Беседы о физике и технике

Пар при температуре 600–650 °C с давлением до 3∙10⁷ Па (в современных турбинах) поступает на лопатки через специальные каналы — сопла 2, назначение которых состоит в получении струи с надлежащей по модулю и направлению скоростью. В сопле пар расширяется и часть его внутренней энергии преобразуется в кинетическую. В результате изменения направления движения пара в лопатках турбины (при неизменном давлении пара) рабочее колесо начинает вращаться, приводя в действие электрический генератор, воздуходувку, компрессор или какое-либо другое устройство.

Необходимость производства турбин большой мощности привела к созданию многоступенчатых турбин. В этом случае на валу турбины насажено несколько дисков с закрепленными на их ободах рабочими лопатками. Каждая соседняя пара дисков разделена неподвижными дисками-диафрагмами, в которых закреплены направляющие лопатки, служащие соплами для рабочих лопаток. Диафрагма и следующий за ней диск с рабочими лопатками образуют ступень паровой турбины.

КАК РАБОТАЕТ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?

Рассмотрим вкратце работу, например, трехступенчатой паровой турбины (рис. 7).

Рис. 7.Схема устройства многоступенчатой турбины (сверху показан график изменения скорости и давлений пара в турбине)

Пар высокого давления поступает в кольцевую камеру А и через сопла, расположенные по ее окружности, — в каналы между рабочими лопатками первого диска, а затем последовательно проходит через сопла и каналы рабочих лопаток последующих ступеней турбины.

Отработанный пар через камеру В направляется в конденсатор. Проходя через сопла первой ступени, пар расширяется, его скорость увеличивается. Внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую. При движении пара между рабочими лопатками расширения пара не происходит, так как лопатки имеют такую форму и так расположены, что сечения криволинейных каналов между ними одинаковы по всей длине. Следовательно, давление пара при входе в канал и при выходе из него не меняется. Так как кинетическая энергия струи пара уменьшается (за счет механической работы вращения дисков), скорость движения пара в межлопаточном канале падает. Такой же процесс повторяется в последующих ступенях турбины.

Чем больше разность давлений пара по обе стороны сопла, тем выше скорость выхода пара из этих сопл, а значит, тем больше сила давления пара на рабочие лопатки. Поэтому к соплам подводят перегретый пар, обладающий большим запасом внутренней энергии. Графический процесс расширения пара представлен в виде диаграммы в верхней части рис. 8.

Рис. 8.Современная паровая турбина

Поскольку по мере движения пара через турбину его объем постепенно увеличивается, размеры рабочих лопаток и сопл в каждой из последующих ступеней (а их в современных турбинах насчитывается до 30) делают большими, чем в предыдущей.

На рис. 8 представлен внешний вид современной паровой турбины (некоторые части турбины для наглядности представлены в разрезе). По трубе пар поступает в цилиндр 6, приводит во вращение ротор высокого давления 5. Отсюда пар по перепускной трубе 4 направляется в цилиндр низкого давления 3, где отдает еще часть своей энергии дискам турбины и после этого выходит из турбины по трубе 1. За турбиной установлен электрический генератор 2. Вал турбины соединен с ротором генератора.

КАКОВО ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ОБЛАСТИ ТУРБОСТРОЕНИЯ?

Это прежде всего увеличение единичных мощностей агрегатов. Если в 70-х годах типовые блоки тепловых электростанций имели мощность 200 и 300 МВт, то в 80-х годах осуществляется переход на блоки в 500 и 800 МВт, т. е. мощность турбоагрегатов будет составлять 1200 МВт и более.

Применение энергоблока большой мощности экономически значительно выгоднее применения нескольких менее мощных агрегатов. При этом экономятся сырье, материалы, затраты на строительство зданий и т. д. Так, энергоблок мощностью 300 МВт при работе экономит до 20 % топлива по сравнению с тремя турбинами по 100 МВт и требует для своего изготовления на 30 % меньше металла.

В общем случае стоимость турбины, например, в 200 МВт всего лишь на 15–20 % выше стоимости турбины в 100 МВт, тогда как их мощности отличаются в два раза.

Экономия энергетических ресурсов в турбостроении также чрезвычайно важна, ибо турбина в 300 МВт (считающаяся в настоящее время турбиной небольшой мощности) потребляет в час до 900 т пара. А сколько же тогда должна потреблять пара турбина в 1200 МВт? И сколько каменного угля, нефти и газа надо сжечь для получения такого количества пара?

ЧЕМ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ПАРОВОЙ?