Первые паровые турбины

 

К концу XIX века промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались, они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии, который воплотился в паровых турбинах. Большое влияние на улучшение, а затем и изменение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах.

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен – реактивный и активный. Первый из них был использован в устройстве "эолипила" Герона Александрийского (130 г. до н.э). Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными трубочками-соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны (рис. 3.1а). Внутрь сферы пар подавался по пустотелой опоре и вытекал из сопел с большой скоростью в виде направленных струй. За счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии давления пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы (рис. 3.1b).

Первые турбины, подобные машине Бранки, не могли развивать достаточной мощности, поскольку паровые котлы того времени не способны были создавать пар высокого давления. Первые действующие поршневые паровые машины Томаса Сэвери, Томаса Ньюкомена и других не нуждались в паре высокого давления. Пар низкого давления вытеснял воздух под поршнем и конденсировался, создавая разрежение, и рабочий поршень машины под действием атмосферного давления опускался, производя полезную работу. Однако опыт в постройке и использовании паровых котлов для этих так называемых атмосферных двигателей не был утрачен. Он постепенно побудил механиков сконструировать котлы, способные создавать и выдерживать давление, намного превосходящее атмосферное (например, котёл к паровому двигателю Дж. Уатта).

С появлением возможности получать пар высокого давления изобретатели вновь обратились к турбине. Были испробованы различные конструктивные варианты. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик попытался установить два сопла на ободе колеса двигателя для паровоза и пропускать через них пар из котла (подобно колесу Бранки). Затея Тревитика провалилась. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. Уильямом Эйвери в Сиракьюсе (США, штат Нью-Йорк). В одной лишь Англии за 100 лет, с 1784 по 1884 г., было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано в двадцатилетний период - с 1864 по 1884 г.

Ни одна из этих попыток не завершилась созданием промышленно пригодной машины, построенной на основе турбины. Частично эти неудачи объяснялись незнанием физических законов, описывающих расширение пара в каналах, направляющих его поток на лопатки турбины, и взаимодействия потока с этими лопатками. Однако опытами было установлено, что мощность турбины и её эффективность становятся максимальными тогда, когда окружная скорость лопаток примерно равна половине скорости потока пара. Поэтому первые турбины, выполняемые с одним рабочим колесом, имели очень высокие скорости вращения.

Создание паровой турбины, как и всякое новое крупное изобретение, нельзя приписать отдельному автору. В течение 19 века различными изобретателями было выдвинуто множество предложений для преобразования тепловой энергии в механическую работу с использованием скоростного напора струи пара, вплоть до установок, использующих реактивное усилие вытекающей из насадка струи (так называемое сегнерово колесо, рис. 3.2). Здесь wa – скорость потока пара на выходе из насадка, и – окружная скорость вращения колеса, рассчитанная по радиусу установки насадка.

К концу XIX века конструктивное оформление паровой турбины существенно изменилось благодаря независимым друг от друга трудам Густава де Лаваля в Швеции и Чарльза Парсонса в Англии. Их достижения привели к тому, что с начала 90-х годов развитие паровых машин совпало с параллельным развитием электрических машин и широким внедрением их в промышленность. Это определило турбину как основной тип двигателя для приводов всех роторных машин, прежде всего, генераторов электрического тока и в качестве судового двигателя. Мощность отдельных паровых турбин к 1905 г. достигла 20 МВт.

Турбина Лаваля. В турбине де Лаваля созданной им в 1883 г., пар из котла поступает в одно или несколько сопловых устройств С, ускоряется в них и направляется на рабочие лопатки Л, расположенные на ободе колеса К, закреплённого на валу турбины (рис. 3.3). В каналах между лопатками, образующих рабочую решётку, струя пара разворачивается в обратном направлении (на схеме показан вид на торец обода колеса). Усилие, вызванное этим разворотом потока, передаётся на лопатки, вращая вместе с колесом вал турбины. Ускорения потока пара на рабочих лопатках не происходит, так что турбина Лаваля относится к активным турбинам.

Для ускорения потока пара Лаваль первым применил сопла с косым срезом, позволяющие максимально уменьшить угол ввода струи на лопатки турбины относительно плоскости вращения колеса, одновременно повышающие скорость потока пара на входе в систему лопаток. Эти меры, как будет показано ниже, повышают эффективность турбины.

Отличительной, принципиальной особенностью одноступенчатой турбины де Лаваля является то, что ускорение пара в соплах при перепаде давления от начального на входе в сопла до конечного на выходе из рабочего колеса происходит в объёме сопла, что определяет очень большую скорость потока пара при входе на лопатки. Преобразование кинетической энергии потока пара в механическую энергию вращения вала турбины осуществляется без дальнейшего расширения пара на лопатках колеса, используется исключительно эффект давления потока, вызванного изменением его направления в системе лопаток, т.е. активное усилие. Турбина Лаваля была одноступенчатой, т.е. вся энергия потока пара перерабатывалась на одном рабочем колесе.

Применение сопла сложного контура, предложенного де Лавалем вместо использующихся в то время суживающихся сопловых насадков, позволило эффективно использовать для ускорения потока большую степень расширения пара и достигать высоких, сверхзвуковых скоростей пара с повышенной кинетической энергией потока на выходе из сопла. Благодаря этому турбина де Лаваля развивала окружную скорость вращения лопаток до 350 м/с с частотой вращения вала до 640 об/сек. Эти показатели были намного больше, чем у распространённых в то время машин с использованием поршневого и кривошипно-шатунного механизма.

Однако экономичность турбины де Лаваля, выполненной по одноступенчатой схеме реализации энергии пара, была невелика, а большая частота вращения вала требовала использование редукторной передачи до приемлемого уровня, что тормозило её применение, и особенно увеличение её мощности. Поэтому турбины де Лаваля, получив в начале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.

Большое число оборотов ротора турбины Лаваля было причиной ряда нежелательных эффектов, среди которых не последнюю роль играла опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил. Скорость вращения турбины можно было бы уменьшить, увеличив диаметр диска, на котором крепились лопатки. Однако это было невозможно. Расход пара в ранних устройствах не мог быть большим, а значит, не могло быть велико и поперечное сечение выходного отверстия сопла. Вследствие этой причины первые опытные турбины имели небольшой диаметр рабочего колеса и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, проходящего через сопло, изменяется пропорционально отношению давления на входе к давлению на выходе. Максимальное значение скорости в суживающемся сопле достигается, однако, при отношении давлений, названном критическим и приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет на увеличение скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением: существовал предел для количества запасенной паром высокого давления энергии, которая могла быть превращена в кинетическую энергию и передана лопаткам. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большие скорости пара, и вследствие этого скорость вращения ротора в турбине Лаваля существенно увеличилась. Однако турбина Лаваля имела одно рабочее колесо, которое имело предельно высокую скорость вращения.

 

Турбина Парсонса. Английский инженер Чарльз Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся не в одной сопловой группе, а постепенно, в ряде следующих друг за другом 15 ступеней, каждая из которых состояла из неподвижных направляющих аппаратов (сопловых решеток) и лопаток, закреплённых на вращающихся рабочих колёсах (рис. 3.4).

Направляющие лопатки закреплены в неподвижном корпусе турбины, рабочие лопатки располагаются рядами на барабане, установленном на валу. В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между давлением свежего пара и давлением пара, покидающего турбину.

Таким образом, оказалось возможным работать с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток, чем в турбине Лаваля. Кроме того, расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит не только в сопловой, но и в рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия, вызванные не только изменением направления потока пара, но и ускорением пара в пределах рабочей решетки, вызывающим реактивное усилие на рабочие лопатки турбины (т.е. турбина Парсонса относится к реактивным турбинам).

Направляющие и рабочие лопатки в турбине Парсонса собраны в венцы, представляющие собой медные кольца с лопатками, закрепленными в прорезях под углом 45° (рис. 3.5). Неподвижные венцы 1 устанавливались в корпусе турбины, подвижные венцы 2 закреплялись на барабане 3. Чередующиеся подвижные и неподвижные венцы лопаток задавали направление движения пара. Проходя между неподвижными лопатками, пар расширялся, ускорялся и направлялся на подвижные лопатки. Здесь пар также расширялся, создавая силу, которая толкала лопатки. Направление движения пара показано на одной из 15 пар венцов, направление вращения ротора турбины показано стрелкой и.

При наличии многих подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из 30 венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10%, и максимальная скорость пара в результате оказывалась равной 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью.

Парсонс полагал, что при столь малых перепадах давления пар можно рассматривать как малосжимаемую жидкость, подобную воде. Это предположение дало ему возможность с высокой степенью точности сделать расчеты скорости пара, кпд турбины и формы лопаток. Идея поступенчатого расширения пара, которая лежит в основе конструкций современных турбин, была лишь одним из многих оригинальных замыслов, воплощенных Парсонсом. Среди наиболее успешных изобретений Парсонса можно назвать новый тип подшипника, предназначенного специально для быстро вращающегося вала. Хотя Парсонсу и удалось снизить скорость вращения турбины, она все же оставалась раз в десять выше, чем у других двигателей. Эта конструкция успешно работала, и те, кто видел образец турбины, представленный на выставке изобретателей в Лондоне в 1885 г., отмечали, насколько ровным был ее ход по сравнению с другими паровыми поршневыми машинами того времени. Эти машины так сотрясали фундамент, что вибрация фундамента ощущалась даже на значительном удалении.

Турбогенератор Парсонса, построенный в 1884 г., стал первой паровой турбиной, получившей широкое промышленное применение.

И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса развивала большую скорость - 18000 об/мин. При таких оборотах центробежная сила, действующая на лопатки турбины, в 13 тыс. раз превышала силу тяжести. Для того чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс разработал очень простую конструкцию: каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца; пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Увеличение объема пара при его поступенчатом расширении потребовало, чтобы длина лопаток по ходу пара последовательно трижды увеличивалась - от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить характеристики струи.

Еще одним изобретением Парсонса, также применяемым в современных турбинах, был способ, позволяющий устранить утечку пара через зазоры между валом и корпусом турбины. Всякая попытка сделать муфту, плотно прилегающую к валу, была бы неудачной, так как при критической скорости вращения во время набора оборотов в результате биений создавалось бы большое трение. Муфта, сконструированная Парсонсом, плотно облегала вал и в то же время допускала небольшие его смещения. По достижении рабочей скорости муфта действовала как надежный затвор, удерживающий отработанный пар внутри корпуса турбины.

В каких же условиях сформировался талант Парсонса, благодаря которому ему удалось преодолеть трудности на пути создания турбины? Его отец, граф Росс, был талантливым ученым, внесшим большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов, с их помощью он открыл несколько спиральных туманностей. С 1849 по 1854 г. он был президентом Лондонского королевского общества. Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских. Ремесло, к которому Чарльз приобщился с детства, сыграло исключительно важную роль в тот период, когда он строил свою турбину.

Чарльз, окончив в 1877 г. Сент-Джонс-колледж Кембриджского университета, стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его фабрике. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера.

В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке – паровой машине с вращающимися цилиндрами, и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений. Если изучить эти патенты, можно установить, что он использовал идею смазки под давлением десятилетием раньше А.Пэйна, который знаменит своими изобретениями в этой области. До Парсонса для смазки подшипников применялись капельницы, поэтому подшипники требовали постоянного контроля. Идея о принудительной смазке сыграла исключительную роль в создании высокоскоростных машин, в частности турбины

Мысль о создании турбины пришла Парсонсу, по-видимому, когда он еще был студентом. Лорд Рэлей, один из преподавателей колледжа, передает слова одного из знакомых Парсонса по Кембриджу, которому будущий изобретатель показывал игрушечный бумажный двигатель: когда Парсонс дул на колеса игрушки, они вращались. Парсонс сказал, что скорость вращения у этой машины будет "в десять раз больше, чем у любой другой".

Первые настоящие опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он в сотрудничестве с Джеймсом Килсоном работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Армстронг в значительной мере был связан с производством морского оружия и, вероятно, поддерживал усилия по разработке нового вида движителя торпеды. Особенность этого движителя состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка в свою очередь приводила во вращение гребной винт торпеды.

Итак, свои ранние опыты Парсонс проводил с газовыми, а не с паровыми турбинами. Работы над ними он прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы газовой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение.

"Опыты, проводимые много лет назад, - писал он, - и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении... было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов - в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром".

Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерти Парсонса появились металлы, которые были пригодны для изготовления газовых турбин.

В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец его паровой турбины, достопочтенному Чарльзу А. Парсонсу было всего 30 лет. "Turbinia" - первый пароход с турбинным двигателем (рис. 3.6). Он был спущен на воду в 1894 г. Пароход развивал рекордную скорость - до 35 узлов. Впоследствии турбины стали использоваться и на крупных судах.

Первые турбины в России начали выпускать в г. Санкт-Петербурге на Металлическом заводе – (Ленинградский Металлический Завод ЛМЗ). До 1917 г. завод строил в основном энергетические и судовые турбины небольшой мощности. В 1924 г. выпущена первая паровая турбина мощностью 2 МВт. В тридцатые годы значения мощностей подняты на новый уровень, в 1937 г. изготовлены конденсационные энергетические турбины с частотой вращения 50 1/с мощностью 50 и 100 МВт. Столь мощные быстроходные турбины до этого не встречались в мировой практике турбостроения.

В 1952 г. на ЛМЗ разработана новая конденсационная турбина мощностью 150 МВт, предназначенная для работы на параметрах свежего пара 16,6 МПа и 550 0С с промежуточном перегревом пара. Эта турбина стала первой европейской турбиной такого типа и мощности. Последующий переход на массовое производство турбин мощностью 160 и 200 МВт с начальным давлением пара 12,8 МПа, удельный расход теплоты которых на 8 – 9% ниже, чем у турбин высокого давления, позволил улучшить экономические показатели электростанций.

Следующий этап развития отечественного турбостроения характеризуется переходом на сверхкритические параметры пара. Изначально это были турбины ЛМЗ и ХТЗ мощностью 300 МВт, созданные в 1960 г. и рассчитанные на начальные параметры пара 23,5 МПа и 560 0С с промежуточным перегревом до 565 0С и с частотой вращения 50 1/c.

В 1965 г. выпущены турбины со сверхкритическими параметрами пара: двухвальный агрегат ЛМЗ на 800 МВт и одновальная турбина ХТЗ на 500 МВт. С 1969 г. ЛМЗ серийно производит одновальные агрегаты на 800 МВт, а с 1980 г. – мощностью 500 МВт на параметры пара 23,5 МПа, 540 0С с промежуточным перегревом пара до той же температуры. Кроме того, начинается экспорт производимых ЛМЗ турбин мощностью 500 МВт.

С 1982 г. на Костромской ГРЭС эксплуатируется одновальная турбина мощностью 1200 МВт. Ее начальные параметры: 23,5 МПа, 5400С с промежуточным перегревом пара до 540 0С. На момент создания агрегатов, подобных ей по мощности и значению параметров, даже более низких, нет нигде в мире [4].

Помимо этого, ЛМЗ изготавливает ряд теплофикационных турбин на 12,8 МПа при 540 0С, включая турбину с промежуточным перегревом пара до 540 0С, имеющую при отопительном отборе пара 130 кг/с номинальную мощность 180 МВт и конденсационную мощность до 210 МВт.

По мере увеличения мощности турбин целесообразным явилось повышение начальных параметров пара от 10 до 25 и даже до 35 МПа, температура перегретого пара составляет от 500 до 580 и в отдельных случаях до 6500С. Широко стал применяться промежуточный перегрев пара, осуществляемый между ступенями (цилиндрами) турбины [4].

Однако сверхвысокие параметры пара потребовали применение очень дорогих и обладающих рядом технологических недостатков сталей аустенитного класса. Как следствие, в 50..70-х годах прошлого века в нашем энергомашиностроении произошло некоторое отступление к пониженным параметрам пара до 535..5400С. Этот уровень температур за редким исключением принят в настоящее время для большинства энергетических паровых турбин разного класса.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых турбин требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. часов работы (до капитального ремонта).

По используемому источнику энергии базовые паротурбинные установки подразделяют на тепловые (ТЭС) и атомные (АЭС) электростанции. Турбины базовых электростанций подразделяются на конденсационные и теплофикационные. Конденсационные турбины предназначены для максимально полного преобразования энергии пара в электроэнергию, теплофикационные турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — теплота.

Перечисленные достоинства паровых турбин и обуславливают столь широкое распространение паротурбинных установок и актуальность задачи их проектирования.

Развитие атомной энергетики потребовало не только использования турбин, успешно работающих на обычных тепловых электростанциях, но и разработки новых типов ПТУ для АЭС. На данный момент применяются как стандартные турбины ЛМЗ на 100 и 200 МВт, так и специальные установки (ЛМЗ: 75 МВт на 2,94 МПа, 220 МВт на 4,41 МПа, 500 МВт на 6,68 МПа с частотой вращения 3000 об/мин.

 

2.2.2. Турбины тепловых электростанций

 

Схемы паротурбинных установок тепловых электростанций (ТЭС) разделяют на конденсационные, направленные на полную переработку энергии пара в электроэнергию, и теплофикационные. В теплофикационных ПТУ значительная, если не определяющая доля энергии пара не участвует в производстве работы, а затрачивается на нужды теплофикации, прежде всего на снабжение теплотой различных отопительных систем, химических производств, металлургической промышленности и т.п. Особенностью этих схем является переработка энергии пара до вполне определённого давления, обеспечивающего заданный уровень температуры отработанного в турбине пара для эффективной передачи его теплоты теплоносителям теплофикационной сети.

Рассмотрим принципиальные схемы ТЭС в зависимости от типа турбин [4].