Двухвенечная турбинная ступень

Идея применения двухвенечной турбинной ступени (рис. 45) состоит в том, что на одном диске активной турбины располагают два ряда рабочих лопаток. Между рядами рабочих лопаток устанавливается неподвижный ряд направляющих лопаток, в котором происходит поворот потока пара и направление его под оптимальным углом на следующий за ним ряд рабочих лопаток. Таким образом потенциальная энергия пара полностью преобразуется в кинетическую в сопловом аппарате, а затем, последовательно проходя два ряда рабочих лопаток, преобразуется в механическую работу.

В двухвенечной ступени пар с начальными параметрами и скоростью поступает в каналы соплового аппарата –, где происходит его расширение. При расширении пара его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом абсолютная скорость потока пара на выходе из соплового аппарата увеличивается до значения, а давление снижается до величины. После выхода из соплового аппарата поток пара направляется на рабочие лопатки первого ряда –. При обтекании паром рабочих лопаток и повороте его в межлопаточных каналах на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Расширения пара на рабочих лопатках не происходит, его давление остается постоянным, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины. В направляющих лопатках –, следующих за первым рядом рабочих лопаток, происходит поворот потока пара (без расширения) и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки второго ряда –. При этом из-за потерь энергии происходит некоторое снижение абсолютной скорости пара на выходе из неподвижного ряда лопаток до величины. В межлопаточных каналах рабочих лопаток второго ряда –  расширения пара и изменения его давления не происходит, кинетическая энергия пара окончательно преобразуется в механическую работу, а абсолютная скорость потока пара снижается до величины.

Так как процесс расширения пара в двухвенечной ступени происходит только в сопловом аппарате, то весь располагаемый теплоперепад срабатывается в соплах:. На диаграмме  теоретический процесс расширения пара в соплах показан линией. Из-за наличия потерь энергии действительный процесс расширения пара протекает по линии. Дальнейшее преобразование энергии пара на рабочих и направляющих лопатках происходит изобарно. Точки на диаграмме соответствуют:

Рассмотренные двухвенечные турбинные ступени называют ступенями скорости из-за того, что при течении потока пара в каналах лопаток не происходит изменения его давления, а изменяется только скорость потока. Ступени скорости способны срабатывать значительные теплоперепады с относительно высоким КПД. По этой причине двухвенечные турбинные ступени часто применяют в турбоприводах вспомогательных механизмов, в качестве турбин заднего хода и первой регулировочной ступени главных турбин.

В более редких случаях нашли применение трехвенечные ступени скорости, состоящие из соплового аппарата, трех рядов рабочих лопаток, расположенных на одном диске, и двух неподвижных рядов направляющих лопаток, расположенных между рабочими. Принцип действия их аналогичен рассмотренной выше двухвенечной ступени скорости: пар полностью расширяется в сопловом аппарате и затем последовательно проходит через ряды рабочих и направляющих лопаток. Трехвенечные ступени скорости способны срабатывать еще бóльшие значения теплоперепадов и (при определенных условиях) с еще бóльшим значением КПД, чем двухвенечные.

Преимуществом турбин со ступенями скорости являются простота устройства и небольшие размеры. Существенным недостатком – относительно низкий КПД.

Многоступенчатые турбины

Впервые идея использования многоступенчатой паровой турбины была предложена английским инженером Парсонсом в 1884 году. Парсонс предложил всю располагаемую энергию пара разделить на несколько частей и срабатывать каждую часть в отдельных турбинных ступенях, расположенных последовательно одна за другой на одном общем валу.

Многоступенчатые турбины конструктивно могут исполняться активными (рис. 46. а), реактивными (рис. 46. б) и сочетающими в себе как активные, так и реактивные ступени – турбины смешанного типа (рис. 47).

С точки зрения надежности и экономичности бесцельно искать преимущества и недостатки одного типа турбин перед другим. Активная ступень, при прочих равных условиях, способна сработать вдвое больший теплоперепад, чем реактивная. Поэтому при одинаковых начальных и конечных параметрах пара активная многоступенчатая турбина будет иметь вдвое меньшее число ступеней, чем реактивная, что значительно сокращает длину ротора и массогабаритные показатели турбины. Но при этом длина активной ступени несколько больше, чем реактивной. Роторы активных турбин в силу своей конструкции имеют меньшую массу, поэтому маневренные качества активных турбин выше, чем реактивных. Но барабанные роторы реактивных турбин более просты и технологичны в изготовлении, хотя имеют худшие массогабаритные показатели, допускают более медленный прогрев при пуске и менее надежны при резкой смене режимов работы. В активных турбинах подвод пара производится через сопловый аппарат, разделенный на несколько групп. Как правило, каждая группа сопл имеет индивидуальный подвод пара, что облегчает регулирование мощности и числа оборотов турбины. Чисто реактивные турбины выполняются только с полным подводом пара по всей окружности, что существенно затрудняет процесс регулирования мощности. По этой причине в реактивных многоступенчатых турбинах в качестве первой ступени часто применяют одно- или двухвенечную активную регулировочную ступень с сопловым подводом пара. Применение двухвенечной  регулировочной  ступени  позволяет  сработать  значительный

 теплоперепад уже в первой ступени турбины, и тем самым уменьшить общее число ступеней турбины и снизить параметры пара перед последующими ступенями.

В реактивных турбинах значения давления пара перед рабочими лопатками и за ними неодинаковы, вследствие чего возникает значительная осевая сила, воздействующая на ротор реактивной турбины и направленная со стороны впуска пара в сторону выхлопного патрубка. Для уменьшения осевых усилий, воздействующих на ротор реактивной турбины и ее упорный подшипник, применяются разгрузочные устройства – думмисы.

Конструктивные особенности и характер изменения давлений и скоростей пара в многоступенчатых турбинах показаны на рис. 46.