Промышленное использование паровых турбин.

Лабораторная работа №5

«Изучение создания, принципа действия и схемы устройства паровой турбины»

Создание паровой турбины.

К концу XIX века трансатлантическую линию Европа – США обслуживали пароходы длиной от 350 до 450 фт. (~100-140 м) с паровыми машинами мощностью 3000-4000 л.с. Линейные пароходы пересекали Атлантику за 10 - 11 дней и расходовали от 70 до 100 тонн угля в день.

Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более эффективных методов топливоиспользования.

Верхом совершенства в изготовлении судовых паровых машин стали двигатели с тройным расширением пара линейных судов серии "Oceanic", которые строились на Ирландских верфях с 1870 г.

Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с изобретением турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.

Термин турбина происходит от французского слова - turbine, пришедшего из латинского turbo — вихрь, вращение с большой скоростью.

В конце XIX в. инженеры начали работать над созданием парового двигателя, в котором пар должен был действовать не толчками, как в паровой машине, а равномерно в течение всего времени работы двигателя. Кроме того, необходимо было избавиться от сложного передаточного механизма, обязательного для каждой паровой машины.

Такой двигатель был создан. Основой его послужил принцип работы водяного колеса, известного с древних времен. Это колесо вращается без всяких передач под воздействием непрерывно протекающей воды.

Геронов шар

 

На рубеже нашей эры греческий ученый Герон Александрийский составил описание эолопила (греч. Ветряной шар), который использовался для религиозных процедур в храме еще за 120 лет до н.э. «Геронов шар» можно отнести к далеким предкам реактивной турбины.

 

 

Двигатель Бранка

К предкам активной турбины можно отнести двигатель, описание которого приведено в 1829 г. итальянским ученым Джованни Бранка в сочинении «Машина». Конструкция двигателя аналогична конструкции водяной мельницы, но работал двигатель под действием струи пара.

Первые работоспособные турбины активного и реактивного типов были созданы практически одновременно.

Турбина представляла собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа. Действие турбины основано на непрерывном преобразовании тепловой (потенциальной) энергии движущейся струи пара в механическую энергию вращения вала. Особенности турбинного двигателя- двойное преобразование энергии потенциальной энергии в кинетическую, а затем кинетической - в механическую), непрерывность рабочего процесса, получение вращательного движения без кривошипно-шатунного механизма.

Промышленное использование паровых турбин.

Для создания промышленной паровой турбины было необходимо завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара.

Создание термодинамики, т.е. теоретической базы для расчета тепловых машин, поставило перед практикой задачу разработки энергетической установки на базе паровой турбины с вакуумным конденсатором. Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер адмирал Бенжамин Франклин Изервуд в 1857 г.

Новый двигатель позволил обеспечить скорость 17,Ж75 узла (33 км/ч), но ПТУ на базе одноступенчатой турбины оказались слишком сложными в изготовлении, не более эффективными, чем паровые машины (КПД 6-8%).

Массовое применение паротурбинных установок на флоте связано с созданием многоступенчатых паровых турбин, позволивших поднять КПД паровых машин с 4-5% до 15-18%, что было незамедлительно использовано в промышленной и морской энергетике. Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом К. Лавалем и англичанином Ч. Парсоном.

В 1878 г. шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль (Carl Gustav Patric de Laval, 1845 -1913) изобрел центробежный сепаратор, принцип работы которого был позже применен для изготовления стеклянных бутылок.

В 1882 г. Лаваль создал первую импульсную паровую турбину, в 1883 г. построил и использовал морскую реверсивную турбину, запатентованную в 1883 г., частота вращения которой достигала 42 000 оборотов в минуту.

Первая морская турбина Парсонса, 1894

В 1896 г. Лаваль разработал паровую турбину для электростанции, работа которой требовала создания давления в 3400 фунтов на кв. дюйм (239 бар/кг.кв.см), что было не достижимо для технологий конца XIX века.

Главная заслуга Лаваля в разработке паровых турбин заключалась в том, что конструкция его сопла позволила примерно в 5 раз увеличить возможность использования потенциальной энергии струи пара, повысив скорость его истечения c 800 ft/с (244 м/c) до 4000 ft/c (1220 м/c), но несмотря на это, одноступенчатые паровые турбины не позволяли дать однозначного заключения об их преимуществе перед паровыми машинами.

Промышленное использование паровых турбин стало возможным лишь после того, как сэр Чалз А. Парсонс (Sir Charles Algernon Parsons, 1854-1931) создал в 1884 первую многоступенчатую паровую турбину мощностью 10 л.с. (18 000 об/мин). Турбины Парсонса использовались для привода электрогенераторов, мощность которых на первом этапе развития электроэнергетики составляла от 1 до 75 кВт.

Многоступенчатый паротурбогенератор

Основное значение паровых турбин в истории техники заключается в том, что они обеспечили экономическую рентабельность использования паровой энергии не только для промышленности, но и для бытового обслуживания населения.

Современные турбины представляют многоступенчатые агрегаты, собираемые в блоки, включающие последовательность из нескольких турбин высокого, среднего и низкого давления. Такая компоновка позволяет достигнуть высокой эффективности использования тепловой энергии пара (свыше 40%), что сопоставимо с эффективностью современных мощных малооборотных дизелей.

Эти показатели в сочетании с относительной дешевизной топлива для ТЭЦ и АЭС делают паровую турбину основным элементом современных электростанций. Мощность современных паровых турбин достигает 1000 мегаватт.

Первый турбоход

Первый турбоход «Турбиния» водоизмещением44,5 т. был заложен в августе 1894 г.В 896 г. он был спущен на воду и начались ходовые испытания.

На первых испытаниях турбоход показал скорость всего 20 узлов при мощности турбины 2000 л.с.

После перехода на трехвинтовую схему пропульсивного комплекса, доводки обводов судна, решения проблем с кавитацией винтов и заменой одного турбоагрегата на три многоступенчатые турбины "Турбиния" была сдана заказчику, показав на испытаниях 1897 года максимальную скорость в 34.5 узла (61 км/час) при мощности ЭУ - 2300 л.с.

Экспериментируя Парсонс создал аксиальную реактивную турбину с приемлимой частотой вращения ротора, но при значительном увеличении ее длины. Чтобы разместить турбину на судне Парсонс разделил ее корпус на три части: ТВД, ТСД, ТНД, последовательно соединенные на пару. Каждая из трех частей вращала свой валопровод с гребным винтом.

«Турбиния», водоизмещением 44,т., общей мощностью 24000 л.с. при П=2000-2100 об/мин обеспечил глубокое расширение пара: с 14,8 атм. На входе в ТВД. Скорость хода около 32 узлов.

(Дебют в 1897 г. на Спитхедском рейде во время морского парада).