Получение работы от струи пара

Превращение потенциальной энергии пара в кинетическую происходит в любом случае, когда имеет место его истечение. Откроем кран, установленный в верхней части парового котла: через кран будет выходить пар, т. е. будет истечение пара. Его струя будет обладать большой скоростью. Таким образом потенциальная энергия пара перешла в кинетическую.

Представим себе большой сосуд, в котором находится пар с давлением и температурой. Вокруг сосуда господствует давление, меньшее чем рг. В одной из стенок сосуда имеется отверстие. Ясно, что через это отверстие пар будет выходить наружу, т. е. будет иметь место истечение пара. При этом в отверстии установится определенная скорость с, скорость истечения пара.

Выходящая струя пара имеет вблизи отверстия вид расходящегося конуса. Затем она смешивается с окружающим воздухом, становится невидимой и исчезает. Скорость с будет только в отверстии и сразу за ним. Дальше она постепенно, а потом быстро убывает. Давление во всей струе будет равно наружному.
Чем отличается пар, находящийся в сосуде, от пара, из которого состоит струя, т. е. быстро движущего?

Если пренебречь потерями, которые появляются при истечении, то можно сказать, что запас энергии в том и другом паре одинаков. Разница будет в том, что только часть потенциальной энергии пара, находящегося в сосуде, сохранится в нем после его истечения из отверстия. Остальная же часть перейдет в эквивалентное количество кинетической энергии. Сумма же этих двух видов энергии будет равна первоначальному запасу потенциальной энергии (потерями мы пренебрегли).

Итак, потенциальная энергия пара частично перешла в энергию быстро движущейся струи. Можно легко убедиться, что такая струя обладает энергией. Надо только заставить эту струю работать в турбине, вращать ее ротор, отдать ему свою энергию. Вспомните, с какой силой бьет вода из пожарного шланга, или гидромонитора, когда струя, выходящая под большим давлением, разбивает и размывает грунт, добывает уголь, торф, режет лед и т. д.

Способ использования движущейся струи для получения работы в принципе очень прост. Мы его наблюдаем на ветряной мельнице или другом ветряном двигателе. При этом кинетическая энергия воздуха (ветра) используется для вращения жерновов при размоле зерна, насосов для подачи воды, вращения небольших генераторов. Поясним этот способ.

Представим себе, что в потоке воздуха (или пара), установлена тонкая пластинка, плоскости которой параллельны направлению движения частиц воздуха. Воздух будет ее обтекать, не оказывая почти никакого давления и не изменяя своего направления, показанного стрелками. Получится другое, если эту пластинку поставить в тот же поток, но под каким-либо углом к его направлению.

В этом случае движущийся поток воздуха или струя пара будет оказывать давление на пластинку. Если пластинка закреплена неподвижно, то она будет только испытывать это давление, как его испытывают, например, стены здания при сильном ветре. Если же пластинка закреплена так, что в каком-либо направлении может двигаться, то она придет в движение, увлекая за собой то, в чем она закреплена. Крыло ветряной мельницы и является такой пластинкой. Под давлением струи воздуха крыло движется, вращая вал, на котором оно закреплено. Так, энергия двигающегося воздуха передалась валу. Аналогичная картина наблюдается и при движении парусной яхты, где такой «пластинкой» является парус, поставленный под углом к направлению ветра: давление ветра на парус заставляет яхту двигаться.

При действии потока воздуха или струи пара на плоскую движущуюся пластинку произойдет, кроме того, следующее.?
Во-первых, изменится направление той части потока или струи, которая встретится с пластинкой.
Во-вторых, скорость этой части потока или струи уменьшится, так как часть ее энергии передастся пластинке, которая будет двигаться, преодолевая сопротивление ее движению.

В-третьих, частицы воздуха или пара встречаются с плоской пластинкой под некоторым углом. В результате получается удар движущихся частиц о пластинку, а удар означает потерю, так как при этом часть кинетической энергии струи не совершит механической работы, а перейдет бесполезно в тепло. Эта потеря будет тем больше, чем больше скорость струи и чем больше угол, под которым струя встречается с пластинкой.

В турбинах важно так использовать кинетическую энергию струи пара для вращения ротора, чтобы это было наиболее экономично, т. е. с наименьшими потерями. Потери энергии могут быть велики, так как скорости истечения пара в турбинах бывают очень большие по сравнению со скоростью ветра, попадающего на крылья мельницы. Поэтому и потери от удара будут также большими — они увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Следовательно, если крылья ветряной мельницы еще можно сделать плоскими, поставленными, конечно, под углом к потоку воздуха, то в паровой турбине это совершенно недопустимо. Кроме того, для возможно более полного использования энергии струи пара необходимо также определенное изменение ее направления, чтобы скорость пара после пластинки была минимальной. Чем она будет меньше, тем, значит, меньше энергии осталось в струе и тем больше ее перешло в полезную механическую работу движения пластинки.

Чтобы правильно произвести необходимое изменение направления струи пара отклоняемой пластинкой, и по возможности устранить удар пара о нее, вместо простых плоских пластинок в турбинах применяют так называемые лопатки.

Лопатка — это так изогнутая пластинка, что встреча с ней струи пара происходит без удара, струя обтекает профиль лопатки, получая при этом нужный поворот. Потери при таком проходе пара будут наименьшими. Такие лопатки, называемые точнее рабочими лопатками, закрепляются по окружности стального диска, насаженного на вал турбины. Нижняя часть лопатки называется хвостом и служит для ее надежного закрепления в диске, в котором для этой цели проточен соответствующий паз.

Для удовлетворения предъявляемых к лопаткам требований форму их часто приходится делать весьма сложной. Лопатки являются одной из наиболее важных частей турбины. На них «давит» струя пара, им передается его кинетическая энергия, вызывающая движение самих лопаток и ротора турбины, а через него— вращение ротора электрического генератора.
Для лучшего понимания текста предварительно введем некоторые понятия о частях турбины, подробно о которых расскажем позднее.

Отверстие, трубка или канал, через которое вытекает пар, направляемый на рабочие лопатки, называется соплом. Следовательно, именно в соплах происходит начальная стадия превращения энергии, переход потенциальной энергии пара в кинетическую. Часто сопла называют также направляющими лопатками, в отличие от упоминавшихся выше рабочих лопаток.

Группа сопел вместе с укрепленными на диске рабочими лопатками, на которые направляется пар, выходящий из этой группы, называется ступенью. В турбине может быть много таких ступеней, установленных последовательно.

Сопла и рабочие лопатки образуют так называемую проточную часть. Проточная часть — основное в турбине. От правильности ее устройства больше всего зависит экономичность турбины, т. е. коэффициент полезного действия (к. п. д.), и ее надежность в работе. В проточной части происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую. В соплах потенциальная энергия пара переходит в его кинетическую энергию. Кинетическая энергия быстро движущегося пара, в срою очередь, приводит в движение рабочие лопатки, тем самым вращая ротор турбины, в диске которого они закреплены.

Назначение турбины — получить из тепла пара механическую энергию. Этот процесс, как мы рассмотрели, происходит и завершается в проточной части. Поэтому можно сказать, что все остальные устройства турбины, все ее части служат только для того, чтобы проточная часть могла правильно работать.

Ознакомившись с основными принципами работы турбины, мы можем рассмотреть схему устройства простейшей одноступенчатой турбины.

Рабочие лопатки закреплены в диске и вращаются вместе с ним. Чтобы передавать вращение генератору, диски должны быть насажены на вал, вращающийся вместе с ними. Вал опирается на подшипники.

Подшипники надо обильно смазывать во время работы, для чего служит специальная масляная система турбины. Вал турбины муфтой соединяется с валом электрического генератора и передает ему механическую энергию, полученную на рабочих лопатках турбины Сопла должны быть расположены в специальной сопловой: коробке, к которой подводится пар. Для управления подачей пара имеются регулирующие клапаны. Система регулирования турбины часто весьма сложная. Давление, с которым пар проходит проточную часть, отличается от атмосферного и может быть весьма большим. Поэтому пар надо как-то отделить от окружающего воздуха. Для этой цели служит цилиндр, или корпус турбины. Отработавший пар выпускается из турбины через выхлопную часть. В местах выхода вала из цилиндра должны быть устроены так называемые уплотнения, которые предотвращают бесполезный выход пара из турбины в атмосферу.

Мы перечислили основные части и устройства одноступенчатой турбины. Как видно, все они необходимы только для того, чтобы могла работать проточная часть, чтобы в турбине могли совершаться указанные выше превращения энергии и передача полученной механической энергии генератору. Указанные нами основные части в той или. иной форме будут в каждой турбине. Более подробно с устройством турбины мы будем знакомиться дальше. Пока же продолжим рассмотрение проточной части. Она совсем не так проста, как могло показаться на первый взгляд по приведенному выше схематическому описанию.



Добавить комментарий

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

девятнадцать − девятнадцать =