Проточные части паровых турбин

 

Рабочий процесс двойного преобразования энергии пара (потенциальной энергии в кинетическую, и далее – в механическую работу) происходит в проточной части паровой турбины. В состав проточной части входят сопловые (направляющие) и рабочие лопатки. Направляющие лопатки закреплены неподвижно в корпусе (статоре) турбины. В них происходит разгон потока пара и направление его на рабочие лопатки турбины под оптимальным углом. Рабочие лопатки турбины закреплены на роторе. В каналах, образованных рабочими лопатками, происходит преобразование кинетической энергии струи пара в механическую энергию вращения ротора.

Проточные части и детали паровых турбин работают в следующих условиях:

Рис. 52. Корабельная паровая турбина (турбина высокого давления ТВ-12)   1 – ротор турбины; 2 – фланец отбора мощности; 3 – кормовой опорный подшипник; 4 – кормовое уплотнение; 5 – выхлопной патрубок; 6 – ступени полного хода; 7 – ступени малого хода;  8 – внутренний обвод пара; 9 – привод байпасного клапана; 10 – приводы сопловых клапанов; 11 – сопловый клапан; 12 – двухвенечная регулировочная ступень; 13 – носовое уплотнение; 14 – сервопривод управления сопловыми и байпасными клапанами; 15 – носовой опорный подшипник; 16 – упорный подшипник; 17 – носовая опора; 18 – корпус турбины;   19 – обоймы диафрагм; 20 – кормовая опора; 21 – трубопроводы продувания корпуса турбины.

 

Рис. 53. Активная паровая турбина (турбина низкого давления ТВ-12) со сходящимися потоками пара (а) и реактивная однокорпусная турбина атомного ледокола с расходящимися потоками пара и центростремительной регулировочной ступенью (б).   1 – фланец отбора мощности; 2 – опорный подшипник; 3 – концевые уплотнения; 4 – корпус; 5 – ротор; 6 – двухпроточная ТЗХ; 7 – центростремительная регулировочная ступень; 8 – ступени переднего хода; 9 – упорный подшипник;

 

- большие частоты вращения ротора (от 3000 до 7000 об/мин у главных турбин, до 12000 об/мин у турбин вспомогательных механизмов);

- большие массы вращающихся частей и значительные напряжения, возникающие в металле ротора;

- значительные давления и температуры, переменные по длине проточной части;

- высокие скорости потока пара (зачастую больше сверхзвуковых);

- воздействие на лопатки турбин капель влаги (особенно в последних ступенях) и механических частиц, вызывающих эрозионные разрушения деталей проточной части;

- воздействие на лопатки сил, переменных по величине и направлению.

 

Исходя их условий работы, к проточным частям турбин предъявляются следующие требования:

- высокая точность изготовления и высокое качество обработки деталей;

- высокая точность установки направляющих и рабочих лопаток;

- жесткость крепления рабочих лопаток на роторе;

- отстройка деталей проточной части от резонансных колебаний;

- применение материалов, обеспечивающих механическую прочность, пластичность, коррозионную и эрозионную стойкость деталей проточной части.

 

В состав проточной части паровой турбины входят следующие элементы:

 

Сопловый аппарат (рис. 54, 55) – предназначен для подвода пара к рабочим лопаткам первой активной ступени турбины. Часто сопловым аппаратом называют также каналы, образованные направляющими лопатками последующих активных ступеней, закрепленными в диафрагмах.

Для дозвуковых и околозвуковых скоростей потока пара в ступенях главных турбин переднего хода как правило применяют сопла с уменьшением проходного сечения по ходу движения пара; для сверхзвуковых скоростей потока пара (обычно в турбинах заднего хода и турбинах вспомогательных механизмов), сопла имеют сужающуюся часть, горло и расширяющуюся часть (сопла Лаваля). В сужающейся части сверхзвукового сопла происходит разгон потока пара до звуковой скорости, в расширяющейся – свыше звуковой. В некоторых случаях разгон потока пара до сверхзвуковой скорости может быть обеспечен в сужающихся соплах за счет расширительной способности «косого среза» в выходном сечении соплового аппарата (рис. 54. а).

 

Конструктивно сопловые аппараты могут выполняться: литыми,с соплами круглого сечения; такие сопла обычно применяются в турбинах заднего хода и турбоприводах вспомогательных механизмов небольшой мощности (рис. 54. б); сборными – состоящими из цельнофрезерованых

Рис. 54. Сопловые аппараты паровых турбин.        а – сопловая коробка (сегмент) регулировочной ступени турбины переднего хода;        б – сопловый аппарат со сверхзвуковыми соплами круглого сечения турбины              заднего хода.

1 – штоки привода сопловых клапанов; 2 – сопловые клапаны; 3 – траверса; 4 – сопловые сегменты.

Рис. 55. Сопловая коробка турбогенератора.

сопловых лопаток, закрепленных в сопловых сегментах (рис. 54. а); и сварными.

 

Сопловые сегменты первой ступени турбины устанавливаются в сопловых парораспределительных коробках. Обычно в конструкциях паровых турбин применяется от одного до шести сопловых сегментов с подводом пара к ним через сопловые клапаны. Привод сопловых клапанов может быть как индивидуальным – для каждого соплового клапана, так и общим для всех сопловых клапанов. В сопловых аппаратах турбин заднего хода и вспомогательных механизмов, имеющих более простую систему регулирования мощности, обычно применяют один сопловый сегмент, выполненный по всей окружности турбинной ступени или на ее части.

 

Сопла промежуточных ступеней активных турбин размещаются в диафрагмах (рис. 56), основным назначением которых является отделение одной ступени турбины от другой. Диафрагма представляет собой диск с центральным отверстием для вала турбины, на котором закреплены сопловые (направляющие) лопатки. Обычно диск состоит из двух половин и имеет горизонтальный разъем для удобства монтажа его в корпусе турбины.

Рис. 56. Диафрагма активной турбины.              1 – полотно диафрагмы; 2 – обод; 3 – направляющие (сопловые) лопатки;

 

Диафрагмы устанавливаются непосредственно в корпусе турбины в специальных проточках, или собираются в обоймы, которые в свою очередь крепятся к корпусу (рис. 52). Сборка нескольких диафрагм в одну обойму позволяет упростить конфигурацию корпуса, улучшает маневренные характеристики турбины за счет более быстрого прогрева корпуса, но несколько увеличивает диаметр и радиальные размеры турбины.