Два способа использования перепада давления

Первый способ заключается в том, что вместо простого отверстия или сопла с параллельными стенками, т. е. постоянного сечения, применяется так называемое расширяющиеся сопло. В этом случае, хотя в узком сечении сопла, называемом горлом, и установится критическое давление рк, но дальше расширение пара будет продолжиться. Если угол расширения выбран правильно и длина сипла соответствует необходимой, то расширение пара может быть доведено до конечного давления р2, как бы мало оно ни было.

Путем применения расширяющегося сопла можно получать те большие скорости пара, о которых мы ранее говорили, при этом турбина будет состоять всего из одной ступени. На схеме такой турбины дана также диаграмма, показывающая изменение давления и скорости пара по мере его прохождения через проточную часть. Видно, что начальное давление пара р1 падает в соплах до р2. Скорость при этом возрастает до с1 и частично используется в рабочих лопатках; пар покидает их со скоростью с2.

Выполнить турбину всего с одной ступенью возможно лишь в том случае, если скорость пара все же не очень велика, не превышает 700—800 м/сек при этом окружная скорость лопаток и, выбранная по необходимому соотношению u/c_1 , будет не больше 350—400 м/сек. В противном случае получится неблагоприятное отношение u/c_1 , значительно меньшее 0,47—0,48, и работа такой турбины будет не экономична.

Обращаясь к истории развития паровых турбин, мы видим, что первая практически пригодная и достаточно экономичная турбина была построена в 1890 г. шведским инженером Лавалем именно поэтому принципу. Им же. было предложено расширяющееся сопло и установлена
важность отношения u/c_1.

Густав Лаваль был хорошо подготовленным, способным и разносторонним инженером и изобретателем. Области его деятельности очень разнообразны. Известность он получил изобретением весьма совершенного сепаратора для отделения сливок от молока. Так как эти сепараторы работали при очень больших числах оборотов, то Лаваль решил применить турбину, как двигатель к своим сепараторам;

Вначале он выполнил ее в виде так называемого сегнерова колеса, т. е. по принципу Герона. Такая турбина оказалась неэкономичной и, кроме нескольких опытов применения ее в качестве двигателя сепараторов, больше нигде не смогла быть использована.

Затем Лаваль построил активную турбину мощностью в 5 лошадиных сил по другим принципам. Она содержа ла в себе все основные черты современных турбин и оказалась вполне пригодной для работы. Большие давления и высокие температуры пара во времена Лаваля не применялись. Скорость пара при выходе из расширяющегося сопла получалась всего 600—700 м/сек. Турбина состояла из одной ступени малого диаметра и делала очень большое число оборотов—15—30 тыс. об/мин. Затем это число оборотов снижалось зубчатой передачей до необходимых Неизбежность зубчатой передачи — крупнейший недостаток турбин Лаваля, не позволявший строить их сколько-нибудь большой мощности.

Необходимость очень больших скоростей движения лопаток сильно ограничивает использование описанного принципа работы, а большие скорости пара влекут за собой увеличенные потери. Поэтому чаще применяется в первом способе несколько иное решение вопроса.

Это решение состоит в том, что отношение u/c_1 принимают гораздо меньшим, чем указывалось выше, всего 0,25—0,28. Так как такое соотношение неблагоприятно, то и экономичность ступени будет низка, а пар покинет рабочую лопатку с еще очень большой скоростью. Эту скорость можно еще раз использовать, изменив ее направление и вновь направив пар на рабочие лопатки следующего ряда, специально устанавливаемые для этой цели, для которых эта скорость будет начальной. Но она уже значительно (в 2,5— 3 раза) меньше скорости, полученной паром при выходе из сопла: часть кинетической энергии струи пара уже перешла в механическую работу на лопатках первого ряда. Так как скорость пара при входе на лопатки второго ряда уже сравнительно небольшая, то в этом ряду она используется при благоприятном соотношении u/c_1, т. е. экономично, и пар выходит из рабочих лопаток второго ряда с малой скоростью.

Описанное устройство, когда пар расширяется в соплах сразу до заданного давления, а образовавшаяся при этом скорость используется в двух или даже трех рядах рабочих лопаток, называется ступенями скорости.

Как видим, давление пара снижается от начального р1 до конечного р2 только в соплах. Скорость его через лопатки первого ряда происходит с очень большими скоростями, а большим скоростям сопутствуют большие потери. Потери переходят в тепло. В результате, хотя скорость пара при выходе из ступени (с2) мала, т. е. кинетической энергии теряется мало, но зато теплосодержание уходящего пара, его потенциальная энергия велики.

Крупным преимуществом ступеней скорости следует считать значительное упрощение конструкции турбины и сокращение ее размеров. Ступени скорости применяются очень широко как в качестве первых ступеней основных турбин, так и во вспомогательных, которые обычно целиком состоят из одной ступени с двумя или реже тремя ступенями скорости.

Недостаточная экономичность ступеней скорости заставляет прибегать ко второму способу экономичного использования большого перепада давлений в турбине, а именно, к ступеням давления. Сущность этого способа состоит в том, что пар не расширяется в соплах сразу до давления за турбиной, как это было в предыдущем случае, а лишь до некоторого промежуточного. Это промежуточное давление р’ выбирается таким, чтобы скорость истечения пара при его расширении от давления р1 «(т. е. перед турбиной) до р не была больше u/0.47.

Другими словами, до сих пор мы подбирали по отношению u/c_1=0.47
окружную скорость лопатки для заданной скорости истечения, а сейчас по тому же соотношению подбираем скорость истечения пара для выбранной окружной скорости лопаток. Наивыгоднейшее отношение u/c_1 сохраняется в обоих случаях, но преимущество второго в том, что скорости пара могут быть допущены меньшие.

После первой ступени давления ставится вторая, для которой начальным давлением будет р’, а давлением за ступенью р» и т. д. Всего таких ступеней приходится ставить последовательно столько, чтобы давление пара за последней из них было равно выбранному давлению за турбиной. Изменение давления и скорости пара в ступенях давления будет несколько иным, чем в ступенях скорости. Такая турбина называется многоступенчатой. Схема ее и распределение в ней давлений показаны на фиг 3.

Фиг 3. Многоступенчатая-турбина-со-ступенями-давления

Фиг 3. Многоступенчатая-турбина-со-ступенями-давления

Изобрел и ввел в практику турбиностроения ступени давления Огюст Рато. Горный инженер по образованию, прекрасный математик, профессор, член французской Академии наук, а вместе с тем талантливый механик-практик,  он ставил глубокий след в технике. Основная его заслуга—создание турбин со ступенями давления. Первая такая турбина была им построена в Париже в 1900 году. Несколько отличное выполнение ступеней давления, позволяющее в каждой из них использовать перепад давления выше критического и тем сократить общее количество ступеней (а значит и упростить турбину), было предложено швейцарским инженером Генрихом Целли. Свою первую турбину он построил в 1903 году. Его турбины оказались достаточно экономичными и получили широкое распространение.

В настоящее время почти все турбины делают многоступенчатыми со ступенями давления. В этом случае достигается значительно большая экономичность, чем в турбинах со ступенями скорости. Только самые малые, вспомогательные турбинки, или такие, для которых почему- либо особенно важна простота устройства, а не высокая экономичность, делаются со ступенями скорости. Очень часто встречается и комбинация: в качестве первой ступени применяется диск с двумя ступенями скорости, после которого дальнейшее расширение пара происходит в ступенях давления. Это ценой незначительного снижения экономичности турбины дает ряд других существенных преимуществ. Основное из них — упрощение конструкции за счет заметного сокращения общего количества ступеней в турбине.

Таким образом, из условий экономичной работы пара проточная часть современной турбины сильно усложнена по сравнению с простейшим случаем, когда имеется один диск, с одним рядом лопаток, на которые дует выходящий из сопла пар. В многоступенчатых турбинах появляются некоторые дополнительные устройства, которых не было в простейшей одноступенчатой турбине, — диафрагмы и промежуточные уплотнения.

Диафрагма—это перегородка, отделяющая один диск от другого. В них расположены направляющие лопатки, служащие соплами для рабочих лопаток следующего по ходу пара диска. Из рассмотрения фиг. 3 видно, что пар из одной ступени в другую может перетекать не только через направляющие лопатки диафрагм, но и по кольцевому пространству а между диафрагмой и ступицами дисков. Напомним, что диафрагмы неподвижны, а диски быстро вращаются. Чтобы не произошло опасного задевания между ними, размер а не может быть очень мал. Но тогда через это кольцо будет бесполезно протекать много пара, минуя сопла. Поэтому в местах прохода вала через диафрагмы применяются специальные уплотнения, сводящие бесполезную утечку пара через них к допустимо малой величине.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

5 + десять =