ВОДЯНОЙ ПАР

4. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

В паровых машинах пар действует на поршень, сооб­щая ему возвратно-поступательное движение, которое за­тем посредством шатунно-кривошипного механизма пре­образуется во вращательное движение вала.

Работа паровых турбин основана на другом прин­ципе, как показано на рис. 17. Пар из котла подводится к соплу (неподвижному каналу), в котором он расши­ряется, причем потенциальная энергия его переходит в энергию движения струи па­ра, выходящей из сопла. Эта струя поступает на лопатки, укрепленные на диске и, про­ходя между ними, изменяет направление своего движе­ния. Вследствие этого пар выходит из турбины с мень­шей скоростью, чем та, с ко­торой он поступил на лопат­ки. За счет уменьшения энер­гии движения пара получает­ся механическая энергия, вращающая диск.

Рассмотрим действие па­ра на лопатку полуцилин­дрической формы (рис. 18). При проходе пара между лопатками он совершает кри­волинейное движение, для чего необходима какая-то центростремительная сила, приложенная к пару. Ей противодействует центробежная сила, приложенная к ло­патке и заставляющая ее перемещаться.

Почему же пар выходит из турбины с меньшей ско­ростью, чем он поступил на лопатки? Предположим, что пар выходит из сопла со скоростью 500 метров в секунду
и поступает на лопатку, движущуюся в ту же сторону, со скоростью 250 метров в секунду. Очевидно, скорость пара относительно лопаток будет равна 500—250=250 метров в секунду. С такой же скоростью он покидает лопатку, но так как, вследствие цилиндрической формы последней, эта скорость будет направлена в сторону, противопо­ложную движению лопатки, то скорость пара за ло­патками будет равна 250—250 = 0. Следовательно, вся энергия движения струи будет передана лопаткам турбины.

Таким образом, наиболее выгодно, чтобы скорость движения лопатки была в два раза меньше начальной

Скорости пара и чтобы направления его струи при посту­плении на лопатку и при сходе с нее были бы противо­положны. В действительности лопатки не представляют собой полуокружностей, а выполняются такой формы, чтобы скорость пара при прохождении между ними оставалась постоянной и чтобы не было ударов пара о кромки и поверхность лопаток. Направления движе­ния струи пара при выходе из сопла и при выходе из лопаток не будут строго противоположны; поэтому скорость пара за лопатками не будет, конечно, равна нулю, но будет значительно меньше, чем при выходе из сопла.

Чем больше расширение пара, тем больше скорость его струи, т. е. тем в большей степени потенциальная энергия пара переходит в энергию движения и тем больше получается механической энергии. Как же получить наи­большую скорость пара, или, говоря другими словами, как добиться возможно большего расширения пара, вы­ходящего из сопла?

Так как пар расширяется тем сильнее, чем меньше его давление, то необходимо, следовательно, получить как можно более низкое давление при выходе пара из сопла. Если пар выходит из сужающегося сопла или сопла, имеющего одинаковое сечение по всей длине (рис. 19, а), то, как показал опыт, давление его (рi) при прохожде­нии по соплу понизится всего до 0,58 начального давле­ния (ро); за соплом пар клубится и больше почти не расширяется. В энергию движения переходит всего 42% потенциальной энергии пара. Поэтому для осуществле­ния полного расширения пара такие сопла непригодны.

Шведский инженер Лаваль, построивший в конце прошлого столетия первую паровую турбину, получившую применение в промышленности, предложил выпускать пар через расширяющееся сопло (рис. 19, б). Пар при этом расширяется до давления того пространства, в которое поступает, и выходит из сопла с очень большой скоро­стью (до 1000 метров в секунду и больше) ровной струей, энергия которой выгодно используется на лопат­ках. На рис. 20 показан диск турбины Лаваля, очерта­ния ее лопаток и расширяющиеся сопла.

В описанном типе турбин скорость пара и его давле­ние при прохождении между лопатками не изменяются, расширение пара происходит только в неподвижных соп­лах. Такие турбины называются активными. Реактивные турбины отличаются от первых тем, что у них расширение пара происходит не только до поступления на лопатки, но и при прохождении между ними. О реактивных турбинах мы расскажем ниже, а сейчас рассмотрим ход развития активных турбин.

Большая скорость пара при выходе из сопла обуслов­ливает и большую скорость перемещения лопаток. Если, например, скорость пара равна 1200 метрам в секунду, то скорость лопаток будет равна около 600 метров в секунду.

При такой скорости вращения развиваются такие огром­ные центробежные силы, что им не могут противостоять самые прочные из существующих материалов. Поэтому при турбинах с одним рядом лопаток (к которым отно­сятся турбины Лаваля) приходилось отказываться от бо­лее полного расширения пара; однако число оборотов их достигало 30 ООО в минуту. Чтобы понизить число обо­ротов турбины, Лаваль применил зубчатую передачу, имевшую очень большие раз­меры и сильно шумевшую при работе. В дальнейшем число оборотов активных турбин по­нижали двумя способами: пу­тем устройства ступеней скоро­сти и ступеней давления. Чтобы устроить ступени скорости, ра­бочий диск турбины снабжают двумя или тремя рядами лопа­ток, между которыми поме­щают неподвижные направляю­щие лопатки, укрепленные в корпусе турбины (рис. 21). Пройдя первый ряд рабочих лопаток, пар с пониженной ско­ростью попадает в направляю­щие лопатки. Здесь ему при­дается необходимое направ­ление для поступления во

Второй ряд рабочих лопаток, „ерваяступень вторая ступень В которых скорость пара снова скорости скорости

Снижается. Затем пар посту - рис. 21. Схема активной тур - па ет ВО второй ряд направляю- бины со ступенями ско - Щих лопаток, а из них в третий рости.

Ряд рабочих лопаток. Скорость

Вращения турбины будет при этом, в зависимости от числа рядов рабочих лопаток вдвое или втрое меньше, чем при одном ряде. Давление пара остается неизменным от сопла до выхода из последнего ряда лопаток. Диск с двумя или тремя рядами лопаток называют диском Кер - тиса, по имени изобретателя.

4 Г. С. Бобровский

Чтобы устроить ступени давления, турбину разделяют неподвижными перегородками (диафрагмами) на не­сколько отсеков — ступеней давления (рис. 22). В соплах первой ступени пар расширяется лишь частично и его скорость становится значительно меньше, чем при полном расширении. В соплах второй ступени, закрепленных в

Диафрагме, давление пара опять несколько снижается. Чем больше число ступеней давления, тем меньше число оборотоз турбины.

Наибольшее распространение получили активные турбины, у которых первая ступень давления имеет две ступени скорости, а остальные — диски с одним рядом лопаток.

Преимуществом активных турбин является то, что бла­годаря равенству давлений по обе стороны рабочего диска утечка пара через зазоры между рабочими лопатками и корпусом турбины и между диском и направляющими лопатками незначительна. Утечка пара возможна только через зазоры между диафрагмами и валом турбины и

В месте прохода вала через корпус турбины. Надежное уплотнение этих мест имеет большое значение для эко­номичной работы турбины.

Другой тип паровых турбин — реактивные турбины. Принцип действия этих турбин описан греческим ученым Героном, жившим в I веке до нашей эры в городе Александрии. Герон описал прибор эолипил, приводимый в движение паром. Этот прибор (рис. 23) состоит из полого шара с двумя трубками, изогнутыми в противопо­ложные стороны; шар может вращаться на полых цапфах, через которые подводится пар. Пар, выходя из трубок, приводит шар во вращательное движение. Действие этого прибора основано на следующем. Струя пара, выходящего с большой скоростью из трубок, находится под действием

4*
силы, направленной в сторону движения струи. По зако­нам физики возникновение такой силы вызывает появле­ние равной противодействующей силы, но направленной противоположно ей. Эта сила называется реакцией струи, а принцип действия прибора — реактивным. В данном случае неподвижных сопел нет и расширение пара происходит только во вращающихся трубках; реак­тивная сила действует на концы трубок (насадки) и за­ставляет шар вращаться в сторону, противоположную движению струи.

На том же принципе основано действие реактивных турбин (рис. 24), первая из которых была построена

Английским инженером Парсонсом почти одновременно с активной турбиной Лаваля. Реактивная турбина состоит из барабана (ротора) с укрепленными на нем рядами рабочих лопаток, между которыми располагаются непод­вижные направляющие лопатки, укрепленные в кожухе турбины (статоре). Пар поступает в направляющие ло­патки первой ступени; проходя их, он частично расши­ряется и поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. При проходе пара по ним возникает центро­бежная сила, вызывающая перемещение лопаток; пар при этом также несколько расширяется. Затем пар пере­ходит во второй ряд направляющих и рабочих лопаток, в которых он опять расширяется и теряет часть давления и т. д., пока пройдет все ступени, число которых доходит до 100. Благодаря небольшому перепаду давле­ния в каждой ступени скорость пара невелика, и поэтому число оборотов турбины без затруднений может быть доведено до числа наиболее удобного для электрогене­раторов, центробежных насосов и др.

Однако следует иметь в виду, что и активные турбины нередко работают с некоторой реактивностью. Поэтому деление турбин на активные и реактивные является услов­ным; если турбина работает на 50% по реактивному принципу, то такую турбину принято называть реактивной.

В настоящее время реактивные турбины почти не строятся, так как при высоких давлениях пара лопатки первых ступеней получаются очень короткими и имеют низкий коэффициент полезного действия. Поэтому теперь строят комбинированные турбины: часть высокого давле­ния делают активной, располагая сопла только на части окружности, а когда объем пара сделается достаточно большим, устанавливают реактивные ступени.

У всех турбин, о которых мы говорили, пар движется параллельно оси; но бывают и радиальные турбины, у ко­торых пар движется перпендикулярно валу. Из них наибо­лее интересна турбина Юнгстрема, изображенная на рис. 25. Она состоит из двух дисков с укрепленными на них лопатками; диски вращаются в противоположные сто­роны, и лопатки одного диска являются рабочими для него и направляющими для лопаток другого диска. Тур­бины Юнгстрема весьма компактны и замечательны тем, что являются единственным типом чисто реактивных турбин — расширение пара происходит только на рабочих лопатках, которыми являются все лопатки тур­бины.

Паровые турбины обычно соединяются с электрогене­раторами, для правильной работы которых необходимо поддержание определенного числа оборотов. Для этого применяется центробежный регулятор принципиально та­кой же, какой был описан в разделе о паровых машинах. Через особое вспомогательное устройство он воздей­ствует на клапаны, закрывающие отдельные группы сопел. Клапаны открываются один за другим, так что в любой момент только один клапан будет открыт не полностью и в нем будет происходить торможение пара, связанное с понижением его давления. Другие клапаны будут от­крыты (при неполной нагрузке часть клапанов будет за­крыта), и пар в необходимом количестве поступает при полном давлении, что важно для лучшего использования его энергии.

Паровые турбины работают нормально при 3000 обо­ротов в минуту, но бывают турбины и с большим числом оборотов. В некоторых деталях от центробежной силы возникают очень высокие напряжения, которые при уве­личении числа оборотов выше нормального могут вызвать большие повреждения всей турбины. Поэтому каж­дая турбина снабжается регулятором безопасности: при увеличении числа оборотов на 10% выше нор­мального он автоматически прекращает доступ пара в турбину.

Мы знаем, что наиболее совершенное использование энергии пара получается при возможно полном расшире­нии его, т. е. при возможно низком давлении, при котором пар покидает турбину. Это достигается направлением от­работавшего пара в конденсатор, в котором поддержи­вается абсолютное давление 0,04—0,08 атмосферы. При работе турбин с таким глубоким вакуумом (разреже­нием) по сравнению с работой с выпуском пара в атмос­феру получается экономия в расходе пара до 40%. Воз­можность почти полного использования области низкого давления является ценным преимуществом паровых тур­бин перед поршневыми машинами. У последних пар вы­ходит из цилиндра и поступает в конденсатор при абсо­лютном давлении около 0,2 атмосферы. Для того чтобы

Получить в них большее разрежение, пришлось бы уве­личить ход поршня до непомерно больших размеров, а это сделало бы сооружение машины невозможным. У паровых же турбин это достигается сравнительно просто.

Конденсационное устройство (рис. 26) является важ­ной принадлежностью паротурбинной установки и состоит из конденсатора отработавшего пара, циркуляционного насоса, подающего охлаждающую воду, конденсатного насоса, откачивающего конденсат из конденсатора, и воз­душного насоса, отсасывающего воздух, попадающий в конденсатор вместе с паром. Последнее необходимо, так как присутствие в конденсаторе воздуха препятствует по­лучению глубокого вакуума.

Количество воды, подаваемое циркуляционными насо­сами крупных турбин, чрезвычайно велико. Например, для турбины мощностью 150 000 киловатт необходимо свыше 20 000 кубических метров воды в час. Этого коли­чества воды было бы достаточно для удовлетворения в течение суток бытовых нужд города с населением в 200 000 человек.

Турбины, у которых отработавший пар направляется в конденсатор, называются конденсационными. Кроме них, бывают турбины еще двух типов — с противо­давлением и с отбором пара. У первых пар покидает турбину с давлением выше, чем у конденсационных, чаще всего при избыточном давлении 0,2—4 атмосферы и на­правляется в отопительные системы или в производство для сушки, выпаривания и т. п. У турбин с отбором пара пар требуемого давления отводят из одной или несколь­ких промежуточных ступеней, а остальной пар направ­ляют в конденсатор или также для нагревательных целей. Последние два типа турбин называются теплофика­ционными, и их устанавливают на теплоэлектроцент­ралях (ТЭЦ), на которых производится комбинированная выработка электроэнергии и тепла. О теплофикации бу­дет сказано ниже.

В то время как развитие паровой машины продолжа­лось почти 200 лет, паровые турбины меньше чем за пять­десят лет достигли высокой степени совершенства, вытес­нив паровую машину из электрических станций и из круп­ных судовых установок. Мощность турбинных установок на крупных трансокеанских пароходах измеряется мно­гими десятками тысяч киловатт.

Паровые турбины применяются также для приведения в движение насосов, компрессоров, вентиляторов; осваи­ваются также установки турбин на локомотивах.

Переход от низкого давления пара к более высокому дает экономию топлива, и поэтому давление пара в тур­бинных установках все более и более повышается. Счи­тавшееся еще не так давно высоким давление 35 атмо­сфер уступило место давлениям порядка 100 атмосфер, благодаря чему экономия топлива увеличилась на 12— 15%. В настоящее время используют давление пара 170—180 атмосфер, что еще повышает экономию топлива. В пятилетнем плане развития народного хозяйства СССР на 1956—1960 гг. предусмотрено строительство турбин мощностью до 300 000 киловатт, которые будут работать при давлении пара до 300 атмосфер и температуре пере­грева 650° С.

При модернизации старых электростанций, т. е. для приведения их в состояние, соответствующее достижениям современной техники, также переходят на высокое давле­ние пара. Для того чтобы сохранить ценное турбинное оборудование, применяют установки так называемых предвключенных турбин — турбин с высоким начальным давлением и высоким противодавлением, соединенных с особым электрогенератором. Пар, первоначально расши­рившись и отдав часть своей энергии в предвключенной турбине, направляется в ранее установленную турбину, построенную для меньшего давления, и в ней заканчи­вает свою работу.

В связи с увеличением мощности паровых турбин воз­растает и сложность их конструкции. У крупных турбин размещают часть ступеней с высоким давлением пара в одном корпусе, а часть их с более низким давлением — в другом, причем валы обоих корпусов соединены между собою и с общим электрогенератором; реже встре­чаются трехкорпусные турбины. Крупная одновальная турбина мощностью 150 000 киловатт работает с дав­лением пара 170 атмосфер при температуре перегрева 550° С. Эта турбина построена в 1953 г. Ленинград­ским металлическим заводом (рис. 27). Мощность ее в 86 раз больше, чем мощность паровой машины в 2600 лошадиных сил (рис. 13), но она занимает меньше места.

В дореволюционной России постройку паровых турбин начал в 1904 г. Петербургский металлический завод, но до 1918 г. им было выпущено всего 26 турбин общей мощностью 8965 киловатт. В настоящее время у нас па­ровые турбины строят на нескольких специализирован­ных заводах. О масштабах производства паровых турбин можно судить по тому, что директивами XX съезда КПСС о пятилетнем плане развития народного хозяйства СССР на 1956—1960 годы в 1960 г. предусмотрено построить

Паровые и газовые турбины на общую мощность,10 500000 киловатт, т. е. в 1170 раз больше, чем мощность всех турбин, построенных за все время до Великой Ок­тябрьской социалистической революции.

Производство спирта состоит в том, что картофель посредством водяного пара нагревают в запарниках, крахмал затем переходит в сахар. При брожении са­хара образуется спирт, который отгоняют в нагреваемых паром перегонных аппаратах и конденсируют спир­товые пары в холодильнике. Ректификация (очистка) спирта производится путем повторной его перегонки.

В хлебопекарном производстве применяются печи с так называемыми трубами Перкинса. Это—толстостен­ные трубы, содержащие небольшое количество воды и закрытые с обоих концов. Трубы частично выходят в топку и подвергаются нагреву, остальная поверхность труб выходит в пространство, в котором находится выпекаемый хлеб. В закрытых трубах, в зависимости от степени нагрева концов труб, образуется пар высо­кого давления и температуры, требуемой для хлебо­печения.

Водяной пар применяют также в консервном, конди­терском производствах, для сушки овощей. В столовых для приготовления пищи применяются котлы, обогревае­мые паром. В строительстве пар находит применение для просушивания пиломатериалов и при изготовлении шлако­бетонных блоков.

Текстильное производство требует много водяного пара. При прядении хлопка требуется определенная влаж­ность и температура помещения, поддерживаемые впры­скиванием воды с паром. При ткачестве основа пропиты­вается горячей шлихтой — раствором, придающим нити гладкость; после этого основа просушивается на бараба­нах, обогреваемых изнутри паром. Вытканный материал (суровье) подвергается отбелке в варочных котлах и про­сушивается на сушильных барабанах. После набойки ри­сунка на печатных машинах ткань просушивается в за­крытых сушилках, обогреваемых паром, или на сушиль­ных барабанах.

Кроме этих процессов, в текстильном производстве имеется еще ряд операций, при которых нельзя обойтись без пара.

В химической промышленности пар играет особенно важную роль, поскольку почти все химические реакции ускоряются при высокой температуре, а некоторые даже невозможны без нее. Из процессов резинового производ­ства упомянем только вулканизацию, состоящую в том, что в резиновую смесь вводят 1—3% серы и нагрева­ют до 140° С в металлической форме, обогреваемой паром, или в автоклаве — сосуде, обогреваемом па­ром. Способ горючей вулканизации широко применяет­ся при починке автомобильных камер, резиновой обу­ви и др.

Охрана здоровья также требует применения пара: перевязочный материал должен быть стерильным, т. е. обеззараженным. С этой целью применяют медицинские автоклавы, представляющие собой не что иное, как Папй - нов котел с небольшим давлением. В автоклав наливают до определенного уровня воду, над ней устанавливают решетку, на которой укладывают материал, подлежащий стерилизации, закрывают автоклав крышкой и, нагревая его снизу, поднимают температуру до 110—130° С, что соответствует избыточному давлению 0,5—1,5 атмо­сферы.

Дезинфекционная камера представляет собою барабан большого диаметра с крышками с обеих сторон, внутри его помещен змеевик, обогреваемый паром. Дезинфици­руемые вещи закладываются в камеру, которую плотно закрывают и, пуская в змеевик пар, нагревают до высо­кой температуры (порядка 130° С), при которой гибнут болезнетворные бациллы.

Очень большое значение в народном хозяйстве имеет использование теплоты отработавшего пара для тепло­фикации. Сущность последней заключается в том, что пар из теплофикационной турбины, имея повышенное давление, поступает по паропроводам на предприятия, где используется для варки, выпаривания, сушки, вулканиза­ции и др., или нагревает воду, используемую затем для обогрева жилых и производственных зданий. Здесь пар конденсируется и возвращает скрытую теплоту парообра­зования, т. е. большую часть своего теплосодержания. Степень общего использования его теплоты может быть доведена до 65% и выше, тогда как при выпуске пара в конденсатор используется в лучшем случае около 25% его теплоты, а остальная теплота передается в конденса­торе охлаждающей воде и теряется бесполезно. Конденсат возвращается обратно на теплоэлектроцентраль и опять поступает в паровые котлы; будучи совершенно свобод­ным от каких бы то ни было примесей, он не образует накипи, что имеет большое значение для хорошей пере­дачи теплоты в котлах и для их безопасной работы.