Турбина как тепловой двигатель¶

Турбина — это лопаточная машина, в которой поток рабочего тела (пара, газа или жидкости) вращает ротор с закреплёнными на нём лопатками, преобразуя энергию потока в механическую работу на валу. Турбина относится к классу тепловых или гидравлических двигателей непрерывного действия: в отличие от поршневых машин, рабочий процесс в ней идёт безостановочно, а вращение вала не требует возвратно-поступательного движения. Основные характеристики турбины — мощность, частота вращения, расход и параметры рабочего тела, коэффициент полезного действия.

¶Принцип работы

Рабочее тело под давлением подводится к сопловому аппарату, где расширяется и ускоряется, приобретая кинетическую энергию. Затем поток направляется на рабочие лопатки, закреплённые на диске ротора. При обтекании лопаток поток меняет направление и скорость, и его импульс передаёт ротору вращающий момент. Совокупность неподвижных сопловых лопаток и вращающихся рабочих лопаток образует ступень турбины; многоступенчатые конструкции позволяют последовательно использовать энергию потока и повышать КПД.

По способу преобразования энергии различают активные (импульсные) и реактивные турбины. В активной ступени расширение происходит только в соплах, а давление на рабочих лопатках остаётся постоянным. В реактивной ступени расширение идёт и в сопловом аппарате, и на рабочих лопатках, что создаёт реактивную силу, дополнительно вращающую ротор.

¶История

Простейшие прообразы турбины описывал ещё в I веке Герон Александрийский (эолипил), однако практического применения устройство не получило. Первый работоспособный паровой турбинный двигатель построил в 1883–1889 годах шведский инженер Густаф де Лаваль; он же применил расширяющееся сопло и гибкий вал для борьбы с высокими оборотами. В 1884–1894 годах англичанин Чарлз Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, пригодную для привода электрогенераторов и судов. В начале XX века турбины вытеснили поршневые паровые машины в энергетике и на крупных судах.

В России развитие турбостроения связано с Ленинградским металлическим заводом, где в 1907 году была изготовлена одна из первых отечественных паровых турбин. В советский период были созданы мощные паротурбинные агрегаты для тепловых и атомных электростанций, а также газотурбинные установки для авиации и газоперекачки.

¶Классификация

Турбины различают по нескольким признакам.

Паровая турбина работает на перегретом паре, получаемом в котле или парогенераторе. Газовая турбина использует продукты сгорания топлива и часто объединяется с компрессором в единый агрегат — газотурбинный двигатель. Гидравлическая турбина (гидротурбина) преобразует энергию падающей воды и применяется на ГЭС; её разновидности — радиально-осевая, поворотно-лопастная и ковшовая.

¶Устройство

Основные элементы турбины — ротор с рабочими лопатками, статор (корпус) с сопловым аппаратом, подшипники, система охлаждения и уплотнения. В энергетических паровых турбинах применяют регулирующие и стопорные клапаны, системы смазки и автоматического регулирования частоты вращения. В газовых турбинах критичны охлаждение лопаток и жаропрочные сплавы, поскольку температура газа достигает 1000–1500 °C и выше. Для снижения потерь на концах лопаток используют бандажирование и лабиринтные уплотнения.

¶Применение

• Энергетика. Паровые турбины — основной привод генераторов на ТЭС, ГРЭС и АЭС; единичная мощность крупных агрегатов достигает 1200 МВт и более.
• Авиация. Газотурбинные двигатели (турбореактивные, турбовинтовые, турбовентиляторные) — главный тип силовых установок современных самолётов.
• Судоходство. Паровые и газовые турбины применяются на крупных судах, в том числе на атомных ледоколах.
• Промышленность. Газовые турбины приводят компрессоры магистральных газопроводов, используются в металлургии и химии.
• Гидроэнергетика. Гидротурбины — основа гидроэлектростанций, включая крупнейшие ГЭС России.

¶Значение и развитие

Турбина — один из ключевых элементов современной энергетики и транспорта: на её основе построена значительная часть мировой выработки электроэнергии. Главные направления развития — повышение КПД (в том числе за счёт парогазовых установок), увеличение единичной мощности, снижение расхода топлива и выбросов, применение новых жаропрочных и композитных материалов, цифровое управление и диагностика. В России проектированием и производством турбин занимаются энергомашиностроительные предприятия, а научные разработки ведут профильные институты и вузы.

Источники: технические справочники по турбомашинам, энциклопедии по энергетике и теплотехнике, отраслевые обзоры турбостроения.