Паровая турбина

ПАРОВАЯ ТУРБИНА, первичный паровой двигатель  с вращательным движением рабочего органа - ротора и непрерывным рабочим  процессом; служит для преобразования тепловой энергии пара водяного в  механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закреплённые по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор  во вращение. В отличие от поршневой  паровой машины, Паровая турбина  использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.

Попытки создать  Паровую турбину делались очень давно. Известно описание примитивной Паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). Однако только в кон. 19 в., когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, К. Г. П. Лавалъ (Швеция) и Ч. А. Парсоне (Великобритания) независимо друг от друга в 1884-89 создали промышленно пригодные Паровые турбины. Лаваль применил расширение

пара в конических неподвижных соплах в один приём  от начального до конечного давления и полученную струю, (со сверхзвуковой  скоростью истечения) направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск. Паровой турбины, работающие по этому принципу, получили название активных Паровых турбин. Парсонс создал многоступенчатую реактивную Паровую турбину, в к-рой расширение пара осуществлялось в большом числе

последовательно расположенных ступеней не только в  каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными (рабочими) лопатками. Паровая турбина оказалась  очень удобным двигателем для  привода ротативных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие Паровой турбины шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания

специализированных  Паровых турбин различного назначения. Невозможность получить большую  агрегатную мощность и очень высокая  частота вращения одноступенчатых  Паровых турбин. Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные Паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в к-рых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность Паровых турбин, сохранив

умеренную частоту  вращения, необходимую для непосредственного  соединения вала Паровых турбин с  вращаемым ею механизмом.

Реактивная  Паровая турбина Парсонса нек-рое время применялась (в основном на воен. кораблях), но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным Паровым турбинам, у к-рых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

Классификация паровых турбин. В зависимости от характера теплового процесса Паровые турбины обычно подразделяют на 3 осн. группы: чисто конденсационные, теплофикационные и специального назначения. Чисто конденсационные Паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механич. работу. Эти Паровые турбины работают с выпуском отработавшего пара в конденсатор, где поддерживается вакуум. Чисто конденсационные Паровые турбины могут быть стационарными или транспортными.

Стационарные  Паровые турбины  в соединении с генераторами переменного электрического тока (турбогенераторы)- осн. оборудование конденсационных электростанций. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже

стоимость 1 кет  установленной мощности. Поэтому  мощность Паровых турбин растёт из года в год.

Транспортные  Паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить Паровые турбины на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных Паровых турбин с гребными винтами, требующими невысокой  частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных Паровых турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые Паровые турбины работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна.

Теплофикационные  Паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. К ним относятся Паровые турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У Паровых турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических  целей (варка, сушка, отопление). Электрич. мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой Паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопит. системы в греющем паре и меняется вместе с ней.

Паровые турбины специального назначения обычно работают на отбросном тепле металлургич., маш.-строит. и хим. предприятий. К ним относятся Паровые турбины мятого пара, двух давлений и предвключённые.

Паровые турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление

немного выше атмосферного. Паровые турбины  двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. 

Предвключённые Паровые турбины представляют

собой турбины  с высоким начальным давлением  и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих Паровых турбин направляют в другие Паровые турбины  с более низким начальным давлением  пара. Необходимость в предвключённых Паровых турбин возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых

котлов более  высокого давления, на к-рое не рассчитаны ранее установленные на электростанции Паровых турбин.

Паровые турбины  спец. назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные Паровые турбины, а в большинстве случаев изготовляют по отд. заказам.

Одноступенчатые активные турбины применяют только для привода быстроходных

вспомогат. механизмов, экономичность к-рых не имеет решающего значения. Хорошая экономичность Паровых турбин, работающей с умеренными окружными скоростями при большом теплопадении, достигается применением ступеней давления.

«Все мои помыслы,–  писал Уатт одному из своих друзей,–  направлены на паровую машину, я  не могу ни о чём другом думать». Признание великого мастера лаконично, но точно определяет главное содержание его жизни, интересов, дел. Уже в  раннем детстве, по воспоминаниям тётки, маленький Джемс мог часами заворожённо наблюдать за кипящим чайником, прыгающей крышкой, водяными брызгами и струйками пара. О чём думал мальчуган? Может быть, в эти часы уединений и раздумий закладывались основы личности будущего учёного и инженера? Не будем гадать. Отметим лишь очевидное и главное.

Всю свою долгую и переполненную событиями жизнь  Уатт посвятил изучению воды и пара, использованию их удивительных свойств при конструировании и создании тепловых двигателей. Увлечённость и преданность делу «волшебник из Гринока», так называли Уатта современники, сохранил до глубокой старости. Достойно преодолев все трудности жизненного пути, стяжав почёт и славу, пережив родных и друзей, убелённый сединами старец стал свидетелем триумфального шествия по городам и странам континента своего легендарного детища – паровой машины.

«Уатт оказался нужным человеком, на нужном месте, в  нужное время», – написал однажды  известный российский исследователь  его творчества И.Я. Конфедератов. Случайны или закономерны успех и слава изобретателя? Что это: улыбка фортуны, счастливое стечение обстоятельств или проявление удивительного сплава таланта и трудолюбия? Почему из многочисленных конструкторов и изобретателей теплового двигателя – предшественников и современников Уатта именно он вошёл в историю как создатель паровой машины? Для ответа необходимо обратиться к XVIII веку, той переломной эпохе, которая вошла в историю как «промышленная революция».

Зарождение и  развитие паровых машин связано  с кризисом средневековой гидроэнергетики (энергетики водяного колеса), достигшей  критической черты на рубеже XVII–XVIII вв. В наибольшей степени этот кризис проявился в горнорудном деле.

С развитием  производства и ростом потребностей в орудиях труда увеличивались  добыча железной руды и выплавка железа. В качестве привода водооткачивающих насосов, дробильных установок, мехов  домниц и мо-лотов кузниц на смену биологическим источникам энергии пришло водяное колесо. Выросли производственные возможности агрегатов и их единичные мощности.

Но характер горнорудного производства делал необходимым  наличие в одном месте гидроэнергии и руды. По мере истощения запасов  руд, залегающих у поверхности земли, человек всё глубже проникал в  её недра. При этом резко возрастал  расход энергии на откачивание воды из рудников.

Так энергетика водяного колеса начинала вступать в  конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями. Складывалась объективная потребность  в новом энергоносителе. Возможность её удовлетворения определялась имевшимися в конце XVIII в. знаниями о свойствах и законах природы. Главными из них были атмосферное давление, расширение газов при нагревании, свойства водяного пара и конденсата.

Из гидроэнергетической  практики был вынесен значительный технический опыт. Разработка элементов  привода, передаточных систем, оптимальных  конфигураций лопаток водяных колёс  закладывала основы конструктивно-технологического знания. Следовательно, наряду с потребностью в новом виде энергии, что вытекало из локальности гидроэнергетики, и  возможностью реализации этой потребности, базировавшейся на естественно-научных открытиях XVII в., имелся значительный опыт конструирования различных механизмов. Слияние воедино всех трёх факторов и положило начало развитию теплоэнергетики.

Начальный этап развития паровых двигателей связан с именами таких учёных и изобретателей, как Ворчестер, Лейбниц, Севери, Папен, Дезголье, Леупольд, Ньюкомен, Ползунов, Кюньо, Вастру. Этой плеядой предшественников и современников Уатта были решены многие важные конструкторские проблемы, что позволило создать ряд достаточно работоспособных паровых двигателей. Однако установки первого поколения, преодолевшие локальность энергетики водяного колеса, не отвечали новым условиям, складывывшимся в процессе развития машинно-фабричного производства.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, в текстильном производстве. Обострившееся до предела несоответствие между возраставшей потребностью в  тканях и возможностью её удовлетворения методами ручного мануфактурного производства обратило конструкторские умы к  разработке прядильных и ткацких  машин. Навсегда в историю английской цивилизации вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Славные сыны туманного Альбиона открыли новую страницу в развитии производительных сил. Но с созданием прядильных и ткацких станков возникла необходимость в качественно новом, универсальном двигателе, который бы отдавал этим станкам работу в форме однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения. Вот здесь-то во всём своём блеске и многогранности и заявил о себе талант Джемса Уатта, навсегда представшего перед благодарными потомками изобретателем универсального двигателя.

Заслуги Уатта  в построении паровой машины велики и разнообразны. Отметим лишь основные узлы его конструктивно-технологических  решений. Это отделение конденсатора от цилиндра двигателя, более раннее прекращение впуска пара в цилиндр  и расширение пара на значительной части хода поршня, введение попеременной подачи пара с помощью золотника  в различные полости цилиндра, применение махового колеса, центробежного  регулятора скорости и так называемого  «параллелограмма Уатта» для передачи движения от поршня к балансиру.

Эти и другие нововведения решили проблему как собственно универсальности двигателя, так  и резкого повышения его экономичности. Уатт увеличил КПД установки в 2,7 раза. Радость промышленников была безмерной. «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме все без ума от машин с вращательным движением»,– писал Уатту его  компаньон – предприниматель  Мэтью Болтон. Ещё бы. Ведь эффективность установок возросла в 270 раз! Такого в истории не было ни до, ни после этого.

Для развития поточного  производства машин изобретателем  были разработаны специальные системы  формул. Не имея ещё математической символики, они представляли собой  лишь словесное описание. Рецептурная  система норм и правил позволяла  определять оптимальные величины мощности, расхода угля и воды, диаметра цилиндра, хода и скорости поршня, числа оборотов, размеры махового колеса и насоса. Вот лишь два примера. Для определения  необходимого расхода воды в котле  предписывалось «…умножить квадрат  диаметра цилиндра на путь, проходимый поршнем в минуту в футах, и  разделить полученное произведение на 288000; частное даёт количество воды, испаряемое в минуту, в кубических футах». А необходимое количество угля определялось по следующему правилу: «Расход угля на 1800 ходов машины равен произведению объёма цилиндра в кубических футах на давление на поршень в футах на квадратный дюйм».