ротора. Цилиндр турбины может быть однокорпусным и двухкорпусным.

Корпуса паровых турбин для удобства сборки и разборки обычно имеют разъём по горизонтальной плоскости. В одноцилиндровых турбинах корпус иногда имеет не только горизонтальный разъём, но и вертикальный, что облегчает его механическую обработку и транспортирование. При высоких рабочих давлениях цилиндры отливают из чугуна или стали, иногда эти цилиндры выполняют сварно-литыми. При низких давлениях корпуса цилиндров и выходные патрубки конденсационных турбин обычно изготавливают сварными из листовой углеродистой стали.

Роторы паровых турбин могут быть дисковыми или барабанными. Дисковая конструкция характерна для турбин активного типа, барабанная – реактивного.

В большинстве стационарных и транспортных паровых турбин применяются подшипники скольжения.

Схемы роторов паровых турбин.

а – дисковый; б – барабанный.

Конструкции ГТУ и ГТД и их узлов зависят от выбранной конструктивной схемы, т. е. взаимного расположения компрессоров, камер сгорания, турбин, воздухоохладителей и регенераторов.

По числу валов, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором), различают одновальные, двухвальные, реже трёхвальные ГТД. Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.

По простейшей одновальной схеме без регенератора выполняют энергетические пиковые ГТУ и ГТУ вспомогательного назначения, приводящие электрогенератор. По этой же схеме был выполнен ГТД первого отечественного газотурбовоза и многие авиационные турбореактивные двигатели. Для транспортных ГТД сравнительно малой мощности (до 1—1,5 МВт), например, автомобильных, характерна двухвальная конструктивная схема. По этой же схеме изготовляют пиковые (без регенерации) и базовые энергетические (с регенерацией) ГТУ.

Трехвальную схему применяют для транспортных ГТД большой мощности (свыше 5 МВт), например, судовых и пиковых, аварийных стационарных энергетических ГТУ, если в качестве газогенератора (блоков компрессоров и турбин высокого и низкого давления) используется авиационный реактивный двигатель, сопло которого заменено на диффузорный патрубок с силовой турбиной. По двухвальной схеме с блокированной турбиной нагрузки могут выполняться базовые стационарные энергетические ГТУ большой мощности.

ГТУ с одновальным турбокомпрессором с отбором воздуха или газа встраиваются в технологические процессы химических, нефтеперерабатывающих и металлургических производств.

Конструкции узлов стационарных, транспортных и авиационных ГТД и ГТУ достаточно разнообразны.

Корпуса узлов мощных стационарных и многих транспортных ГТУ обычно выполняются разъёмными по горизонтальной плоскости.

Среди судовых ГТУ наибольшее применение находят лёгкие прямоточные установки. ГТД состоит из воздухозаборника, компрессора низкого давления (КНД), компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания, турбин высокого (ТВД), среднего (ТСД) и низкого давления (ТНД). ТВД приводит во вращение КВД, ТСД – КНД, ТНД работает на винт. Вал КНД и ТСД проходит внутри вала КВД и ТВД (конструкция «вал в валу»). Мощность ТНД передаётся винту через рессору и редуктор. Роторы всех трёх турбин имеют разную частоту вращения. Для передачи мощности от пусковых электродвигателей и для привода расположенных на корпусе двигателя механизмов служат передняя и основная коробки приводов. Маслоагрегат также получает мощность от вала компрессора. Все элементы ГТД смонтированы на общей раме. Кожух газоотводного патрубка сообщается с кожухом двигателя. Окружающий воздух эжектируется отработавшими газами и, проходя между кожухом и корпусом двигателя, охлаждает их.

Схема судового ГТД прямоточного типа.

1 – воздухозаборник; 2 – передняя коробка привода; 3 – задняя коробка привода; 4 – КНД; 5 – КВД; 6 – камера сгорания; 7 – ТВД; 8 – ТСД; 9 – кожух двигателя; 10 – ТНД; 11 – газоотводный патрубок; 12 – кожух газоотводного патрубка; 13 – рессора; 14 – редуктор; 15 – маслоагрегат; 16 – рама.

В судовых и стационарных ГТУ прямоточного типа имеется возможность дальнейшего увеличения температуры газа при одновременном повышении степени увеличения давления в компрессоре, и соответственно к.п.д. установки. Для применения высоких температур газа необходимо вводить интенсивное охлаждение проточной части и, в первую очередь, лопаток, поскольку жаропрочность металлических сплавов ограничена. В настоящее время практически ни одна ГТУ (или ГТД) не выполняется без охлаждения лопаток.

Газотурбинная установка замкнутого цикла (ЗГТУ) включает газоохладитель, понижающий температуру до начального значения и регенератор. Вместо камеры сгорания в ЗГТУ устанавливается подогреватель, в котором рабочее тело (обычно воздух) не смешивается с продуктами сгорания топлива.

Каждая газотурбинная установка обеспечивается рядом систем, относимых к вспомогательным, без которых, однако, работа установки невозможна. К ним относятся система смазки, обеспечивающей работу подшипников и редукторов, система регулирования, в которую можно включить и топливную систему, обеспечивающие устойчивую и надёжную работу установки на любом расчётном режиме от холостого хода до номинальной нагрузки, а также на режимах пуска и останова, система очистки воздуха и шумоглушения, а также система пуска установки. Важнейшую роль в обеспечении надёжной и высокоэкономичной работы газотурбинных установок играет система охлаждения или тепловой защиты установки, которая по сути состоит из ряда автономных систем, охлаждающих наиболее горячие и напряжённые детали и узлы установки и поддерживающих расчётный уровень термонапряжённого состояния деталей.