4.1.2. Паровые турбины

Паровая турбина, как и паровая машина, относится к классу паровых двигателей, но между ними есть существенная разница.

В паровых машинах потенциальная энергия пара преобразуется сразу в механическую работу, а в паровых турбинах – вначале в кинетическую энергию движущегося с большой скоростью пара, а затем эта энергия преобразуется в механическую работу на лопатках турбины.

Карл Густав Патрик де Лаваль (1845–1913) – шведский инженер и изобретатель, по национальности француз – родился в Блазенбурге (Швейцария). Окончил технологический институт и университет в Упсале в 1872 году со степенью доктора философии. Работая на химическом заводе, в 1878 г. сконструировал центробежный сепаратор непрерывного действия для молока. В 1889 г. построил паровую турбину активного типа, где впервые применил гибкий вал, диск равного сопротивления и расширяющиеся сопла. К 1900 г. его турбины стали выпускаться мощностью до 300 л.с. Прототипом активных турбин является колесо итальянского архитектора Джовани Бранка, изобретенное им в 1629 году (рис.4.7) для привода медленно действующего толчейного станка. Невозможность полного преобразования потенциальной энергии пара в равносильную ей кинетическую энергию при вытекании пара через цилиндрическую насадку надолго задержала развитие паровых турбин. И только после применения расширяющегося сверхзвукового сопла шведского инженера Лаваля в 1889 году эта проблема была решена.

Отличительная особенность расширяющегося сопла заключается в том, что давление пара на выходе из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он выходит. Расширяющиеся сопла дают возможность использовать любые перепады давлений. Пар, вытекающий из сопла со сверхзвуковой скоростью, идет ровной струей, энергия которой может быть использована для вращения лопаток турбины.

Рис. 4.8. Турбина Лаваля: 1 – рабочий диск; 2 – лопатки; 3 – сопла

Почти через 250 лет после Джовани Бранка инженер Лаваль впервые построил активную турбину промышленного значения.

Турбина Лаваля (рис. 4.8) состояла из рабочего диска 1 небольшого диаметра с одним рядом рабочих лопаток 2, диск с рабочими лопатками размещался в кожухе, по окружности которого устанавливались расширяющиеся неподвижные сопла 3, куда подавался из котла пар. В соплах происходило преобразование кинетической энергии в потенциальную. Турбина вращалась с огромной скоростью до 30000 об/мин. Малая мощность, высокое число оборотов, довольно большой расход пара (8–9 кг/кВт) в турбинах Лаваля ограничивали их применение в промышленности. Они использовались в основном для привода маломощных агрегатов.

Для уменьшения окружной скорости рабочих лопаток турбин американский инженер Чарльз Кертис в 1896 году ввел в практику турбостроения ступени скорости. Принцип ступеней скорости состоит в том, что кинетическая энергия пара преобразуется в механическую на рабочих лопатках не одного ряда, а 2–3 рядов, между которыми стоят неподвижные лопатки для изменения направления движения пара.

Активные турбины со ступенями скорости позволяют уменьшить окружную скорость, но имеют низкий к.п.д., который с увеличением числа ступеней снижается. Поэтому диск Кертиса сохранился в современных турбинах только как первый диск турбины.

Одновенечные высокооборотные турбины для соединения с электрогенератором требовали дорогой зубчатой передачи, а турбины со ступенями скорости имели низкий к.п.д.

Выход из создавшегося положения был предложен еще в 1853 году Турнером, а затем английским инженером Чарльзом Парсонсом, который для уменьшения окружной скорости рабочих лопаток реактивной турбины, а, следовательно, и числа оборотов, предложил общий перепад давления пара использовать не в одной ступени, а разделить на несколько ступеней, то есть применить ступени давления. В 1884 году он получил патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 8 кВт при скорости вращения 1000 об/мин. Соединив турбину с валом электрогенератора, Парсонс получил первый турбогенератор для электростанции.

Чарлз Алджернон Парсонс (1854–1931) – английский инженер и предприниматель, член Лондонского королевского общества – родился в Лондоне. Окончил колледж СентДжона Кембриджского университета в 1876 году. С 1877 г. работал на заводе Амстронга инженером в области машиностроения. В 1884–1889 гг. стал партнёром фирмы Амстронга. В 1889 г. основал предприятие по производству паровых турбин своей системы в Хитоне.

Для активных турбин ступени давления впервые были введены в практику французским профессором Огюстом Рато, который в 1900 году построил на французском заводе Соттэ–Гарле первую активную турбину со ступенями давления мощностью 1000 л.с. Увеличивая число ступеней давления, можно уменьшить скорость вращения ротора до необходимых оборотов при соблюдении относительно высокого к.п.д. турбины.

Швейцарский инженер Генрих Целли усовершенствовал турбину Рато, применив в 1903 году насадки (сопла) с косым срезом. За счет этого удалось увеличить скорость пара на выходе из сопла и уменьшить число ступеней давления до 5–8. Одновременно в отличие от турбин Рато, где рабочие диски имели одинаковый диаметр, в его турбине диаметры дисков увеличиваются по мере падения давления пара.

Использование реактивной силы – это второй способ превращения скорости истечения пара – кинетической энергии – в механическую работу.

Реактивное действие пара можно увидеть на примере работы шара, сконструированного выдающимся древнегреческим ученым и инженером Героном Александрийским в Египте (около I века н.э.) (рис. 4.9). Эолипил Герона состоит из полого металлического шара 3, подвижно насаженного на две опоры 2, через которые из резервуара 1 (парового котла) подается к нему пар. Шар имеет две трубочки 4 с загнутыми в противоположные стороны насадками.

Рис. 4.9. Эолипил Герона

Реактивная сила вытекающего из насадок пара возникала из-за перепада давлений пара внутри и вне трубки и приводила шар во вращение.

Реактивные турбины, введенные в практику Парсонсом, выполнялись со ступенями давления и представляли собою чередование неподвижных и подвижных лопаток. Расширение пара совершалось не только до поступления его на рабочие лопатки (как в активной турбине), но и во время прохождения между рабочими лопатками.

Реактивные турбины Парсонса начали широко применяться с 1900 года, когда в Германии на Эльберфельдской электростанции были установлены и испытаны две турбины мощностью по 1000 кВт при 1500 об/мин. Турбины работали при среднем давлении пара 1,05 МПа и температуре 200°С и показали расход пара 8–9 кг/кВт при полной нагрузке.

Таким образом, в конце XIX века были разработаны основные принципы работы и устройства активных и реактивных турбин, которые в ХХ веке стали основными тепловыми двигателями турбогенераторов электростанций.