какая конструкция рабочих колес реактивных турбин изображена на рисунке
Турбореактивный двигатель. Элементы конструкции.
Здравствуйте, друзья!
В этой статье вернемся к моим любимым двигателям. Я уже ранее говорил о том, что турбореактивный двигатель в современной авиации – основной. И упоминать его в той или иной теме мы еще будем часто. Поэтому пришла пора окончательно определиться с его конструкцией. Конечно же не углубляясь во всевозможные дебри и тонкости :-). Итак авиационный турбореактивный двигатель. Каковы основные части его конструкции, и как они взаимодействуют между собой.
1.Компрессор 2.Камера сгорания 3.Турбина 4. Выходное устройство или реактивное сопло.
Компрессор сжимает воздух до необходимых величин, после чего воздух поступает в камеру сгорания, где подогревается до необходимой температуры за счет сгорания топлива и далее уже получившийся газ поступает на турбину, где отдает часть энергии вращая ее (а она, в свою очередь компрессор), а другая часть при дальнейшем разгоне газа в реактивном сопле превращается в импульс тяги, которая и толкает самолет вперед. Этот процесс достаточно хорошо виден в ролике в статье о двигателе, как тепловой машине.
Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.
Компрессоры бывают трех видов. Центробежные, осевые и смешанные. Центробежные обычно представляют собой колесо, на поверхности которого выполнены каналы, закручивающиеся от центра к периферии, так называемая крыльчатка.При ее вращении воздух отбрасывется по каналам центробежной силой от центра к периферии, сжимаясь сильно разгоняется и далее попадая в расширяющиеся каналы (диффузор) тормозится и вся его энергия разгона тоже превращается в давление. Это немного похоже на старый аттракцион, который раньше в парках был, когда люди становятся по краю большого горизонтального круга, опираясь спиной на специальные вертикальные спинки, этот круг вращается, наклоняясь в разные стороны и люди не падают, потому что их держит (прижимает) центробежная сила. В компрессоре принцип тот же.
Этот компрессор достаточно прост и надежен, но для создания достаточной степени сжатия нужен большой диаметр крыльчатки, что не могут себе позволить самолеты, особенно небольших размеров. Турбореактивный двигатель просто не влезет в фюзеляж. Поэтому применяется он мало. Но в свое время он был применен на двигателе ВК-1 (РД-45), который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.
Крылчатка центробежного компрессора на одном валу с турбиной.
Крыльчатки центробежного компрессора.
Двигатель ВК-1. В разрезе хорошо видна крыльчатка центробежного компрессора и далее две жаровые трубы камеры сгорания.
В основном сейчас используется осевой компрессор. В нем на одной вращающейся оси (ротор) укреплены металлические диски (их называют рабочее колесо), по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». А между венцами вращающихся рабочих лопаток размещены венцы неподвижных лопаток ( они бычно крепятся на наружном корпусе), это так называемый направляющий аппарат (статор). Все эти лопатки имеют определенный профиль и несколько закручены, работа их в определенном смысле похожа на работу все того же крыла или лопасти вертолета, но только в обратном направлении. Теперь уже не воздух действует на лопатку, а лопатка на него. То есть компрессор совершает механическую работу (над воздухом :-)). Или еще более нагляднее :-). Все знают вентиляторы, которые так приятно обдувают в жару. Вот вам пожалуйста, вентилятор и есть рабочее колесо осевого компрессора, только лопастей конечно не три, как в вентиляторе, а побольше.
Примерно так работает осевой компрессор.
Конечно очень упрощенно, но принципиально именно так. Рабочие лопатки «захватывают» наружный воздух, отбрасывают его внутрь двигателя, там лопатки направляющего аппарата определенным образом направляют его на следующий ряд рабочих лопаток и так далее. Ряд рабочих лопаток вместе с рядом следующих за ними лопаток направляющего аппарата образуют ступень. На каждой ступени происходит сжатие на определенную величину. Осевые компрессоры бывают с разным количеством ступеней. Их может быть пять, а может быть и 14. Соответственно и степень сжатия может быть разная, от 3 до 30 единиц и даже больше. Все зависит от типа и назначения двигателя (и самолета соответственно).
Осевой компрессор достаточно эффективен. Но и очень сложен как теоретически, так и конструктивно. И еще у него есть существенный недостаток: его сравнительно легко повредить. Все посторонние предметы с бетонки и птиц вокруг аэродрома он как говорится принимает на себя и не всегда это обходится без последствий.
Турбореактивный двигатель (разрез). Хорошо видны 8-ми ступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, 2-ухступенчатая турбина и выходное устройство.
Турбореактивный двигатель – очень сложная система. Летчик управляет им из кабины всего лишь одним рычагом – ручкой управления двигателем (РУД). Но на самом деле этим он лишь задает нужный ему режим. А все остальное берет на себя автоматика двигателя. Это тоже большой и сложный комплекс и еще скажу очень хитроумный. Когда еще будучи курсантом изучал автоматику, всегда удивлялся, как конструкторы и инженеры все это понапридумывали:-), а рабочие-мастера изготовили. Сложно… Но зато интересно 🙂 …
Вот и все пока. Вкратце опять не получилось :-). Но я все же надеюсь, что вам было интересно. До следующей встречи.
P.S. А вот вам напоследок атракцион, о котором я выше писал. Я на нем в детстве-то не катался, а сейчас их просто нет у нас. Так что знаю только в теории :-).
Вот такой он был, может и сейчас где-то работает.
Активные и реактивные турбины
Турбины, в которых весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление рабочего тела не меняется), называются активными или турбинами равного давления.
В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло 1 (или группу сопл), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2 (рис. 35). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих лопаток (см. рис. 34,в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называется ротором. Один ряд сопл и один диск с рабочими лопатками составляют ступень.
Рис. 35. Схема ступени турбины
На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в работу. При входе на лопатку окружная составляющая скорости потока совпадает с направлением движения лопатки, а при выходе — противоположна ей (рис. 28). Поэтому абсолютная скорость потока на выходе много меньше, чем на входе.
Движущийся поток действует на рабочие лопатки с силой Р. Проекция этой силы на ось машины Рz (осевая сила) воспринимается упорными подшипниками, предотвращающими смещение ротора вдоль оси, а проекция на направление окружной скорости Ри (окружная сила) вызывает вращение ротора.
Одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883г. (рис. 36).
Рис. 36. Схема одноступенчатой турбины Лаваля
Пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8. Ротор турбины, состоящий из диска 3, закрепленных на нем лопаток и вала 1, заключен в корпус 6. В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и заднее 7 лабиринтовые уплотнения, предотвращающие утечки пара. Так как весь располагаемый теплоперепад срабатывается в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими. При расширении, например, перегретого пара, имеющего параметры 1 МПа и 500°С, до давления 10 кПа теплоперепад округленно равен 980 кДж/кг, что соответствует скорости потока 1400м/с. При таких скоростях потока неизбежны большие потери и, самое главное, недопустимые по условиям прочности лопаток окружные скорости в них. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 37 показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла.
Рис. 37. Схема активной турбины с тремя ступенями давления:
1— сопло; 2 — входной патрубок; 3 — рабочая лопатка I ступени; 4 — сопло; 5 — рабочая лопатка II ступени; 6 — сопло; 7 — рабочая лопатка III ступени; 8 — выхлопной патрубок; 9 — диафрагмы
Первая модель двигателя, использующего реактивную силу, была построена Героном Александрийским за 120 лет до н.э. (рис. 38).
При истечении пара из сопл здесь возникают реактивные силы, вращающие систему против часовой стрелки. Ступень турбины, по модели Герона, представляла бы собой вращающийся диск с соплами, к которым необходимо организовать непрерывный подвод рабочего тела. Ввиду сложности конструирования таких ступеней, а тем более многоступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались. Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов и др.).
Практически реактивными называются турбины, у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.
Рис. 38. Схема первой модели реактивной паровой турбины
Современные мощные турбины выполняют многоступенчатыми с определенной степенью реактивности, чаще всего Ohm = 0,5. В каждой ступени такой турбины расширение рабочего тела происходит не только в сопловых каналах, но и на рабочих лопатках. Ступень срабатывает лишь часть общего перепада давления на турбине, и при большом их числе разность давлений в отдельной ступени получается небольшой, а скорости потока — умеренными. При степени реактивности Ohm = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одинаковую форму. Более того, один и тот же профиль лопаток может быть использован во всех ступенях турбины, и только длина лопаток изменяется в соответствии с увеличением объема рабочего вещества по мере понижения давления. Это удобно с точки зрения их изготовления.
На левой половине рисунка 39 показан корпус или цилиндр высокого давления (ЦВД) конденсационной трехкорпусной турбины мощностью 300 МВт на сверхкритические параметры пара с промежуточным перегревом пара до 565 °С. ЦВД представляет собой двустенную литую конструкцию. Пар сначалапоступает в сопловую коробку 4, расположенную во внутреннем корпусе 3, проходит через ступень 6 с двумя лопатками и пять ступеней давления справа налево. Выходя из внутреннего корпуса, пар поворачивается на 180°, проходит между внутренним и наружным 1 корпусами и поступает далее на шесть ступеней давления. При этом он омывает и охлаждает внутренний корпус, а также частично разгружает его стенки, испытывающие внутреннее давление. Во внутреннем корпусе диафрагмы 2 крепятся непосредственно в стенке, а в наружном — в промежуточных обоймах 5. Обоймы позволяют организовать отборы пара для регенерации.
После промежуточного перегрева в котле пар с параметрами 3,53МПа и 565 °С поступает в корпус среднего, а затем низкого давления (справа).
Рис. 39. Продольный разрез турбины К-300-240-1 ЛМЗ:
Какая конструкция рабочих колес реактивных турбин изображена на рисунке
В турбинах со ступенями скорости, как и в одноступенчатой, все используемое тепло превращается в кинетическую энергию в соплах, которая преобразуется в механическую работу на рабочих лопатках нескольких рядов. Схема активной турбины с двумя ступенями скорости показана на рис. 4.
и / с 1 = 1 / 2 z ,
где z — количество ступеней скорости.
Из приведенного отношения следует, что для наивыгоднейшего использования кинетической энергии пара окружная скорость при двух ступенях скорости должна быть в четыре раза, а при трех ступенях скорости — в шесть раз и т. д. меньше скорости истечения пара из сопла.
Ступени скорости находят широкое применение во вспомогательных турбинах, служащих приводом для масляных, питательных, топливных и других насосов, и в главных турбинах в качестве ступеней заднего хода и первой регулировочной ступени.
При использовании ступеней скорости для вспомогательных турбин и турбин заднего хода обеспечиваются их малые габариты, простота устройства и удобство обслуживания. Невысокая экономичность этих турбин в связи с малой мощностью вспомогательных турбин и использованием их отработавшего пара на подогрев питательной воды, а также непродолжительной работой турбин заднего хода существенного значения не имеет.
Применение ступеней скорости в качестве первой регулировочной позволяет использовать значительный теплоперепад и благодаря этому значительно снизить давление и температуру в корпусе турбины и уменьшить количество последующих за ней ступеней давления.
РЕАКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ
К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые пропеллерные, поворотно-лопастные (включая двухперовую) и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рис. 9.3.
Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки.
Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток поды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.
Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же — потенциальная энергия, соответствующая разности давлений до и после колеса.
 |
Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет, кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока
Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса — в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров — от 30—40 м до 500— 550 м Талой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки
Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верхний обод) и нижнего обода 3 (рис 93,а и 94) Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принимается максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1.
Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по линии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходимой прочности
С увеличением используемого напора форма рабочего колеса радиально-осевых турбин меняется, отношение выходного диаметра к входному D2/D1 уменьшается.
Высоконапорные турбины оборудуются холостыми выпусками для отвода воды от рабочего колеса и уменьшения за этот счет гидравлического удара при сбросе нагрузки Caмая мощная турбина такого типа в СССР (650 МВт) установлена на Саяно-Шушенской ГЭС.
Пропеллерные турбины (Пр). Рабочее колесо такой турбины располагается в камере ниже направляющего аппарата Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.
Рабочее колесо (рис 9 3,6 и 9 5) состоит из втулки / с обтекателем 2 и рабочих лопастей 3 и, как видно из рисунков, отличается от колес радиально-осевых турбин отсутствием нижнего обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа па форму гребного винта или пропеллера).
Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом φ=-10°;-5°; 0°; +5°; +10°; 15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (φ=0). Обычно на турбинах с диаметром рабочего колеса Di ≥ l,6 м имеется возможность перестановки лопастей при останове турбины на тот или иной угол, если такая потребность возникнет во время эксплуатации.
Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД, Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в системах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использования установленной мощности ГЭС, Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины устанавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.
Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению поворотно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см. рис. 9.3,е).
Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД при постоянном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата (см. § 9.4), так и от угла поворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким
образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ср (отсюда название поворотно лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого значения КПД в широком диапазоне изменения мощности.
Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров-от 3—5 до 35—45 м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпринимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70— 75 м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178 МВт) изготовлена в СССР и установлена па ГЭС Джердан на Дунае.
Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (dвт/D1) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 9.3,г; 9.6), что позволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не тлеют пока широкого распространения.
Диагональные турбины (Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых турбин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми турбинами.
Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 9.3,
Привет студент
Паровые турбины
Паровые турбины применяются преимущественно на крупных судах при необходимости иметь мощную энергетическую установку. Заметными преимуществами паровых турбин являются малая вибрация или полное ее отсутствие при работе турбин, малая масса, минимальные габаритные размеры и низкие эксплуатационные расходы. Более того, паровая турбина может применяться практически при любой требуемой мощности судовой установки. Но высокий удельный расход топлива по сравнению с дизельной установкой сводит на нет эти преимущества, хотя применение различных усовершенствований в турбине (промежуточный подогрев пара и т. п.) компенсирует в некоторой степени этот недостаток.
Таков основной принцип работы всех паровых турбин, хотя осуществление этого принципа может быть довольно различным. Пар от лопаток первого колеса проходит к ряду сопел и лопаток второго колеса, затем к следующему колесу и т. д. вдоль вала турбины, пока не израсходуется энергия пара. Комплект совместно работающих сопел и лопаток носит название ступени.
Существует два основных типа турбин: активные и реактивные. Эти термины объясняют, какие силы действуют на колесо, чтобы привести его во вращение.
Активные турбины
В активной турбине имеется сопловое колесо, за которым помещаются лопатки. Пар, обладающий высокой энергией и большим давлением, в сопле расширяется, его давление падает, а скорость увеличивается. Струя пара из сопла подается на активные лопатки под определенным углом, а выходит из них под другим углом (рис. 3.2). Благодаря изменению направления движения и скорости пара возникает активная сила, направление действия которой в основном совпадает с направлением движения лопаток при вращении колеса. На валу турбины возникает лишь небольшое осевое усилие.
Реактивные турбины
В корпусе реактивной турбины имеется кольцо с вмонтированными в него неподвижными лопатками, а также закрепленное на роторе колесо с движущимися лопатками примерно одинакового профиля (рис. 3.3). Движущиеся лопатки имеют такой профиль и установлены так, чтобы образовать суживающийся канал, в котором, как в сопле, скорость пара будет возрастать. Увеличение скорости пара в лопатках приводит к появлению реактивной силы, вектор которой имеет одну составляющую по направлению вращения лопаток, а другую — по направлению оси ротора. В лопатках происходит изменение направления движения пара и соответствующее изменение его скорости. В результате в реактивных лопатках тоже возникает активная сила. Более правильно было бы этот тип турбины называть активно-реактивиым,
Рис. 3.1. Преобразование энергии в паровой турбине:
1- канал для преобразования энергии давления пара в кинетическую энергию в сопле; 2 — сопловое кольцо; 3 — сила, вращающая колесо; 4 — угол изменения направления движения (скорости) пара; 5 — лопатки, закрепленные на колесе; I — вход пара; II — выход пара
Рис. 3.2. Активные лопатки:
I—направление потока пара; II — направление вращения вала; III — канал с постоянной
Рис. 3.3. Реактивные лопатки:
Расширение пара в турбине может происходить в двух и более ступенях по мере изменения давления и скорости истечения пара.
Так, в активной турбине подобное разделение осуществляется посредством применения ряда ступеней, в которых давление пара последовательно падает. В результате можно получить более или менее приемлемые скорости потока и лучший к. п. д. турбины.
В активной турбине на один ряд сопел приходится несколько рядов движущихся лопаток, сидящих на одном диске. Между рядами движущихся лопаток устанавливают направляющие лопатки, закрепленные в корпусе турбины. При таком устройстве ступеней турбина получается короткой и легкой, но с меньшим к. п. д., что вполне приемлемо, например, для турбины заднего хода.
Если в турбине сочетаются оба принципа работы, то такая турбина называется турбиной со ступенями давления и скорости.
В реактивной турбине как неподвижные, так и движущиеся лопатки устроены так, что на каждой ступени последовательно уменьшаются и скорость пара и его давление. Таким образом, разделение процесса осуществляется благодаря самой конструкции турбины.
Агрегат, состоящий из турбины высокого давления и турбины низкого давления, называют двухкорпусным ( рис. 3.4). Главные судовые турбины обычно имеют такую конструкцию. В ряде случаев могут встречаться однокорпусные установки, чаще в качестве привода в турбогенераторной установке, а иногда и в качестве главного двигателя.
Промежуточный подогрев пара. Этот подогрев пара применяется для повышения к. п. д. установки. Пар после расширения в какой-то части турбины высокого давления возвращается в паровой котел, где снова подогревается до первоначальной температуры перегретого пара. Затем пар подается на оставшиеся ступени турбины высокого давления, а затем в турбину низкого давления.
Разновидности турбин, связанные с названиями фирм или с именами изобретателей. Турбина Парсонса это реактивная турбина, в которой расширение пара происходит на неподвижных и движущихся лопатках. В каждой ступени половина перепада теплоты приходится на сопловые лопатки, а другая половина — на рабочие лопатки, поэтому каждая ступень обладает 50%-ной реактивностью.
Турбина Кертиса это активная турбина, в которой на ряд сопел приходится несколько рядов лопаток, т. е. ступеней скорости.
Турбина Лаваля это одноступенчатая активная турбина, т. е. с одним рядом сопел и одним рядом лопаток; турбина работает с очень высокой частотой вращения.
Турбина Рато это активная многоступенчатая турбина со ступенями давления.
Турбины заднего хода. Главные судовые паровые турбины должны быть реверсивными. Обычно реверсирование достигается тем, что на валах турбин высокого и низкого давления устанавливают несколько рядов лопаток заднего хода. Мощность турбины заднего хода составляет около 50% мощности турбины переднего хода. При работе турбины на передний ход лопатки турбины заднего хода действуют как воздушный компрессор, что вызывает дополнительные потери.
Рис. 3.4. Устройство двухкорпусной турбины:
— зубчатый редуктор; 2 — валоповоротное устройство; 3 — турбина низкого давления; 4 — конденсатор; 5 — турбина высокого давления
На рис. 3.5 показано устройство активной турбины. На валу ротора имеется ряд колес, на которых закреплены рабочие лопатки. По мере движения пара вдоль вала давление пара падает, а объем увеличивается, поэтому и лопатки делаются все большей длины. Турбина заднего хода смонтирована на другом конце ротора, она короче, чем турбина переднего хода. С обоих концов вал ротора установлен на подшипниках. В одном из подшипников имеется упорный диск, воспринимающий осевые усилия.
Корпус турбины полностью закрывает ротор. В корпусе турбины имеются патрубки для впуска и выпуска пара. На входе пара устанавливается сопловая коробка. При помощи сопловых клапанов можно изменять количество подаваемого в турбину пара и тем самым регулировать мощность турбины. Первый комплект сопел смонтирован в сопловом кольце, крепящемся в корпусе. В корпусе между рабочими колесами также установлены кольцевые диски — диафрагмы. Внутри центральных отверстий дисков проходит вал ротора. В диафрагме имеются сопла для расширения пара, а между диафрагмой и валом ротора — уплотнения.
Турбина заднего хода отличается тем, что в ней нет диафрагм, а между рабочими лопатками установлены неподвижные лопатки.
Ротор
Роль вала турбины по существу выполняет ротор, при помощи которого полученная от пара мощность через зубчатую передачу передается на гребной вал. Ротор может быть цельным, выточенным, заодно с дисками, или, если размеры ротора большие, он состоит из вала и насаженных на него рабочих колес.
На концах вала ротора, там где он выходит из турбины, устанавливаются кольца, составляющие часть лабиринтового уплотнительного устройства, которое будет описано ниже в этой главе. По обеим сторонам ротора установлены подшипники, в которых имеются маслосбрасывающие кольца, предохраняющие от попадания масла из подшипника в паровое пространство вдоль вала. На одном конце ротора расположено, небольшое упорное кольцо для фиксирования ротора по длине. На другом конце ротора устанавливается фланец или другое приспособление для эластичной муфты, при помощи которой вращение с ротора передается на ведущее колесо редуктора. В диски рабочих колес в канавки различного профиля вставляются рабочие лопатки.
Рабочие лопатки
О типах лопаток и их форме было сказано выше. Когда ротор турбины вращается с высокой частотой, на лопатки действует значительная центробежная сила, а изменение скорости пара в лопатках вызывает вибрацию лопаток. При работе турбины также происходит тепловое расширение и сжатие материалов, поэтому крепление лопаток в дисках должно быть надежным. Для крепления лопаток имеются различные способы (рис. 3.6). При установке лопатку хвостовиком вводят в канавку и придвигают ее к соседней лопатке.
Рис. 3.5. Активная турбина:
1 — лабиринтовое уплотнение; 2 — скользящая опора; 3 — упорный подшипник; 4 — сопловое кольцо; 5 — сопловая коробка; 6 — корпус; 7 — лопатка; 8 — колесо; 9 — турбина заднего хода; 10 — подшипник; 11 — уплотнение; 12 — диафрагма; 13 — камера уплотнения; I — вход
пара; II — выход пара
Рис. 3.6. Крепление лопаток: а — вильчатое; 6 — обратное елочное; в — при помощи Т-образного хвостовика
Когда все лопатки последовательно вставлены в свои канавки, со стороны ввода хвостовики закрывают стопорным кольцом, которое в свою очередь крепится на диске. Затем через поводки на верхних концах лопаток пропускается бандажная лента. В некоторых случаях бандажную ленту пропускают через лопатки и припаивают к ним.
Уравновешивание осевого усилия
В реактивной турбине развивается значительное осевое усилие. Ротор турбины имеет высокую частоту вращения, а движущиеся элементы очень близко расположены по отношению к неподвижным, поэтому нельзя допускать осевого смещения ротора и осевое усилие должно быть уравновешено. Одним из способов уравновешивания осевого усилия является, применение уравновешивающего поршня. Пар, который по трубке отводится от одной из ступеней турбины, воздействует на поршень, посаженный на валу ротора (рис. 3.7). В корпусе турбины выполнен цилиндр для этого поршня, и поэтому под давлением пара возникает усилие, направленное вдоль оси вала.
Рис. 3.7. Устройство уравновешивающего поршня:
1 — уравновешивающая сила; 2 — уравновешивающий поршень; 3 — цилиндр уравновешивающего поршня; 4 — уравновешивающая труба; I — вход пара; II — выход пара
Площадь поршня и давление пара выбираются такими, чтобы точно уравновесить осевое усилие, возникающее на лопатках в реактивной турбине. Если в одном корпусе расположены турбины переднего и заднего хода, то уравновешивающие поршни нужно установить для работы в обоих направлениях:
Другим способом уравновешивания, который часто применяется в турбинах низкого давления, является создание двойного потока. При таком устройстве пар входит в среднюю часть турбины и расходится вдоль вала в противоположных направлениях. При равном числе ступеней слева и справа осевые усилия взаимно уравновешивают одно другое.
Уплотнительные устройства и система уплотнения. Уплотнительные устройства служат для предотвращения утечки пара из турбины высокого давления и попадания воздуха в турбину низкого давления. Уплотнительные устройства обычно применяются в совокупности с системой уплотнения.
Механические уплотнительные устройства — это обычно лабиринтовые уплотнения. На валу ротора монтируется ряд колец, а в корпусе закрепляется соответствующий ряд лабиринтов (рис. 3.8). Пар из турбины Должен пройти через эти многочисленные лабиринты, что практически приводит к снижению давления пара до атмосферного.
В дополнение к лабиринтовому механическому уплотнению действует система уплотнения, для которой в корпусе турбины имеется ряд камер. Система действует следующим образом. Во время работы турбины на полной мощности пар проникает в первую камеру, и поэтому в ней появляется какое-то давление выше атмосферного. Пар же, который проникает вдоль вала во вторую камеру, отсасывается воздушным насосом или эжектором в конденсатор сальникового пара. Если во вторую камеру попадает воздух из машинного отделения, он также отсасывается в конденсатор (рис. 3.9).
На самом малом ходу или при пуске турбины пар в первую камеру подается от какого-либо источника пара низкого давления. Вторая камера в этом случае действует, как описано выше.
Система уплотнения используется также для снабжения паром низкого давления различных потребителей и для отсоса пара и воздуха из различных других уплотнительных устройств турбинного агрегата.
Диафрагмы. Они устанавливаются в активных турбинах, имеют кольцевую форму и выполнены из двух полуколец. Через центральное отверстие диафрагмы проходит вал. Диафрагма крепится к корпусу и находится между двумя рядами лопаток. По периферии диафрагмы расположены сопла, в ее центральном отверстии крепятся лабиринты уплотнения.
Сопла
Сопла служат для преобразования статической энергии пара высокого давления в кинетическую энергию струи пара, обладающей высокой скоростью, но уменьшенным по сравнению с исходным давлением. Сопла на входе в турбину разбиты на несколько групп, и все они, за исключением основной, имеют собственные сопловые клапаны (рис. 3.10). Благодаря этому можно регулировать мощность турбины, меняя число включенных групп сопел. Сопловые коробки на входе имеют как активные, так и реактивные турбины.
Рис. 3.8. Лабиринтовое уплотнение:
1—ротор; 2— статор; 3— пластинчатая пружина
Рис. 3.9. Система уплотнения паром:
1 — турбина высокого давления; 2 — турбина низкого давления; 3 — турбина заднего хода; I — подвод пара к системе уплотнения; II — подвод пара к конденсатору системы уплотнения
Рис. 3.10. Управление турбиной при помощи сопловых клапанов:
а — поперечный разрез, вид на сопловое кольцо; б — продольный разрез; 1 — сопловая группа, не имеющая соплового клапана; 2 — управляемая группа сопел; 3 — выступ соплового кольца; I — вход пара в коробку от маневрового клапана; II — вход пара от группового соплового клапана.
Система спуска конденсата
При прогревании турбины или при маневрировании судна пар будет конденсироваться и накапливаться в различных частях турбины. Для того чтобы удалить конденсат и избежать его попадания на рабочие лопатки, что может вызвать Их повреждение, и предназначена система спуска. Спуск конденсата необходим еще и потому, что при накапливании конденсата может возникнуть местное охлаждение и деформация турбины из-за неравномерного нагрева. В современных установках имеются автоматические клапаны спуска, которые открыты во время прогрева или маневрирования турбины и закрыты при работе на нормальных частотах вращения ротора.
Подшипники
Подшипники турбины стальные, помещаются в корпусе, положение которого может регулироваться при центровке валопровода. Упорный подшипник — со сферическими самоустанавливающимися подушками. Этим обеспечивается их равномерная нагрузка и правильное положение подушек по отношению к упорному диску. Элементы обоих типов подшипников показаны на рис. 3.5. Масло для смазывания поступает в подшипник сбоку с обеих сторон. В месте подвода масла к валу отверстие расширено для того, чтобы масло равномерно распределялось по всей поверхности подшипника. В Подшипнике нет никаких масляных канавок. Зазоры в подшипниках турбин больше, чем в подшипниках дизелей. Во время работы турбины вал ее как бы плавает в маслянной ванне. Выходит масло через отверстие в верхней части подшипника и сливается в сточную цистерну.
Смазочная система
В паровых турбинах система смазки выполняет две функции: обеспечивает слой смазки для уменьшения трения между движущимися частями и отводит тепло, образующееся при работе подшипников или передаваемое по валу.
Смазочная система служит для подачи масла к турбине, редуктору, упорному подшипнику и к форсункам редуктора. Для остановки турбины, работающей на высоких частотах вращения, требуется значительное время. Главные масляные насосы, имеющие привод от турбины, в этот период времени, могут не обеспечить смазку в достаточной степени, и поэтому нужно предусмотреть дополнительный вариант подачи масла. Обычно в этом случае подключают напорный масляный бак, а приводные насосы не отключают, и они продолжают прокачивать масло через турбину.
На рис. 3.11 показана смазочная система, в которой применяются напорный масляный бак и приводные масляные насосы. Масло засасывается насосом из сточной цистерны через фильтры и пода-тору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла снова очищается в фильтрах, а затем подается к зубчатому редуктору, подшипникам турбины и к форсункам редуктора. Часть масла через дроссельную шайбу попадает в напорный бак, из которого избыток масла постоянно сливается, что можно проконтролировать по смотровому стеклу.
Рис. 3.11. Типовая схема смазочной системы:
1 — подшипники редуктора и главный упорный подшипник; 2 — форсунки редуктора; 3— подшипники турбины; 4 — смотровое стекло; 5 — вентиляционный рожок; 6 — напорная масляная цистерна; 7 — дроссельная шайба; 8 — сдвоенный фильтр; 9 — охладители; 10— запорный вентиль; 11 — невозвратный клапан; 12 — приводной насос; 13 — сточная масляная цистерна; 14 — фильтры; 15 — электрические насосы; 16 — предохранительный клапан
Приводные насосы обеспечивают все режимы смазывания при нормальной работе турбины.
При уменьшении мощности турбины масло к форсункам редуктора продолжает подаваться от приводных насосов. Масло из напорного бака с пониженным давлением подается к подшипникам в течение продолжительного времени, чтобы исключить выход из строя подшипников при остановке турбины.
Тепловое расширение турбин. При работе турбины ее температура значительно повышается по сравнению с температурой неработающей турбины. Поэтому должна быть предусмотрена возможность для теплового расширения ротора и статора.
Корпус турбины обычно жестко крепится в кормовой ее части к опоре или кронштейнам корпуса редуктора. Здесь лапа корпуса турбины закреплена от продольного смещения, но может перемещаться в продольном направлении, так как отверстия для болтов имеют удлиненную форму. Такие же удлиненные отверстия для болтов имеются и в передней лапе корпуса, которая опирается на скользящую опору или на упругую вертикальную листовую опору, изгибающуюся при тепловом расширении корпуса.
Положение передней опоры по отношению к задней или к кронштейнам корпуса редуктора обычно фиксируется. На опорах и на корпусе турбины имеются соответствующие одни другим большие
вертикальные канавки и шпонки, обеспечивающие перемещение корпуса относительно опоры в вертикальном направлении при его центровке с валопроводом.
Ротор турбины обычно фиксируется относительно корпуса в своей передней части при помощи упорного кольца и, следовательно, любое осевое перемещение ротора должно передаваться на другой его конец со стороны редуктора. Между валом турбины и валом редуктора устанавливается эластичная муфта. Эта муфта не только воспринимает осевое удлинение ротора, но и нейтрализует небольшие отклонения в центровке валов. Все подведенные к корпусу турбины трубопроводы для обеспечения свободного теплового расширения корпуса должны иметь петлевые компенсаторы большого радиуса или сильфоны. Кроме того, при перемещении, вызванном тепловым расширением корпуса, эти трубопроводы не должны задевать корпус. Для этого трубопроводы устанавливают на эластичных или пружинных подвесках.
При прогревании турбины необходимо обеспечить ее свободное тепловое расширение. Для контроля за расширением на турбине устанавливают ряд индикаторов. Все направляющие приспособления должны содержаться в чистоте и хорошо смазываться.
Управление турбиной
Клапаны, служащие для впуска пара в турбину переднего или заднего хода, называются маневровыми. Обычно устанавливают три клапана: переднего хода, заднего хода и блокирующий. Блокирующий клапан это разобщительный клапан на турбине заднего хода. Все клапаны имеют гидравлический привод с питанием от автономной гидравлической системы, имеющей свои основные и аварийные насосы. На случай выхода из строя системы дистанционного управления предусматривается система ручного управления.
При открытии маневрового клапана переднего хода пар поступает к главной сопловой коробке. С увеличением мощности при помощи системы дистанционного управления в определенном порядке открываются групповые клапаны. Для поддержания постоянной частоты вращения ротора на маневровом клапане переднего хода установлен регулятор.
При открытии маневрового клапана заднего хода пар подается к блокирующему запорному клапану, который открывается одновременно с маневровым. Затем пар проходит в турбину заднего хода.
Система защиты турбины
Эта система включает в себя устройства для предотвращения повреждения турбины от неисправностей в самой турбине и в связанных с ней системах и устройствах. К этим устройствам относятся соленоидный клапан и элементы систем турбины, обеспечивающие ее аварийную остановку. При срабатывании предохранительных устройств прекращается подача гидравлического масла к маневровому клапану, с помощью которого прерывается подача пара в турбину. Эти устройства срабатывают при наличии одного из следующих аварийных состояний: низкое давление в системе смазки; превышение частоты вращения ротора; низкий вакуум в конденсаторе; аварийная остановка; высокий уровень конденсата в конденсаторе; высокий или низкий уровень воды в Котле.
К другим неисправностям, которые могут быть обнаружены системой защиты и вызвать ее срабатывание, относятся: эксцентриситет ротора в турбине высокого или низкого давления или их вибрация; дифференциальное расширение в турбине высокого и низкого давления, т. е. различная степень расширения ротора и статора; износ упорных подшипников турбин высокого и низкого давления; включенное валоповоротное устройство (в этом случае исключается пуск турбины).
Эта «всевидящая» система защиты, как ее можно назвать, действует двояко. Если обнаруживается опасная тенденция, которая может привести к аварийной ситуации, то дается первичный сигнал тревоги. Это позволяет произвести ряд корректирующих действий, и ротор турбины не останавливается. Если корректирующие действия осуществляются медленно или если они не приносят желаемого результата, а аварийная обстановка резко ухудшается, подается вторичный сигнал тревоги, и тогда срабатывает система защиты и ротор турбины останавливается.
Используемая литература: “Основы судовой техники” Автор: Д.А. Тейлор
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ