Газовая турбина


Паровая турбина отличается от паровой машины и двигателя внутреннего сгорания тем, что использует не давление пара или газа на поршень, а скорость движения газа или пара. Для этого необходимо давление (потенциальную энергию) пара или газа превратить в энергию движения (кинетическую энергию).

Если взять прочный сосуд, наполнить его паром под высоким давлением, а затем открыть отверстие в стенке этого сосуда, то пар с большой скоростью будет вырываться наружу. Казалось бы, чем больше давление внутри сосуда, тем больше будет скорость вытекающей струи пара. Однако на самом деле это не так.

Как бы ни было велико давление внутри сосуда, скорость пара не превзойдет скорости звука. А при этой скорости энергия давления превратится в энергию скорости только в небольшой доле. Это объясняется тем, что при выходе пара из отверстия сосуда возникает особое, критическое давление, которое равно примерно половине давления внутри сосуда. Придать струе пара высокую скорость можно только при помощи специальной конической трубки — расширяющегося сопла.

Скоростную энергию струи пара используют для вращения вала турбины. Это можно сделать, применив либо активный, либо реактивный принцип.

При активном принципе все давление пара превращается в скорость в сопле турбины. Лопатки ее рабочего колеса получают только скоростную энергию. Струя пара, выходящая из сопла со скоростью С1, бьет в щит, удерживаемый на месте грузом. Действие на щит, равное силе Р, происходит в результате того, что направление движущейся струи пара изменено. Упорядочив это движение и применив полукруглый щит с безударным входом пара, мы поворачиваем струю на 180°. Груз придется увеличить, так как действующая на щит сила возрастет, потому что потери энергии на бесполезное рассеивание пара в стороны теперь не будет. Если же не увеличивать груз, то тележка со щитом начнет двигаться, и таким образом мы получим работу. Подбирая различную величину груза и изменяя скорость движения, можно получить разные значения работы. Если скорость движения тележки сделать вдвое меньше скорости пара, то энергия струи пара передается тележке со щитом лучше всего и скорость С., пара, сходящего с тележки, будет ничтожна.

Так как скорость пара при выходе из сопла огромна (более 1 км/сек), то и скорость движения щита также очень велика (не менее 0,5 км/сек). Если же струя пара ударяет не в щит, а в лопатку, насаженную на рабочее колесо турбины, то это колесо будет вращать вал со скоростью десятков тысяч оборотов в минуту. При такой скорости центробежная сила стремится оторвать даже маленькую лопатку весом в 20-30 Г с силой, превышающей несколько тонн. Поэтому турбина этого типа широкого распространения не получила.

Чтобы активная турбина работала, приходится пристраивать к ней редуктор — механизм для уменьшения числа оборотов. По своим размерам он во много раз превышает самое турбину (она называется активной одновенечной, так как у нее один ряд, или венец, лопаток).

Что же происходит в такой турбине? Пар с давлением Р1 поступает в сопло 1 и расширяется в нем, причем давление пара надает до величины Р2. А за счет снижения давления скорость движения пара в сопле возрастает от значения C1 до С2. С такой скоростью он поступает на рабочую лопатку 2 колеса турбины и передает ей свою скорость. После этого скорость пара падает до значения С3, и он покидает турбину через выхлопной патрубок 3.

Чтобы использовать всю потенциальную энергию давления пара и не получать при этом столь большой скорости его истечения, т. е. чтобы уменьшить число оборотов вала, были предложены турбины со ступенями давления.

Давление пара в них превращается в скорость не сразу, а постепенно. В каждой ступени турбин в скорость преобразуется лишь небольшая часть давления. Получается как бы серия одновенечных турбин, работающих одна после другой и использующих лишь часть полного давления пара. В действительности эти отдельные турбины размещены на одном общем валу.

Схема газовой турбины
Схема газовой турбины

На валу такой турбины насажены колеса-диски с лопатками. К корпусу ее прикреплены перегородки — диафрагмы — с размещенными в них соплами (лопатками). Чтобы нар не перетекал через перегородки, в местах, где через них проходит вал, сделаны уплотнения в виде каналов-лабиринтов. Через них просачивается мало пара.

Пар под большим давлением поступает в первый ряд лопаток. Здесь он только частично расширяется, давление его несколько падает, а скорость сильно возрастает. С большой скоростью пар поступает на лопатки первого рабочего колеса. Отдав при постоянном давлении свою скоростную энергию лопатке, пар с уменьшенной скоростью поступает в следующий ряд лопаток. И опять его давление лишь частично превращается в большую скорость, с которой он снова идет на лопатки рабочего колеса, а затем в следующий ряд сопел. После прохождения через все ступени его энергия будет отдана турбине, и он покинет ее через выхлопной патрубок с небольшими давлением и скоростью.

Так, постепенно превращая часть давления пара в скорость и передавая ее лопаткам рабочего колеса, удалось получить турбину с умеренным числом оборотов — 1,5-3 тыс. об/мин.

Существует другой способ снижения скорости оборотов вала, позволяющий значительно уменьшить количество ступеней. Это будут уже не ступени давления, а ступени скорости. Предположим, что пар выходит из сопла со скоростью 800 м/сек. Если придать лопатке рабочего колеса скорость не в два (как в одновенечной турбине), а в четыре раза меньшую, чем скорость пара (т. е. 200 м/сек), то пар догонит лопатку со скоростью 800 - 200=600 м/сек. С этой скоростью он обойдет лопатку и повернет влево. Но так как лопатка движется вправо, то скорость пара по выходе из нее будет равна 600 - 200 = 400 м/сек. С этой скоростью он направляется с рабочей лопатки на неподвижную направляющую лопатку, которая лишь изменяет направление его движения. Отсюда он с той же скоростью (400 м/сек) идет ко второй рабочей лопатке. Она также движется со скоростью 200 м/сек. Пар отдает ей работу и идет влево. Скорость его по выходе с кромки лопатки будет 200 м/сек. А так как лопатка сама движется вправо с той же скоростью, то скорость покинувшего ее пара будет 200 - 200 = 0.

Значит, вся скоростная энергия пара отдается лопаткам турбины.

Так в принципе работает турбина с двумя ступенями скорости. На валу ее сидит колесо с двумя рядами лопаток. Пар поступает в сопло, где его давление падает до выходного и превращается при этом в громадную скорость. На первом рабочем венце эта скорость расходуется только наполовину.

Затем пар изменяет направление на неподвижной лопатке направляющего венца, и оставшаяся скорость срабатывается на лопатках второго рабочего венца.

Ступени скорости, при меньшем их числе по сравнению со ступенями давления, дают возможность получить умеренное число оборотов турбины. Они легко поддаются регулированию, но имеют меньший к.п.д., чем ступени давления. Поэтому в современных турбинах сочетают ступени скорости и ступени давления.

При реактивном принципе работы турбины давление пара преобразуется в скорость как в неподвижных соплах, так и на самих подвижных лопатках турбины. Каналы между этими лопатками служат в то же время каналами сопел.

Каждая лопатка не только движется скоростной энергией пара, но и сама вырабатывает эту энергию за счет падения давления пара. Поэтому давление пара до и после лопатки неодинаково, а создаваемая разность давлений толкает лопатку.

На чертеже газовой турбины видны: 1 — многоступенчатый компрессор; 2— камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4—электрогенератор , получающий мощность от турбины; 5 — электродвигатель для  запуска турбины.
На чертеже газовой турбины видны: 1 — многоступенчатый компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — электрогенератор , получающий мощность от турбины; 5 — электродвигатель для запуска турбины.

На валу 1 такой реактивной турбины сидит барабан с венцами подвижных лопаток 2. Неподвижные лопатки 3 — сопла — укреплены в корпусе. Пар с давлением Р1 и скоростью C1 поступает в отверстие 4. Давление падает (и на неподвижных, и на подвижных венцах), а скорость возрастает на неподвижных и срабатывается на подвижных венцах. С давлением Рк и скоростью Св пар покидает турбину через выхлопной патрубок.

Так как давление пара до и после венцов не равно, барабан с большой силой стремится к движению вдоль оси. Чтобы уравновесить эту силу, в турбине установлен специальный разгрузочный поршень. Разность усилий от давления пара на поршень с обеих сторон уравновешивает барабан.

Паровая турбина — самый мощный двигатель в современной технике. В СССР уже строятся турбины мощностью 100, 150, 200 тыс. кВт., создается турбина в 300 тыс. кВт. Она одна сможет выработать электроэнергии в 5 раз больше, чем Волховская гидроэлектростанция. А три такие турбины превзойдут по мощности Днепровскую гидроэлектростанцию им. В. И. Ленина.

Но и такая гигантская мощность — не предел для паровых турбин. Сейчас уже проектируются паровые турбины мощностью свыше 600 тыс. кВт. Громадная мощность паровых турбин и большое число оборотов сделали их основными двигателями тепловых электростанций. Применяют их и на атомных электростанциях, где огромное количество тепла, выделяемого реактором, используется для получения водяного пара, приводящего в действие паровые турбины.

Паровые турбины широко применяются и как двигатели крупных океанских судов. Для согласования большого количества оборотов турбины со сравнительно низким числом оборотов гребных винтов сооружают мощную турбинную электростанцию. Ее ток питает электрические двигатели гребных винтов. Суда с такими установками называют турбоэлектроходами.

Паровые турбины используются также для вращения машин, которым требуется большое число оборотов. Это главным образом турбовоздуходувки и турбокомпрессоры — машины, похожие на турбины и по внешнему виду и по конструкции, но работающие в обратном направлении. Так, если в турбине за счет расширения пара получается механическая работа, то в этих: машинах, наоборот, за счет затраты механической работы происходит сжатие.