3.1. Эволюция паровых турбин и их основные типы

Паровая турбина – основной силовой технологический узел электрической станции, в котором внутренняя энергия пара, запасенная при его генерировании, преобразуются в механическую энергию вращения ротора. В отличие от паровой машины, совершающей непосредственное преобразование внутренней энергии пара в работу движущегося поршня с использованием сил упругости пара, паровая турбина при помощи сопловых лопаток вначале преобразует внутреннюю энергию пара в кинетическую энергию потока рабочего тела, а затем уже последнюю – в механическую энергию вращающегося ротора. Термин «турбина» происходит от французского слова «turbine», возникшего из латинского «turbo» – вихрь, вращение с большой скоростью, впервые использованного Героном Александрийским при описании принципа движения «эолипила».

Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Необходимо было завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара. Изготовление турбины стало возможным при достаточно высоком уровне развития технологий работы с металлами, поскольку необходимая точность получения отдельных частей и прочность элементов должны были быть существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

Словацкий инженер и ученый-теплотехник Аурель Стодола отметил целый ряд преимуществ паровой турбины перед двигателями внутреннего сгорания и паровыми машинами. К этим преимуществам относятся: малое число движущихся деталей, отсутствие каких бы то ни было контактных уплотнений и трудностей, связанных с обеспечением их надежной работы (системы смазки, проблемы, связанные с истиранием и т.п.), малый объем производственных помещений, необходимых для размещения оборудования, преимущества в регулировании, относительно малые затраты на ремонт. Сегодня стало очевидным еще одно неоспоримое преимущество – огромная, достигающая сегодня полутора миллионов киловатт, единичная мощность, которая попросту недостижима ни в двигателях внутреннего сгорания, ни в паровых машинах.

Аурель Стодола (1859–1942) в 1878 году окончил Будапештский политехнический институт, в 1881 году – Высшую техническую школу в Цюрихе. С 1892 по 1929 гг. – профессор кафедры машиностроения в этом учебном заведении. Его основные работы посвящены автоматическому регулированию, конструированию и расчетам на прочность деталей паровых и газовых турбин. Очень интересную характеристику дал Стодоле Альберт Эйнштейн: «Если бы Стодола родился в эпоху Ренессанса, он был бы великим художником или скульптором, потому что главным свойством его личности являются мощь фантазии и созидания. В XIX столетии подобные натуры чаще всего обращались к технике. Здесь, в технике, нашла свое выражение созидательная мощь века, здесь страстная жажда прекрасного находила пути воплощения, превосходящего все, что мог бы предложить человек, не знакомый с этой областью. Могучий порыв Стодолы не остывал в течение многих лет преподавательской деятельности и перешел к ученикам – их глаза светятся, когда речь идет об учителе. Другая сильная сторона Стодолы – неугомонная любознательность и редкая ясность научного мышления». Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822–1915) в 1857 году. После выполненных в 1870 году инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6–8%), чем паровые машины. В 1883– 1885 гг. впервые примитивные паровые турбины были использованы и на лесопилках в восточной части США для привода дисковых пил.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с ее прабабушкой, созданной Лавалем (рис. 3.2), то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем 100-летний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причем показатель, связанный с прочностью конструкции.

Карл Густав Патрик де Лаваль Интересной особенностью творчества Лаваля (1845–1913) можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался словацкий ученый А. Стодола. Он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории паровых турбин не позволило Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей.

Рис. 3.2. Схема одноступенчатой активной турбины Лаваля: 1 – вал; 2 – диск; 3 – рабочие лопатки; 4 – сопловая решетка; 5 – корпус; 6 – выпускной патрубок

Иного рода человеком был английский инженер Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931). В его многоступенчатой реактивной турбине (рис. 3.3) расширение пара происходило в нескольких ступенях сопловых (неподвижных) и рабочих (вращающихся) решеток. Благодаря этому стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

Эта турбина предназначалась для работы совместно с электрическим генератором. Таким образом, уже с первого шага Парсонс правильно предугадал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин и в дальнейшем ему не пришлось разыскивать потребителей для своего изобретения. С целью уравновешивания осевого усилия пар подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 года Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц и применялись они преимущественно для привода электрических генераторов. В турбине, изготовленной в 1896 году, мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт.

Энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Для электростанции в Мангейме завод «Броун–Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 15,7 МПа и температуре 430°С. У паровой турбины, построенной для электростанции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: давление 22 МПа и температура 450°С.

Рис. 3.3. Первая многоступенчатая реактивная турбина Ч. Парсонса

В США фирма GE («Дженерал электрик») в Скенектеди, ограничив давление 84 ат (8,2 МПа), стала энергично наращивать мощность единичной установки. В начале ХХ века были разработаны и изготовлены турбины мощностью 500, 1000, 2500 и 10000 кВт. Первоначально эти турбины изготавливались в вертикальном исполнении. Однако опыт эксплуатации вынудил фирму отказаться от вертикальной и перейти к горизонтальной компоновке турбины. Длительное время фирма выпускала турбины для работы в конденсационном режиме мощностью до 14000 кВт, а с противодавлением – до 8000 кВт.

Чарльз Алджернон Парсонс. Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия по использованию паровых турбин оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность всех построенных в 1896 году паровых турбин превысила 40000 л.с. (29420 кВт). В 1899 году было решено применить на строящейся Эльберфельдской электростанции (Германия) две турбины Парсонса по 1000 кВт. Результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 году, свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун–Бовери» в Бадене (Швейцария) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса. Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев, интерес к турбинам проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Турбины стали изготавливать в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. Если в 1903 году наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 году появились агрегаты мощностью 10000 кВт, в 1915 году – 20000 кВт, а в 1917 году – 30000 кВт. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники турбостроения как звезда первой величины: помимо чисто «турбинных» проблем, он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового двигателя на флоте.

 

Кириллов Иван Иванович (1902–1993) – один из величайших ученых-турбинистов, чье имя по праву вписано золотыми буквами в историю мировой турбинной науки рядом с именами Л. Эйлера, А. Стодолы и Г. Флюгеля. Он родился в 1902 году в СанктПетербурге в семье военного медика. После окончания в 1924 году Ленинградского технологического института Кириллов уже в тридцатые годы заявил о себе как серьезный специалист в области расчетов и проектирования паровых турбин, а к началу второй мировой войны – это сложившийся ученый, хорошо известный в среде коллег-турбинистов. В 1945–1950 гг., а затем в 1961–1980 гг. заведует кафедрой паровых турбин и машин Ленинградского политехнического института. В 1951–1961 гг. организует кафедру турбиностроения в Брянском институте транспортного машиностроения и является ее заведующим. И.И. Кириллов – автор 25 монографий, учебников и учебных пособий, более 350 статей в отечественных и зарубежных журналах, 80 изобретений.

Вторая североамериканская энергомашиностроительная фирма «Вестингауз» («Westinghoyse») в 20-е годы ХХ века также приступила к выпуску паровых турбин единичной мощностью 30, 45 и 60 тыс. кВт.

В начале тридцатых годов ХХ века в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МВт. Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наибольших считалась установка в Витковицах (Чехия), оборудованная двумя турбинами мощностью 30 и 18 МВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалось принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.

Жирицкий Георгий Сергеевич (1893– 1966) – известный ученый-турбинист, который не только создал фундаментальные основы инженерного образования по турбомашинам, но и подготовил многочисленных инженеров, молодых ученых и педагогов. В 1911 году с золотой медалью окончил Киевскую первую гимназию, а в 1915 году – механический факультет Киевского политехнического института. Г.С. Жирицкий в 1918 году становится преподавателем Киевского политехнического института и совмещает работу инженера с педагогической деятельностью. Уже в 1925 году его утверждают в звании профессора по курсу паровых двигателей. Выходит из печати монография Жирицкого «Паровые машины», выдержавшая пять изданий. В 1926 году его назначают деканом механического факультета и заведующим кафедрой паровых машин Киевского политехнического института. В 1929 году заведует кафедрой паровых турбин в Высшем техническом училище имени Н.Э.Баумана, издает двухтомный учебник по паровым турбинам с систематическим изложением теории и конструкции паровых турбин. Под его руководством в 1930–1932 гг. организована кафедра паровых турбин и создан теплоэнергетический факультет в Московском энергетическом институте. В 1947 году Георгий Сергеевич создает и бессменно возглавляет до 1965 года кафедру лопаточных машин в Казанском авиационном институте.

 

Щегляев Андрей Владимирович (1902– 1970) – крупнейший инженер и ученыйтеплоэнергетик, член-корреспондент Академии наук СССР. В 1921 году Щегляев А.В. поступил учиться в МВТУ на механический факультет, а в 1926 году окончил институт и, получив звание инженера-механика, продолжал работать во ВТИ, совмещая инженерную деятельность с педагогической в МВТУ, а с 1930 года в МЭИ. Инженерная и научная деятельность Андрея Владимировича Щегляева была неразрывно связана с развитием и совершенствованием новых тепловых электростанций СССР, с созданием современных мощных турбинных установок на сверхкритические параметры пара, повышением надежности и экономичности турбин, с их автоматизацией. С 1937 года он бессменно возглавлял кафедру паровых и газовых турбин в МЭИ, которая под его руководством выросла в крупный учебный и научный центр. Он создал научную школу турбинистов, многие представители которой работают на турбостроительных заводах, в энергетических системах, в научных учреждениях России и за рубежом. А.В. Щегляев – автор более 100 работ по вопросам теории, проектирования турбинного оборудования тепловых электростанций. Его книги «Регулирование паровых турбин» и «Паровые турбины» (переведена на болгарский, китайский, грузинский, чешский, венгерский, японский, испанский языки) – популярные учебники для студентов-турбинистов.

 

Шубенко-Шубин Леонид Александрович (1907–1994) – известный инженер, педагог, ученый-теплоэнергетик, академик НАН Украины, создатель научной школы по разрешению вопросов оптимизации процессов и конструкций турбомашин, инициатор создания Центрального конструкторско-исследовательского бюро при Харьковском турбинном заводе, руководитель создания уникальных отечественных турбоагрегатов. Он выполнил глубокую теоретическую проработку вопросов создания мощных паровых, газовых и специальных турбин, автор более 200 печатных научных трудов. бостроениием занимались фирмы Лаваля (Швеция), «Броун–Бовери компании» (Швейцария), AEG (Берлин, Германия), «Бергман» (Берлин, Германия), «Эшер-Вис» (Цюрих, Швейцария), «Рато» (Франция), «Шкода» (Чехия), «Парсонс» (Англия), «МетрополитенВикерс» (Англия), позже фирмы СЕМ и «GЕС–Альстом» (Франция). В настоящее время в мире паротурбостроениием занимаются широко известные японские фирмы «Мицубиси», «Тошиба», «Хитачи», китайские фирмы в Харбине и Нанкине, немецкая фирма «Сименс» и французская фирма «Альстом».

В СССР первая паровая турбина была построена в 1924 г. на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ). Она была рассчитана на начальные параметры пара 1,1 МПа, 300°С и имела мощность 2 МВт. В 1926 г. уже была выпущена турбина мощностью 10 МВт при частоте вращения 3000 об/мин, в 1930 г. турбина мощностью 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин на начальные параметры пара 2,55 МПа и 375°С, а в 1931 г. — турбина мощностью 50 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400 °С.

В 1934 г. в Украине вступил в строй Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ, а в настоящее время – ОАО «Турбоатом») и начал изготовлять первые украинские турбины мощностью 50 и 100 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400°С.

В 1940 году в Свердловске был построен Уральский турбомоторный завод (УТМЗ), который выпускал теплофикационные турбины с регулируемыми отборами пара мощностью 12, 25, 50 МВт, а позже –100 и 250 МВт.

Именно в этот период начался выпуск турбин мощностью 50 тыс. кВт – тихоходных в Харькове, быстроходных в Ленинграде. В 1940 году ЛМЗ и ХТГЗ приступили к изготовлению паровых турбин мощностью 100 тыс. кВт. Опыт эксплуатации тихоходного агрегата ХТГЗ на Зуевской ГРЭС оказался положительным. Общее число часов наработки на турбине АК-100-29 Зуевской ГРЭС превзошло расчетное в несколько раз.

Велик вклад в создание и развитие теории турбомашин, в разработку и реализацию проектов стационарных паровых и газовых турбоустановок выдающихся ученых–турбинистов Кириллова И.И., Уварова В.В. (см. подраздел 3.6), Жирицкого Г.С., Дейча М.Е., Арсенева В.Г., Щегляева А.В., ШубенкоШубина Л.А., Шнее Я.И., Косяка Ю.Ф. и др. Хорошо известны работы зарубежных ученых Б. Эккерта, К. Баммерта, У. Хауторна, Дж. Хорлокка, В. Траупеля, Ву Чунг-Хуа и др.

С 1946 года заводы начали выпускать турбины высокого давления на параметры пара 8,8 МПа, 500°С мощностью 25, 50 и 100 МВт при частоте 3000 об/мин. В 1952 г. ЛМЗ выпустил турбину мощностью 150 МВт на начальные параметры пара 16,6 МПа, 550°С с промежуточным перегревом до 520°С, которая в то время была самым мощным в Европе одновальным агрегатом.

В 1958 г. выпущены головные образцы турбин ЛМЗ типа К-200-130 и ХТГЗ типа К-150130 мощностью 200 и 150 МВт на параметры пара 12,8 МПа, 565°С, а в 1960 г. – головные образцы турбин ЛМЗ и ХТГЗ типа К-300-240 мощностью 300 МВт с начальными сверхкритическими параметрами пара 23,5 МПа, 560°С и промежуточным перегревом до 565°С. В 1965 г. на ЛМЗ выпущена двухвальная турбина мощностью 800 МВт, а на ХТГЗ – одновальная турбина мощностью 500 МВт на параметры пара 23,5 МПа и 540°С с промежуточным перегревом до 540°С. Начиная с 1969 г. ЛМЗ производит одновальные турбины типа К-800-240 мощностью 800 МВт на те же параметры пара.

С 1970 г. Уральский турбомоторный завод выпускает теплофикационные турбины типа Т-250-240 мощностью 250 МВт на сверхкритические параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которые не имеют себе равных в мировом турбостроении.

В 1978 г. ЛМЗ изготовил уникальную одновальную турбину типа К-1200-240 мощностью 1200 МВт при частоте 3000 об/мин на начальные параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которая при отключении подогревателей высокого давления рассчитана на повышение мощности до 1400 МВт и является самой крупной одновальной турбиной в мире.

Основные типы паровых турбин и их параметры

Различают следующие основные типы турбин:

• в зависимости от числа ступеней –одно ступенчатые (одна или несколько ступеней скорости) и
• многоступенчатые; в зависимости от числа корпусов –однокорпусные, двухкорпусные(ЦВД и ЦНД) и многокорпусные (ЦСВД, ЦВД, ЦСД, ЦНД), одновальные и многовальные;
• в зависимости от направления потока пара –осевые, или аксиальные, турбины, в которых пар движется вдоль оси турбины, ирадиальныетурбины, где пар движется перпендикулярно оси турбины;
• по принципу действия пара –активные турбины (в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую только в неподвижных направляющих решетках, а в рабочих решетках кинетическая энергия пара превращается в механическую работу) иреактивные турбины (в которых расширение пара происходит и в направляющих, и в рабочих решетках каждой ступени приблизительно в одинаковой степени);
• в зависимости от характера теплового процесса –конденсационные паровые турбины, в которых весь расход свежего пара, за исключением отборов на регенерацию, протекая через проточную часть и расширяясь в ней до давления, меньше атмосферного, поступает в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется, и турбины с противодавлением, в которых отработавший пар направляется к тепловым потребителям, использующим теплоту для отопительных или производственных целей;конденсационные турбины с регулируемым отбором пара, в которых часть пара отбирается из промежуточной ступени и отводится к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор, и, наконец,турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением, в которых часть пара отбирается при постоянном давлении из промежуточной ступени, а остальная часть проходит через последующие ступени и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении;
• по параметрам свежего пара – турбины среднего давления (3,43 МПа, 435°С), турбины повышного давления (8,8 МПа, 535°С), турбины высокого давления (12,75 МПа, 565°С) и турбины сверхкритических параметров (23,55 МПа, 560°С);
• по использованию в промышленности – турбины стационарного типа с постоянным числом оборотов ротора (для работы на электрических станциях) и переменным числом оборотов ротора (для привода насосов, компрессоров), а также турбины нестационарного типа с переменным числом оборотов ротора (судовые и транспортные).

Таблица 3.1 Основные показатели некоторых турбин перегретого пара мощностью до 200 МВт

Показатель	К-160-130-2	К-100-90	ПТ-65- 130	К-215- 130-1	Т-130/ 160-12,8	Т-120- 112,8
Завод-изготовитель	Турбоатом	СМ*	СМ	СМ	СМ	СМ
Номинальная мощность, МВт	165	110/115	65/75	215/220	133/162	115/117
Начальное давление, МПа	12,7	8,8	12,8	12,8	12,8	12,8
Начальная температура,°C	540	535	565	540	555	565
Давление промперегрева, МПа	2,8	–	–	2,36	–	–
Температура промперегрева, °C	540	–	–	540	–	–
Конечное давление, кПа	3,43	3,43	–	3,46	–	–
Температура пит.воды, °C	229	227	242	240	–	232
Число регенер. отборов	7	8	7	7	7	7
Расход пара, кг/с	143,3	117	111	173	255,5	181,3

СМ* – «Силовые машины».

Таблица 3.2 Основные показатели турбин перегретого пара мощностью выше 200 МВт

Показатель	К-300- 240-2	К-330- 240	ТК-330- 240	К-320- 23,5-4	К-800- 240	К-1200- 240
Завод-изготовитель	Турбоатом	СМ	СМ	Турбоатом	СМ	СМ
Номинальная мощность,МВт	320	330 /340	330	320	800/850	1200/ 1400
Начальное давление, МПа	23,6	23,5	23,5	23,5	23,5	23,5
Начальная температура,°C	540	540	540	540	540	540
Давление промперегрева, МПа	3,5	3,66	3,67	3,74	3,34	3,5
Температура промперегрева, °C	540	540	540	540	540	540
Конечное давление, кПа	3, 43	3,43	6,9	3,5	3,43	3,58
Температура пит.воды, °C	275	265	263	277	274	274
Число регенер. отборов	9	8	8	8	8	8
Расход пара, кг/с	264	292	292	278	680	1022

В обозначении турбин первая буква характеризует тип турбины: К – конденсационная, Т – конденсационная с теплофикационным отбором пара, П – с производственным отбором пара для промышленного потребителя, ПТ – с производственным и теплофикационным регулируемыми отборами пара, Р – с противодавлением, ПР – с производственным отбором и противодавлением.

Вторая группа (цифры) в обозначении указывает мощность турбины, МВт (если дробь, то в числителе номинальная, а в знаменателе – максимальная мощность).

Третья группа (цифры) в обозначении указывает начальное давление пара перед стопорным клапаном турбины, ата (кгс/см2) или МПа. Под чертой для турбин типов П, ПТ, Р и ПР указывается номинальное давление производственного отбора или противодавление, ата (кгс/см2) или МПа. Под номинальной мощностью понимается наибольшая мощность, которую турбина должна развивать длительное время при номинальных значениях всех других основных параметров, а максимальная мощность – это наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать при отсутствии отборов пара для внешних потребителей теплоты.

Основные характеристики и параметры современных турбин перегретого пара, установленных на ТЭС в Украине и России, приведены в табл. 3.1 и 3.2.

Машинный зал АЭС с паровыми турбинами мощностью 500 МВт