Паровые турбины применяются преимущественно на крупных судах при необходимости иметь мощную энергетическую установку. Заметными преимуществами паровых турбин являются малая вибрация или полное ее отсутствие при работе турбин, малая масса, минимальные габаритные размеры и низкие эксплуатационные расходы. Более того, паровая турбина может применяться практически при любой требуемой мощности судовой установки. Но высокий удельный расход топлива по сравнению с дизельной установкой сводит на нет эти преимущества, хотя применение различных усовершенствований в турбине (промежуточный подогрев пара и т. п.) компенсирует в некоторой степени этот недостаток.
Паровая турбина это механизм, в котором энергия пара превращается в механическую работу. Пар входит в турбину с высоким содержанием энергии и теряет ее значительную часть при выходе: из турбины. Сопла служат для преобразования тепловой энергии пара в кинетическую. Струя пара направляется на лопатки, расположенные по периферии рабочего колеса или диска (рис. 3. 1). Пар не просто «давит» на колесо, заставляя его вращаться. Форма лопаток такова, что изменяется как направление движения пара, так и его скорость. Изменение скорости определенной массы парового потока приводит к появлению определенной силы, которая и воздействует на колесо турбины, заставляя его вращаться, т. е. массовый расход пара (кг/с), умноженный на изменение скорости (м/с), равен силе (кг*м*с-2) в ньютонах.
Таков основной принцип работы всех паровых турбин, хотя осуществление этого принципа может быть довольно различным. Пар от лопаток первого колеса проходит к ряду сопел и лопаток второго колеса, затем к следующему колесу и т. д. вдоль вала турбины, пока не израсходуется энергия пара. Комплект совместно работающих сопел и лопаток носит название ступени.
Существует два основных типа турбин: активные и реактивные. Эти термины объясняют, какие силы действуют на колесо, чтобы привести его во вращение.
Активные турбины
В активной турбине имеется сопловое колесо, за которым помещаются лопатки. Пар, обладающий высокой энергией и большим давлением, в сопле расширяется, его давление падает, а скорость увеличивается. Струя пара из сопла подается на активные лопатки под определенным углом, а выходит из них под другим углом (рис. 3.2). Благодаря изменению направления движения и скорости пара возникает активная сила, направление действия которой в основном совпадает с направлением движения лопаток при вращении колеса. На валу турбины возникает лишь небольшое осевое усилие.
Реактивные турбины
В корпусе реактивной турбины имеется кольцо с вмонтированными в него неподвижными лопатками, а также закрепленное на роторе колесо с движущимися лопатками примерно одинакового профиля (рис. 3.3). Движущиеся лопатки имеют такой профиль и установлены так, чтобы образовать суживающийся канал, в котором, как в сопле, скорость пара будет возрастать. Увеличение скорости пара в лопатках приводит к появлению реактивной силы, вектор которой имеет одну составляющую по направлению вращения лопаток, а другую — по направлению оси ротора. В лопатках происходит изменение направления движения пара и соответствующее изменение его скорости. В результате в реактивных лопатках тоже возникает активная сила. Более правильно было бы этот тип турбины называть активно-реактивиым,
Рис. 3.1. Преобразование энергии в паровой турбине:
1- канал для преобразования энергии давления пара в кинетическую энергию в сопле; 2 — сопловое кольцо; 3 — сила, вращающая колесо; 4 — угол изменения направления движения (скорости) пара; 5 — лопатки, закрепленные на колесе; I — вход пара; II — выход пара
Рис. 3.2. Активные лопатки:
I—направление потока пара; II — направление вращения вала; III — канал с постоянной
площадью сечения
Рис. 3.3. Реактивные лопатки:
I - направление вращения; II— направление потока пара; III — канал с уменьшающейс площадью сечения
Расширение пара в турбине может происходить в двух и более ступенях по мере изменения давления и скорости истечения пара.
Так, в активной турбине подобное разделение осуществляется посредством применения ряда ступеней, в которых давление пара последовательно падает. В результате можно получить более или менее приемлемые скорости потока и лучший к. п. д. турбины.
В активной турбине на один ряд сопел приходится несколько рядов движущихся лопаток, сидящих на одном диске. Между рядами движущихся лопаток устанавливают направляющие лопатки, закрепленные в корпусе турбины. При таком устройстве ступеней турбина получается короткой и легкой, но с меньшим к. п. д., что вполне приемлемо, например, для турбины заднего хода.
Если в турбине сочетаются оба принципа работы, то такая турбина называется турбиной со ступенями давления и скорости.
В реактивной турбине как неподвижные, так и движущиеся лопатки устроены так, что на каждой ступени последовательно уменьшаются и скорость пара и его давление. Таким образом, разделение процесса осуществляется благодаря самой конструкции турбины.
Агрегат, состоящий из турбины высокого давления и турбины низкого давления, называют двухкорпусным ( рис. 3.4). Главные судовые турбины обычно имеют такую конструкцию. В ряде случаев могут встречаться однокорпусные установки, чаще в качестве привода в турбогенераторной установке, а иногда и в качестве главного двигателя.
Промежуточный подогрев пара. Этот подогрев пара применяется для повышения к. п. д. установки. Пар после расширения в какой-то части турбины высокого давления возвращается в паровой котел, где снова подогревается до первоначальной температуры перегретого пара. Затем пар подается на оставшиеся ступени турбины высокого давления, а затем в турбину низкого давления.
Разновидности турбин, связанные с названиями фирм или с именами изобретателей. Турбина Парсонса это реактивная турбина, в которой расширение пара происходит на неподвижных и движущихся лопатках. В каждой ступени половина перепада теплоты приходится на сопловые лопатки, а другая половина — на рабочие лопатки, поэтому каждая ступень обладает 50%-ной реактивностью.
Турбина Кертиса это активная турбина, в которой на ряд сопел приходится несколько рядов лопаток, т. е. ступеней скорости.
Турбина Лаваля это одноступенчатая активная турбина, т. е. с одним рядом сопел и одним рядом лопаток; турбина работает с очень высокой частотой вращения.
Турбина Рато это активная многоступенчатая турбина со ступенями давления.
Турбины заднего хода. Главные судовые паровые турбины должны быть реверсивными. Обычно реверсирование достигается тем, что на валах турбин высокого и низкого давления устанавливают несколько рядов лопаток заднего хода. Мощность турбины заднего хода составляет около 50% мощности турбины переднего хода. При работе турбины на передний ход лопатки турбины заднего хода действуют как воздушный компрессор, что вызывает дополнительные потери.
Рис. 3.4. Устройство двухкорпусной турбины:
— зубчатый редуктор; 2 — валоповоротное устройство; 3 — турбина низкого давления; 4 — конденсатор; 5 — турбина высокого давления
На рис. 3.5 показано устройство активной турбины. На валу ротора имеется ряд колес, на которых закреплены рабочие лопатки. По мере движения пара вдоль вала давление пара падает, а объем увеличивается, поэтому и лопатки делаются все большей длины. Турбина заднего хода смонтирована на другом конце ротора, она короче, чем турбина переднего хода. С обоих концов вал ротора установлен на подшипниках. В одном из подшипников имеется упорный диск, воспринимающий осевые усилия.
Корпус турбины полностью закрывает ротор. В корпусе турбины имеются патрубки для впуска и выпуска пара. На входе пара устанавливается сопловая коробка. При помощи сопловых клапанов можно изменять количество подаваемого в турбину пара и тем самым регулировать мощность турбины. Первый комплект сопел смонтирован в сопловом кольце, крепящемся в корпусе. В корпусе между рабочими колесами также установлены кольцевые диски — диафрагмы. Внутри центральных отверстий дисков проходит вал ротора. В диафрагме имеются сопла для расширения пара, а между диафрагмой и валом ротора — уплотнения.
Турбина заднего хода отличается тем, что в ней нет диафрагм, а между рабочими лопатками установлены неподвижные лопатки.
Ротор
Роль вала турбины по существу выполняет ротор, при помощи которого полученная от пара мощность через зубчатую передачу передается на гребной вал. Ротор может быть цельным, выточенным, заодно с дисками, или, если размеры ротора большие, он состоит из вала и насаженных на него рабочих колес.
На концах вала ротора, там где он выходит из турбины, устанавливаются кольца, составляющие часть лабиринтового уплотнительного устройства, которое будет описано ниже в этой главе. По обеим сторонам ротора установлены подшипники, в которых имеются маслосбрасывающие кольца, предохраняющие от попадания масла из подшипника в паровое пространство вдоль вала. На одном конце ротора расположено, небольшое упорное кольцо для фиксирования ротора по длине. На другом конце ротора устанавливается фланец или другое приспособление для эластичной муфты, при помощи которой вращение с ротора передается на ведущее колесо редуктора. В диски рабочих колес в канавки различного профиля вставляются рабочие лопатки.
Рабочие лопатки
О типах лопаток и их форме было сказано выше. Когда ротор турбины вращается с высокой частотой, на лопатки действует значительная центробежная сила, а изменение скорости пара в лопатках вызывает вибрацию лопаток. При работе турбины также происходит тепловое расширение и сжатие материалов, поэтому крепление лопаток в дисках должно быть надежным. Для крепления лопаток имеются различные способы (рис. 3.6). При установке лопатку хвостовиком вводят в канавку и придвигают ее к соседней лопатке.
Рис. 3.5. Активная турбина:
1 — лабиринтовое уплотнение; 2 — скользящая опора; 3 — упорный подшипник; 4 — сопловое кольцо; 5 — сопловая коробка; 6 — корпус; 7 — лопатка; 8 — колесо; 9 — турбина заднего хода; 10 — подшипник; 11 — уплотнение; 12 — диафрагма; 13 — камера уплотнения; I — вход
пара; II — выход пара
Рис. 3.6. Крепление лопаток: а — вильчатое; 6 — обратное елочное; в — при помощи Т-образного хвостовика
Когда все лопатки последовательно вставлены в свои канавки, со стороны ввода хвостовики закрывают стопорным кольцом, которое в свою очередь крепится на диске. Затем через поводки на верхних концах лопаток пропускается бандажная лента. В некоторых случаях бандажную ленту пропускают через лопатки и припаивают к ним.
Уравновешивание осевого усилия
В реактивной турбине развивается значительное осевое усилие. Ротор турбины имеет высокую частоту вращения, а движущиеся элементы очень близко расположены по отношению к неподвижным, поэтому нельзя допускать осевого смещения ротора и осевое усилие должно быть уравновешено. Одним из способов уравновешивания осевого усилия является, применение уравновешивающего поршня. Пар, который по трубке отводится от одной из ступеней турбины, воздействует на поршень, посаженный на валу ротора (рис. 3.7). В корпусе турбины выполнен цилиндр для этого поршня, и поэтому под давлением пара возникает усилие, направленное вдоль оси вала.
Рис. 3.7. Устройство уравновешивающего поршня:
1 — уравновешивающая сила; 2 — уравновешивающий поршень; 3 — цилиндр уравновешивающего поршня; 4 — уравновешивающая труба; I — вход пара; II — выход пара
Площадь поршня и давление пара выбираются такими, чтобы точно уравновесить осевое усилие, возникающее на лопатках в реактивной турбине. Если в одном корпусе расположены турбины переднего и заднего хода, то уравновешивающие поршни нужно установить для работы в обоих направлениях:
Другим способом уравновешивания, который часто применяется в турбинах низкого давления, является создание двойного потока. При таком устройстве пар входит в среднюю часть турбины и расходится вдоль вала в противоположных направлениях. При равном числе ступеней слева и справа осевые усилия взаимно уравновешивают одно другое.
Уплотнительные устройства и система уплотнения. Уплотнительные устройства служат для предотвращения утечки пара из турбины высокого давления и попадания воздуха в турбину низкого давления. Уплотнительные устройства обычно применяются в совокупности с системой уплотнения.
Механические уплотнительные устройства — это обычно лабиринтовые уплотнения. На валу ротора монтируется ряд колец, а в корпусе закрепляется соответствующий ряд лабиринтов (рис. 3.8). Пар из турбины Должен пройти через эти многочисленные лабиринты, что практически приводит к снижению давления пара до атмосферного.
В дополнение к лабиринтовому механическому уплотнению действует система уплотнения, для которой в корпусе турбины имеется ряд камер. Система действует следующим образом. Во время работы турбины на полной мощности пар проникает в первую камеру, и поэтому в ней появляется какое-то давление выше атмосферного. Пар же, который проникает вдоль вала во вторую камеру, отсасывается воздушным насосом или эжектором в конденсатор сальникового пара. Если во вторую камеру попадает воздух из машинного отделения, он также отсасывается в конденсатор (рис. 3.9).
На самом малом ходу или при пуске турбины пар в первую камеру подается от какого-либо источника пара низкого давления. Вторая камера в этом случае действует, как описано выше.
Система уплотнения используется также для снабжения паром низкого давления различных потребителей и для отсоса пара и воздуха из различных других уплотнительных устройств турбинного агрегата.
Диафрагмы. Они устанавливаются в активных турбинах, имеют кольцевую форму и выполнены из двух полуколец. Через центральное отверстие диафрагмы проходит вал. Диафрагма крепится к корпусу и находится между двумя рядами лопаток. По периферии диафрагмы расположены сопла, в ее центральном отверстии крепятся лабиринты уплотнения.
Сопла
Сопла служат для преобразования статической энергии пара высокого давления в кинетическую энергию струи пара, обладающей высокой скоростью, но уменьшенным по сравнению с исходным давлением. Сопла на входе в турбину разбиты на несколько групп, и все они, за исключением основной, имеют собственные сопловые клапаны (рис. 3.10). Благодаря этому можно регулировать мощность турбины, меняя число включенных групп сопел. Сопловые коробки на входе имеют как активные, так и реактивные турбины.
Рис. 3.8. Лабиринтовое уплотнение:
1—ротор; 2— статор; 3— пластинчатая пружина
Рис. 3.9. Система уплотнения паром:
1 — турбина высокого давления; 2 — турбина низкого давления; 3 — турбина заднего хода; I — подвод пара к системе уплотнения; II — подвод пара к конденсатору системы уплотнения
Рис. 3.10. Управление турбиной при помощи сопловых клапанов:
а — поперечный разрез, вид на сопловое кольцо; б — продольный разрез; 1 — сопловая группа, не имеющая соплового клапана; 2 — управляемая группа сопел; 3 — выступ соплового кольца; I — вход пара в коробку от маневрового клапана; II — вход пара от группового соплового клапана.
Система спуска конденсата
При прогревании турбины или при маневрировании судна пар будет конденсироваться и накапливаться в различных частях турбины. Для того чтобы удалить конденсат и избежать его попадания на рабочие лопатки, что может вызвать Их повреждение, и предназначена система спуска. Спуск конденсата необходим еще и потому, что при накапливании конденсата может возникнуть местное охлаждение и деформация турбины из-за неравномерного нагрева. В современных установках имеются автоматические клапаны спуска, которые открыты во время прогрева или маневрирования турбины и закрыты при работе на нормальных частотах вращения ротора.
Подшипники
Подшипники турбины стальные, помещаются в корпусе, положение которого может регулироваться при центровке валопровода. Упорный подшипник — со сферическими самоустанавливающимися подушками. Этим обеспечивается их равномерная нагрузка и правильное положение подушек по отношению к упорному диску. Элементы обоих типов подшипников показаны на рис. 3.5. Масло для смазывания поступает в подшипник сбоку с обеих сторон. В месте подвода масла к валу отверстие расширено для того, чтобы масло равномерно распределялось по всей поверхности подшипника. В Подшипнике нет никаких масляных канавок. Зазоры в подшипниках турбин больше, чем в подшипниках дизелей. Во время работы турбины вал ее как бы плавает в маслянной ванне. Выходит масло через отверстие в верхней части подшипника и сливается в сточную цистерну.
Смазочная система
В паровых турбинах система смазки выполняет две функции: обеспечивает слой смазки для уменьшения трения между движущимися частями и отводит тепло, образующееся при работе подшипников или передаваемое по валу.
Смазочная система служит для подачи масла к турбине, редуктору, упорному подшипнику и к форсункам редуктора. Для остановки турбины, работающей на высоких частотах вращения, требуется значительное время. Главные масляные насосы, имеющие привод от турбины, в этот период времени, могут не обеспечить смазку в достаточной степени, и поэтому нужно предусмотреть дополнительный вариант подачи масла. Обычно в этом случае подключают напорный масляный бак, а приводные насосы не отключают, и они продолжают прокачивать масло через турбину.
На рис. 3.11 показана смазочная система, в которой применяются напорный масляный бак и приводные масляные насосы. Масло засасывается насосом из сточной цистерны через фильтры и пода-тору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла снова очищается в фильтрах, а затем подается к зубчатому редуктору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла через дроссельную шайбу попадает в напорный бак, из которого избыток масла постоянно сливается, что можно проконтролировать по смотровому стеклу.
Рис. 3.11. Типовая схема смазочной системы:
1 — подшипники редуктора и главный упорный подшипник; 2 — форсунки редуктора; 3— подшипники турбины; 4 — смотровое стекло; 5 — вентиляционный рожок; 6 — напорная масляная цистерна; 7 — дроссельная шайба; 8 — сдвоенный фильтр; 9 — охладители; 10— запорный вентиль; 11 — невозвратный клапан; 12 — приводной насос; 13 — сточная масляная цистерна; 14 — фильтры; 15 — электрические насосы; 16 — предохранительный клапан
Приводные насосы обеспечивают все режимы смазывания при нормальной работе турбины.
При уменьшении мощности турбины масло к форсункам редуктора продолжает подаваться от приводных насосов. Масло из напорного бака с пониженным давлением подается к подшипникам в течение продолжительного времени, чтобы исключить выход из строя подшипников при остановке турбины.
Тепловое расширение турбин. При работе турбины ее температура значительно повышается по сравнению с температурой неработающей турбины. Поэтому должна быть предусмотрена возможность для теплового расширения ротора и статора.
Корпус турбины обычно жестко крепится в кормовой ее части к опоре или кронштейнам корпуса редуктора. Здесь лапа корпуса турбины закреплена от продольного смещения, но может перемещаться в продольном направлении, так как отверстия для болтов имеют удлиненную форму. Такие же удлиненные отверстия для болтов имеются и в передней лапе корпуса, которая опирается на скользящую опору или на упругую вертикальную листовую опору, изгибающуюся при тепловом расширении корпуса.
Положение передней опоры по отношению к задней или к кронштейнам корпуса редуктора обычно фиксируется. На опорах и на корпусе турбины имеются соответствующие одни другим большие
вертикальные канавки и шпонки, обеспечивающие перемещение корпуса относительно опоры в вертикальном направлении при его центровке с валопроводом.
Ротор турбины обычно фиксируется относительно корпуса в своей передней части при помощи упорного кольца и, следовательно, любое осевое перемещение ротора должно передаваться на другой его конец со стороны редуктора. Между валом турбины и валом редуктора устанавливается эластичная муфта. Эта муфта не только воспринимает осевое удлинение ротора, но и нейтрализует небольшие отклонения в центровке валов. Все подведенные к корпусу турбины трубопроводы для обеспечения свободного теплового расширения корпуса должны иметь петлевые компенсаторы большого радиуса или сильфоны. Кроме того, при перемещении, вызванном тепловым расширением корпуса, эти трубопроводы не должны задевать корпус. Для этого трубопроводы устанавливают на эластичных или пружинных подвесках.
При прогревании турбины необходимо обеспечить ее свободное тепловое расширение. Для контроля за расширением на турбине устанавливают ряд индикаторов. Все направляющие приспособления должны содержаться в чистоте и хорошо смазываться.
Управление турбиной
Клапаны, служащие для впуска пара в турбину переднего или заднего хода, называются маневровыми. Обычно устанавливают три клапана: переднего хода, заднего хода и блокирующий. Блокирующий клапан это разобщительный клапан на турбине заднего хода. Все клапаны имеют гидравлический привод с питанием от автономной гидравлической системы, имеющей свои основные и аварийные насосы. На случай выхода из строя системы дистанционного управления предусматривается система ручного управления.
При открытии маневрового клапана переднего хода пар поступает к главной сопловой коробке. С увеличением мощности при помощи системы дистанционного управления в определенном порядке открываются групповые клапаны. Для поддержания постоянной частоты вращения ротора на маневровом клапане переднего хода установлен регулятор.
При открытии маневрового клапана заднего хода пар подается к блокирующему запорному клапану, который открывается одновременно с маневровым. Затем пар проходит в турбину заднего хода.
Система защиты турбины
Эта система включает в себя устройства для предотвращения повреждения турбины от неисправностей в самой турбине и в связанных с ней системах и устройствах. К этим устройствам относятся соленоидный клапан и элементы систем турбины, обеспечивающие ее аварийную остановку. При срабатывании предохранительных устройств прекращается подача гидравлического масла к маневровому клапану, с помощью которого прерывается подача пара в турбину. Эти устройства срабатывают при наличии одного из следующих аварийных состояний: низкое давление в системе смазки; превышение частоты вращения ротора; низкий вакуум в конденсаторе; аварийная остановка; высокий уровень конденсата в конденсаторе; высокий или низкий уровень воды в Котле.
К другим неисправностям, которые могут быть обнаружены системой защиты и вызвать ее срабатывание, относятся: эксцентриситет ротора в турбине высокого или низкого давления или их вибрация; дифференциальное расширение в турбине высокого и низкого давления, т. е. различная степень расширения ротора и статора; износ упорных подшипников турбин высокого и низкого давления; включенное валоповоротное устройство (в этом случае исключается пуск турбины).
Эта «всевидящая» система защиты, как ее можно назвать, действует двояко. Если обнаруживается опасная тенденция, которая может привести к аварийной ситуации, то дается первичный сигнал тревоги. Это позволяет произвести ряд корректирующих действий, и ротор турбины не останавливается. Если корректирующие действия осуществляются медленно или если они не приносят желаемого результата, а аварийная обстановка резко ухудшается, подается вторичный сигнал тревоги, и тогда срабатывает система защиты и ротор турбины останавливается.
Используемая литература: "Основы судовой техники" Автор: Д.А. Тейлор
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com