Паровая турбина

Паровая турбина — это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется сначала в кинетическую энергию струи, а затем — в механическую работу вращения ротора. Основным рабочим элементом является ротор с лопатками, на который воздействует пар, расширяющийся в сопловых каналах. Паровые турбины являются основным типом привода генераторов на тепловых, атомных и геотермальных электростанциях, а также используются в качестве судовых двигателей и приводов мощных компрессоров.

История

Предшественники и первые разработки

Идея использования пара для вращения механизма восходит к античности. В I веке н. э. Герон Александрийский описал прибор — эолипил, представлявший собой полый шар, вращавшийся под действием выходящих из него струй пара. Однако это устройство не нашло практического применения и осталось научной игрушкой.

В XVII—XVIII веках с развитием паровых машин поршневого типа (Томас Ньюкомен, Джеймс Уатт) инженеры искали способы получения непрерывного вращательного движения без кривошипно-шатунного механизма. Первые патенты на паровые турбины были получены в конце XIX века. В 1883 году шведский инженер Густав де Лаваль создал первую действующую паровую турбину активного типа. Она представляла собой одноступенчатый агрегат с соплом Лаваля, разгонявшим пар до сверхзвуковой скорости. Турбина развивала мощность около 5 л. с. при 30 000 об/мин, что требовало сложных редукторов.

Параллельно в 1884 году британский инженер Чарльз Парсонс разработал многоступенчатую реактивную турбину. Его конструкция, в отличие от турбины Лаваля, позволяла эффективно использовать перепад давления пара в нескольких последовательных ступенях, что снижало число оборотов до приемлемых для прямого привода генератора значений. Первая турбина Парсонса мощностью 7,5 кВт была установлена на электростанции в Ньюкасле.

Развитие в XX веке

К началу XX века паровые турбины стали основным типом двигателя на крупных электростанциях. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже была продемонстрирована турбина Парсонса мощностью 1000 кВт. В 1903 году в США компания General Electric начала выпуск турбин по лицензии Парсонса. В России первая паровая турбина мощностью 200 кВт была изготовлена в 1907 году на Путиловском заводе в Санкт-Петербурге.

В 1910-х годах были разработаны конструкции для морского применения: паровые турбины стали устанавливать на крупных военных кораблях (линкоры, крейсеры) и пассажирских лайнерах («Титаник» имел паровые турбины низкого давления, работающие на отработанном паре поршневых машин). К 1930-м годам мощность единичных турбин на электростанциях достигла 100 МВт.

После Второй мировой войны развитие атомной энергетики потребовало создания турбин, работающих на насыщенном паре низких параметров (давление 6-7 МПа, температура около 280 °C). Для тепловых электростанций, напротив, совершенствовались турбины на сверхкритические параметры пара (давление до 30 МПа, температура до 650 °C). В СССР в 1960-1970-х годах были созданы серии турбин мощностью 200, 300, 500 и 800 МВт (Ленинградский металлический завод, Харьковский турбинный завод). В 1981 году была введена в эксплуатацию турбина мощностью 1200 МВт на Костромской ГРЭС.

Принцип действия

Паровые турбины работают на основе двух принципов преобразования энергии: активного и реактивного.

Активный принцип

В активной ступени пар расширяется только в неподвижных соплах (сопловых решётках). На выходе из сопла струя пара приобретает высокую скорость и направляется на лопатки ротора. Давление пара перед лопатками и за ними практически одинаково. Кинетическая энергия струи передаётся лопаткам за счёт изменения направления движения пара (удар). Турбина Лаваля является классическим примером чисто активной конструкции.

Реактивный принцип

В реактивной ступени расширение пара происходит как в соплах, так и в каналах между лопатками ротора. Пар, проходя через сужающиеся каналы вращающихся лопаток, ускоряется, и сила реакции отбрасываемой струи создаёт дополнительный вращающий момент. Степень реактивности (доля расширения, приходящаяся на ротор) обычно составляет 0,3-0,5. Турбины Парсонса были чисто реактивными, хотя современные конструкции часто являются комбинированными.

Многоступенчатость

Для эффективного использования большого перепада давления пара (от 3-30 МПа в начале до 0,003-0,005 МПа в конденсаторе) турбины выполняются многоступенчатыми. Каждая ступень состоит из сопловой решётки и рабочего колеса. Пар последовательно проходит через 10-30 ступеней, постепенно отдавая энергию. Это позволяет снизить окружную скорость ротора до 3000 об/мин (для частоты тока 50 Гц) или 3600 об/мин (60 Гц), что удобно для синхронных генераторов.

Классификация

Паровые турбины классифицируются по нескольким основным признакам.

По направлению потока пара

• Осевые — пар движется параллельно оси вращения ротора. Наиболее распространённый тип.
• Радиальные — пар движется от центра к периферии или наоборот. Используются реже, в основном в малых турбинах или специальных установках.

По способу использования пара

• Конденсационные — отработавший пар поступает в конденсатор, где конденсируется при давлении ниже атмосферного. Обеспечивают максимальный перепад давления и высокий КПД (до 45-48% на современных ТЭС). Используются на электростанциях.
• Теплофикационные (с противодавлением) — отработавший пар отдаётся потребителю тепла (промышленным предприятиям, системам отопления) при давлении 0,1-1,5 МПа. КПД по выработке электроэнергии ниже, но общая эффективность использования топлива (когенерация) достигает 80-90%.
• Турбины с промежуточным отбором пара — из одной или нескольких ступеней часть пара отбирается для технологических нужд или подогрева питательной воды.

По параметрам пара

• Низкого давления — до 1,5 МПа, температура до 350 °C.
• Среднего давления — 3-4 МПа, температура до 450 °C.
• Высокого давления — 9-13 МПа, температура 500-565 °C.
• Сверхкритического давления — выше 22,1 МПа, температура 540-650 °C.

По числу корпусов

Современные мощные турбины часто состоят из нескольких цилиндров (корпусов): цилиндра высокого давления (ЦВД), цилиндра среднего давления (ЦСД) и одного или двух цилиндров низкого давления (ЦНД). Такая конструкция позволяет снизить тепловые деформации и уменьшить длину лопаток последних ступеней.

Устройство и основные компоненты

Основными узлами паровой турбины являются статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть).

Статор

• Корпус — массивная литая или сварная деталь, выдерживающая давление пара. Обычно имеет горизонтальный разъём для сборки.
• Сопловые решётки — неподвижные лопатки, закреплённые в диафрагмах. Преобразуют потенциальную энергию пара в кинетическую.
• Диафрагмы — перегородки между ступенями, в которых установлены сопловые решётки. Уплотнения по валу предотвращают перетечки пара.
• Уплотнения — лабиринтные или щёточные, устанавливаются в местах выхода вала из корпуса для минимизации утечек пара.

Ротор

• Вал — кованый или сварной, обычно из легированной стали. Передаёт крутящий момент генератору или другому механизму.
• Рабочие лопатки — профилированные детали, закреплённые на роторе. Изготавливаются из жаропрочных сталей или титановых сплавов (для последних ступеней). Лопатки последних ступеней ЦНД могут достигать длины 1-1,5 м.
• Диски — элементы, на которые крепятся лопатки. Могут быть цельноковаными с валом или насаженными.

Вспомогательные системы

• Система регулирования — автоматически поддерживает заданную частоту вращения и мощность, управляя клапанами подачи пара.
• Система смазки — обеспечивает подачу масла к подшипникам.
• Система конденсации — конденсатор, эжекторы (для откачки воздуха) и конденсатные насосы.
• Система регенерации — подогреватели питательной воды, использующие пар из отборов турбины.

Применение

Электроэнергетика

Основная область применения — привод генераторов на тепловых электростанциях (ТЭС), работающих на угле, газе, мазуте, торфе, а также на атомных электростанциях (АЭС). На ТЭС с паросиловыми установками (ПСУ) турбины работают в составе энергоблоков мощностью от 30 до 1200 МВт. На АЭС, где параметры пара ниже, чем на ТЭС, турбины имеют большие габариты при той же мощности (например, турбина К-1000-60/1500 для реактора ВВЭР-1000).

Судостроение

Паровые турбины применялись на крупных военных кораблях (линкоры, авианосцы, крейсеры) и пассажирских судах середины XX века. В настоящее время на военных кораблях они вытеснены газовыми турбинами и дизелями, но продолжают использоваться на атомных ледоколах и подводных лодках (в составе паротурбинной установки, работающей от атомного реактора). В России атомные ледоколы проекта 22220 оснащены паровыми турбинами мощностью около 36 МВт.

Промышленность

На предприятиях, где требуется большое количество пара (химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная промышленность), паровые турбины используются как приводы компрессоров, насосов и вентиляторов. Часто они работают в режиме противодавления, обеспечивая одновременно механическую энергию и технологический пар.

Интересные факты

• Самая мощная в мире паровая турбина (1200 МВт) была установлена на Костромской ГРЭС (Россия) в 1981 году. Она имеет массу около 600 тонн и длину более 40 метров.
• Лопатки последних ступеней мощных турбин вращаются с окружной скоростью, близкой к скорости звука (500-600 м/с). При этом центробежные силы на лопатку длиной 1,2 м могут превышать 100 тонн.
• КПД современных паровых турбин на сверхкритических параметрах пара достигает 45-48%. Для сравнения, КПД поршневой паровой машины начала XX века не превышал 15-20%.
• Первая в мире атомная электростанция (Обнинская АЭС, 1954 год) имела паровую турбину мощностью 5 МВт, работавшую на насыщенном паре при давлении 1,3 МПа.

Источники

• Щегляев А. В. «Паровые турбины: Теория теплового процесса и конструкции турбин». — М.: Энергоатомиздат, 1993.
• Трухний А. Д., Ломакин Б. В. «Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки». — М.: Издательство МЭИ, 2002.
• Костюк А. Г., Фролов В. В. «Турбины тепловых и атомных электрических станций». — М.: Издательство МЭИ, 2001.
• «Паровые турбины: история и современность» // Журнал «Теплоэнергетика», № 5, 2010.
• Материалы Ленинградского металлического завода (ЛМЗ) и Харьковского турбинного завода (Турбоатом).