Устройство турбины

 

Содержание:

 

1. Введение
2. Устройство паровой турбины
3. Проточная часть и принцип действия турбины
4. Классификация паровых турбин
5. Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики
6. Список литературы.

 

Введение.

 

Паровая турбина (фр. turbine от лат. turbo-вихрь, вращение) - это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Поток водяного пара поступает  через направляющие аппараты на криволинейные  лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор  во вращение.

Паровая турбина является одним из элементов паротурбинной  установки (ПТУ). Отдельные типы паровых  турбин также предназначены для  обеспечения потребителей тепла  тепловой энергией.

В настоящее время паровые  турбины применяются вместе с  котлами, работающими на органическом топливе или с ядерными реакторами на электростанциях и крупных  судах и кораблях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство паровой  турбины.

Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров  состоит из статора, главным элементом  которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные  роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор  ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются  муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор  возбудителя. Цепочка из собранных  отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник (см. позицию 29 на рис. 6.1). Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено  осевое усилие. Они суммируются, и  их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные  в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может достигать 30 МПа 300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки  роторов внутри цилиндров при  монтаже, а также для легкого  доступа внутрь цилиндров при  ревизиях и ремонтах. При монтаже  турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают  специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости  разъема совмещают в одной  горизонтальной плоскости). При последующем  монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет  высокую температуру, а ротор  вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой  как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах (см. поз. 45, 28, 7).

Таким образом, вращающиеся  концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается  в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите. В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина  проходит контрольную сборку и опробование  на заводе-изготовителе. После этого  ее разбирают на более-менее крупные  блоки, доводят до хорошего товарного  вида, консервируют, упаковывают в  деревянные ящики и отправляют для  монтажа на ТЭС.

Монтаж турбины осуществляют в следующем порядке. Сначала  устанавливают нижнюю половину ЦНД 18 опорным поясом 15, расположенным  по периметру обоих выходных патрубков  ЦНД. ЦНД имеет собственные вваренные  в них опоры ротора. Затем на перемычке между окнами под ЦВД  и ЦСД и слева от окна под  ЦВД размещают нижние половины корпусов опор соответственно 28 и 41. После этого  на опоры подвешивают нижние половины корпусов наружных цилиндров 39 и 24, в  них помещают статорные элементы и осуществляют центровку всех цилиндров  турбины.

В опоры ротора вставляются  нижние половины опорных вкладышей 42, 29, 23, 20 и 16, и на них опускают отдельные  роторы. Их строго прицентровывают друг к другу и соединяют с помощью муфт 31 и 21.

Затем в верхние половины корпусов помещают необходимые внутренние статорные элементы и турбину  закрывают. Для этого в отверстия  на горизонтальные разъемы корпусов ввинчивают шпильки и опускают верхние  половины (крышки —поз. 46), после чего с помощью шпилек и специальных приспособлений верхние и нижние половины корпусов плотно стягиваются по фланцевым разъемам.

Аналогичным образом закрываются  опоры роторов. После изоляции турбины, ограждения кожухом и многочисленных проверок ее доводят для состояния, пригодного к несению нагрузки.

При работе турбины пар  из котла по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к  главной паровой задвижке, затем  к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов пар по перепускным трубам 1 (на рисунке их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар  по трубопроводам поступает через  стопорный клапан к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

 

Проточная часть и принцип  действия турбины

После того, как нами получено общее представление о турбине, рассмотрим ее «сердце» — проточную  часть, которая является самой сложной  и самой дорогой частью турбины. Сложность ее создания определяется не только высокими технологическими требованиями к изготовлению, материалам, монтажу, но, главным образом, чрезвычайной наукоемкостью: нельзя создать даже посредственную турбину, не обладая хорошими знаниями в таких областях науки, как механика, гидрогазодинамика, теория автоматического регулирования, механика разрушения, не говоря уже о специальных дисциплинах. Не удивительно поэтому, что число стран, выпускающих мощные паровые турбины по разработанной ими технической документации, не превышает десяти.

На рис. 6.2 показан фрагмент проточной части паровой турбины  и охватывающих ее деталей. Собственно проточная часть состоит из чередующихся кольцевых сопловых решеток 1 и рабочих  решеток 2. Совокупность одной сопловой и одной рабочей решетки называют ступенью турбины. Это название происходит из того, что потенциальная энергия  пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора порциями (ступенями).

Сопловая решетка состоит (рис. 6.3) из одинаковых сопловых лопаток 1, установленных по окружности на равном расстоянии друг от друга (шагом). Сопловые лопатки имеют вполне определенный профиль в сечении, и поэтому  между сопловыми лопатками образуется вполне определенный сопловый канал (сопло) для прохода пара. Сопловые лопатки  закреплены в диафрагме 2 ( поз. 11 на рис. 6.2), имеющей горизонтальный разъем, необходимый для установки ротора при монтаже . Диафрагма — это кольцевая перегородка, которая подвешивается двумя лапками 3 на уровне горизонтального разъема в кольцевой расточке обоймы. Обойма охватывает несколько диафрагм (две, три и более) — отсюда и ее название. В свою очередь обойма 12 лапками 6 (рис. 6.2, рис. 6.3) подвешивается в корпусе 3 (см. рис. 6.2) турбины. Кольцевое пространство между обоймами часто используется для камеры отбора пара на регенеративные подогреватели (см. патрубки 9 на рис. 6.2).

Таким образом, неподвижные  в пространстве корпус 3 турбины, обоймы 4 и диафрагмы 11 (см. рис. 6.2) обеспечивают неподвижность сопловых каналов  сопловой решетки. Сами каналы, благодаря  особым форме сопловых лопаток и  их установке в решетках, выполняются  суживающими (рис. 6.4): площадь для прохода пара на выходе из сопловой решетки выполняют в несколько раз меньше, чем на входе. Далее, если иметь в виду, что объем пара за сопловой решеткой больше, чем на входе, так как давление за ней меньше, то ясно, что скорость пара на выходе из решетки будет в несколько раз больше, чем на входе. Действительно, если на входе в сопловую решетку скорость пара 50—100 м/с, то на выходе из нее — 300—400 м/с и более.

Далее, поток пара не только приобретает большую скорость, но и изменяет свое направление: выходные части сопловых лопаток (профилей) заставляют пар развернуться и двигаться  в направлении не вдоль оси  турбины (скорость c₀), а поперек (говорят, что поток пара приобретает закрутку — окружное направление). Таким образом, из сопловых каналов выходит мощная закрученная кольцевая струя пара, ширина которой равна высоте сопловых лопаток. Часть потенциальной энергии пара преобразована сопловыми каналами в кинетическую энергию кольцевой струи пара, движущейся с огромной скоростью (обычно — это скорость несколько меньше скорости звука, но в некоторых ступенях — и больше ее). Заметим для сравнения, что пассажирский самолет, летящий со скоростью 720 км/с, имеет скорость 200 м/с.

 

Теперь необходимо решить следующую задачу: заставить созданную  кольцевую струю пара вращать  вал 13 турбины (см. рис. 6.2). С этой целью ее направляют на кольцевую решетку профилей, образованную рабочими лопатками 2. Для этого, прежде всего рабочей решетке дают возможность вращаться: ее закрепляют на диске 12 ротора, который соединен с валом 13 и уложен во вкладыши опорных подшипников. Поэтому, если на рабочую лопатку будет действовать окружная сила, имеющая плечо относительно оси вращения, то ротор начинает вращаться. Эту силу создают с помощью специальной решетки профилей (рис. 6.5), создающей рабочие каналы вполне определенной формы (примерно постоянного сечения). Пар, протекающий через каналы рабочей решетки, изменяет свое направление, и это главная причина появления окружной силы F, действующей на каждую рабочую лопатку. Скорость пара в рабочей решетке уменьшается, так как вследствие окружной податливости рабочих лопаток поток пара как бы вязнет внутри канала. В результате из рабочей решетки пар выходит со скоростью с₂ примерно равной скорости c₀ на входе в сопловую решетку. Но поскольку давление и температура пара за ступенью меньше, чем перед ней из-за того, что в конденсаторе принудительно поддерживается низкое давление, и оно постепенно повышается к паровпускной части турбины), то часть кинетической энергии потока пара, идущего через ступень, преобразуется в механическую (вращательную) энергию ротора, которая, в конечном счете, передается ротору электрогенератора.

На рис. 6.6 показаны профили  двух соседних ступеней, позволяющих  увидеть, как протекает пар в  проточной части и как они  расположены по отношению друг к  другу. Пар входит в каналы сопловой решетки первой ступени со скоростью  с₀, а выходит со скоростью с₁ под углом a₁ который составляет 10—15°, т.е. почти в окружном направлении. Однако поскольку рабочие лопатки пробегают мимо сопловой справа налево со скоростью и, то на рабочие лопатки пар будет поступать со скоростью w₁ < c₁ и под углом B₁ > a₁ . Профиль рабочей лопатки первой ступени устанавливают под таким углом B_у, чтобы вектор скорости w₁ «встретил» ее переднюю часть безударно, и пар плавно вошел в каналы рабочей решетки. Поскольку, как указывалось выше, их сечение примерно постоянно, то угол выхода B₂ B₁, а скорость выхода пара в относительном движении w₂ w₁. Но так как, рабочие лопатки имеют скорость и, то скорость выхода пара относительно корпуса будет равна с₂ с₀. Далее процесс повторяется в проточной части второй ступени и так до тех пор, пока пар не попадет в конденсатор.