Що таке ступінь парової турбіни
Парова турбіна
Парова турбіна — це силовий двигун, у якому потенційна енергія пари перетворюється на кінетичну, а кінетична у свою чергу перетворюється на механічну енергію обертання валу. Масово використовувався як головний судновий двигун у XX столітті, поряд із двигуном внутрішнього згоряння.
Історія
При сучасних потужностях XX століття парова машина як головний судновий двигун не могла забезпечити потрібну потужність і економічність, установки виходили громіздкими і малоефективними. Настав час цьому двигуну передати естафету турбіні та двигунам внутрішнього згоряння.
Турбіна як головний двигун вперше була використана на судні Turbinia. Корабель мав водотоннажність 45 тонн і був спущений на воду в Англії конструктором Чарлзом Парсонсом. Багатоступінчаста паротурбінная установка включала парові котли і три турбіни, з'єднаних безпосередньо з гребним валом. Кожен гребний вал мав три гвинти. Загальна потужність турбін становила 2000 л. при 200 оборотів за хвилину. У ході проведення ходових випробувань 1896 року турбохід розвинув швидкість 34,5 вузла. Нині судно перебуває у Музеї Відкриттів у Ньюкаслі, та її турбіна - у Лондонському Музеї науки.
У Росії першим турбінним судном була яхта-міноносець «Ластівка» (1904). Це колишнє англійське дослідне судно Carolina, побудоване в 1904—1905 рр., було куплено Морведом для навчання персоналу та виробництва дослідів із турбоагрегатами. Корабель мав дві силові установки по 1000 л. кожна і за водотоннажності 140 тонн розвивав максимальну швидкість ходу 18,5 вузлів.
Під час Другої світової війни парова турбіна використовувалася як головна енергетична установка.На гордості Німеччини - лінкорі Bismarck були встановлені 3 турбозубчасті агрегати потужністю 46000 к.с. кожна. Корабель зі стандартною водотоннажністю 41700 т. розвивав швидкість близько 30 вузлів.
На другому кораблі цієї серії (Tizpitz), який британці прозвали "Гітлерівська звірюга", стояли три турбіни. Brown Boveri & Cie. Швидкість ходу була 30,8 вузлів при водотоннажності 45474 тонни.
На найбільшому лінкорі в історії флоту - японському "Ямато" було встановлено 4 ТЗА Kampon. При водотоннажності 63200 тонн корабель розвивав швидкість 27,5 вузлів.
На «Севастополі», лінкорі російського та радянського флоту, стояло десять турбін Парсонса загальною потужністю 32000 к.с., що забезпечувало кораблю швидкість ходу близько 22 вузлів.
Нині парові турбіни відійшли другого план. Але їхня експлуатація на деяких судах триває. Наприклад, на важкому авіанесучому крейсері «Адмірал флоту Радянського Союзу Ковалів» стоять 4 парові турбіни по 50 тис. л.с. кожна. Максимально допустима швидкість становила 29 вузлів.
Склад паротурбінної установки
- Парогенератор, в якому поживна вода під відповідним тиском перетворюється на пару;
- Пароперегрівач, в якому здійснюється підвищення температури пари до заданої величини (може бути відсутнім);
- Турбіна, в якій потенційна енергія пари перетворюється на кінетичну, а остання - на механічну енергію на валу;
- Конденсатор, призначений для конденсації пари турбіни, що відпрацювала;
- Конденсатний насос, що подає конденсат у систему;
- Поживний насос, що подає поживну воду парогенератор;
- Регенеративні обігрівачі живильної води.
Основні типи турбін
На кораблях переважно використовувалися турбіни Парсонса (реактивного типу) і турбіни Кертіса (активного типу). Турбіни цих типів відрізнялися за принципом розширення пари. Турбіни також поділяли за призначенням: на головні та допоміжні. Головні були конденсаційні з випуском всього відпрацьованого пари в конденсатор, вони рухали гребний гвинт безпосередньо або через редуктор. Допоміжні турбіни служили приводами різних насосів, генераторів та вентиляторів. Головні турбіни були двокорпусними - низького та високого тиску. Кожна турбіна складається з декількох ступенів (ступінь — два ряди суміжних лопаток, закріплених відповідно в корпусі та на барабані), які можуть бути або ступенями швидкості або ступенями тиску. У корпусі турбіни низького тиску знаходяться лопатки заднього ходу. Якщо судно оснащено гребним гвинтом зі змінним кроком, то не потрібно ставити турбіну низького тиску. В даний час парові турбіни можуть використовуватися разом з ядерною енергетичною установкою.
Турбіна Кертіса
Найпростіша одноступінчаста парова турбіна складається з наступних основних частин: сопла, валу та диска з робочими лопатками, закріпленими на обід диску. Вал разом із диском становить найважливішу частину турбіни і зветься ротора.
Ступінь активної парової турбіни. 1 - напрямні лопатки; 2 - робочі лопатки; 3 - вал ротора.Ротор укладено у корпусі турбіни. Шийки валу лежать в опорних підшипниках.
Розширення пари від початкового до кінцевого тиску відбувається в одному соплі або групі сопл, закріплених в корпусі перед робочими лопатками диска, що обертається. У соплах спрацьовується перепад тепла, який витрачається отримання кінетичної енергії парової струменя.
У процесі розширення швидкість пари зростає. У каналах робочих лопаток відбувається зниження швидкості; кінетична енергія пари знижується. При дії струменя пари на робочі лопатки частина його кінетичної енергії перетворюється на механічну роботу на валу ротора турбіни.
Тобто в активною турбін весь процес розширення і, отже, прискорення пара йде тільки у нерухомих каналах (соплах), а на робочих лопатках відбувається лише перетворення кінетичної енергії на механічну роботу без додаткового розширення парового струменя.
Турбіна Парсонса
За іншим принципом працює турбіна Парсонса або реактивна турбіна. Свіжа пара до лопаток турбіни надходить із кільцевої камери підведення пари. У нерухомому корпусі і на зовнішній стороні барабана, що обертається, ротора закріплені відповідно напрямні і робочі лопатки, що утворюють камери для проходу пари. З камери пар, протікаючи через міжлопаткові канали, надходить у випускний патрубок. Розширення пари відбувається у всіх міжлопатевих каналах, як рухомих, так і нерухомих.
Спочатку свіжа пара з камери надходить у канали першого ряду напрямних лопаток, закріплених у корпусі. З каналів нерухомих напрямних лопаток першого ряду пар надходить у канали першого ряду робочих лопаток, закріплених на барабані, що обертається. З каналів робочих лопаток першого ряду пар прямує в канали нерухомих лопаток другого ряду і так далі, проходячи послідовно через канали всіх рядів напрямних та робочих лопаток. Загальний перепад тепла на сходах розподіляється приблизно рівномірно.
Пароводяна циркуляційна система суднової паротурбінної установки
На схемі Пароводяної циркуляційної системи суднової паротурбінної установки паливо надходить у парогенератор, де входить у реакцію окислення з киснем повітря. Гарячі продукти згоряння конвекцією та випромінюванням нагріває поживну воду в трубках, перетворюючи її на пару. Пар високого тиску, що вийшов, надходить у турбіну, де приводить в рух ротор турбіни, а через редуктор приводиться в рух і гребний вал. Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі. Охолоджуючим середовищем у конденсаторі служить морська вода, що подається циркуляційними насосами. Охолоджений до потрібної температури конденсат за допомогою конденсатного насоса закачується у підігрівач низького тиску. Гріючим середовищем у ньому служить частина пари, відібраної з турбіни. Підігрітий до потрібної температури конденсат закачується живильним насосом у парогенератор, замикаючи цикл.
Порівняння з іншими енергетичними установками
| Судновий двигун | ККД | Умови експлуатації | Вид палива | Безпека персоналу | Екологічний ефект | Час запуску | Розміри | Матеріали виготовлення |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Парова машина | 8%-15% | Простота обслуговування | Практично будь-який вид палива | Висока безпека | Викид токсичних газів в атмосферу | Від півгодини до кількох годин | Громіздка, велика кількість допоміжного обладнання | Високоміцні матеріали для циліндрів, частин, що рухаються. |
| Парова турбіна | 30%-35% | Підвищене обслуговування за номінального режиму роботи | Вугілля, мазут | Відносна небезпека через роботу з робочим середовищем високих параметрів | Викид токсичних газів в атмосферу, злив гарячої забірної води | Від півгодини до кількох годин | Громіздка, велика кількість допоміжного обладнання | Жароміцні, термостійкі матеріали для турбіни та основного обладнання |
| Газова турбіна | 25%-30% | Мінімальне обслуговування, підвищена надійність роботи | Газ, мазут | Висока безпека при номінальному режимі роботи | Викид в атмосферу токсичних газів із досить високою температурою | 15-30 хвилин | Компактність, відсутність великої кількості допоміжного обладнання | Термічно стійкі матеріали для лопаток перших ступенів турбіни |
| Двигун внутрішнього згоряння | 30%-36% | Підвищена шумність, наявність прямолінійно-поворотного руху робочих частин | Мазут, дизельне паливо | Низька небезпека для персоналу | Токсичність газів, що відпрацювали, підвищена | Майже миттєво | Громіздка (при підвищеній потужності), відсутність великої кількості допоміжного обладнання | Високоміцні матеріали для циліндрів, частин, що рухаються. |
| Ядерна енергетична установка | 35%-40% | Постійний контроль процесу | Ядерне паливо (уран-235, плутоній та ін.) | Висока небезпека через радіоактивне випромінювання | Забруднення відходами відпрацьованого радіоактивного палива | Кілька днів при пуску з холодного стану, з гарячого стану – хвилини | Громіздка, велика кількість допоміжного обладнання | Високоміцні та дорогі матеріали для захисту персоналу |
Примітка до таблиці
Тривалий час пуску парової турбіни пояснюється необхідністю прогріву як самої турбіни, і парогенератора з усіма необхідними паропроводами. Все це триває багато часу.
Експлуатація газової турбіни значно простіше парової, т.к. вода не використовується як робоче тіло циклу. Отже, немає необхідності в конденсаторі, живильному, конденсатному та циркуляційному насосах, трубопроводах.
Відносна безпека експлуатації парової та газової турбін досягається ув'язненням в окремий корпус всіх частин, що рухаються.