После того как человек придумал ветряную и водяную мельницу, он решил использовать мощность кипящей воды. Таким образом была изобретена паровая турбина, принцип действия которой основывается на превращении энергии пара в механическую работу. Первая конструкция такой машины появилась в I веке нашей эры. Создана она была математиком и изобретателем Героном Александрийским.
Немного истории
Устройство первого парового механизма было очень простым. Это обыкновенный шар, который был закреплен на оси, а из него выходили две загнутые трубки, расположенные на противоположных сферах. Внутрь конструкции (эолипила) подавался пар от кипящей воды, который вылетал из маленьких отверстий трубок, что заставляло шар вращаться.
Такое устройство было первым реактивным двигателем, который оценили только через пятнадцать веков. Современная версия эолипила развивает скорость до 1,5 тыс. об./мин. В XVII веке итальянец Д. Бранка сконструировал похожую паровую турбину, где струя пара вращала колесо с лопастями.
Эти все изобретения не получили практического применения, так как в то время показатель коэффициента полезного действия (КПД) был очень незначительным. Следующим изобретателем, который хотел собрать более мощный двигатель, был механик из Швеции Г. Лаваль.
Он планировал создать паровой привод для своего сепаратора молока, который работал от вращения рукой. В конце XIX века ему удалось собрать такую машину, но из-за плохих технических и экономических характеристик Г. Лавалю пришлось бросить эту затею. Изобретатель полностью переключился на создание более мощных двигателей. Он придумал и выпустил первые коммерческие приводы для электродвигателей мощностью 3,6 кВт. Одновременно свои разработки вел английский конструктор Ч. Парсонс, которому удалось усовершенствовать некоторые идеи Г. Лаваля.
Он первым придумал многоступенчатую турбину, которая состояла из нескольких колес. К тому же в ее конструкцию входили три цилиндра, которые были рассчитаны на пар разного давления. В отличие от Г. Лаваля, Ч. Парсонс создавал реактивные двигатели, которые успешно работали для электрификации многих городов. Ради эксперимента под его руководством было построено первое паровое судно, которое смогло развить рекордную для того времени скорость 63 км/ч.
Основные конструкции
В строение любых паровых турбин входят две основные части: ротор, статор. Ротор представляет собой подвижный элемент и обычно содержит лопатки нужной конфигурации. Статор — это неподвижная часть с соплами круглого сечения. Паровые механизмы бывают:
- Аксиальными — движение пара осуществляется вдоль оси устройства.
- Радиальными — лопатки установлены параллельно с осью механизма, что обеспечивает перпендикулярный выброс пара.
Турбины могут быть одноцилиндровыми и многоцилиндровыми. Последние обладают рядом преимуществ, так как позволяют использовать перепады внутренней энергии за счет нескольких стадий давления. Кроме того, в их конструкциях используются более качественные материалы для разделения потоков пара с разным давлением. В зависимости от расположения, валы могут быть:
- соосными;
- параллельными.
Многоцилиндровые конструкции обладают важным достоинством, так как они применяются в более мощных паровых устройствах. К их недостаткам можно отнести довольно сложную конструкцию и дороговизну.
Статор таких машин выполняется обязательно разборным, чтобы можно было снять ротор во время ремонта или технического обслуживания.
В корпусе статора имеются выточки, в которых установлены диафрагмы с соплами для увеличения давления пара. Валы обязательно обладают уплотнениями для предотвращения утечки рабочего носителя и регуляторами безопасности для контроля скорости вращения.
Разновидности турбин
Современные паровые двигатели в основном применяются на тепловых электрических станциях (ТЭС) для выработки электроэнергии. Под действием пара турбина вращает мощный генератор, который вырабатывает электричество. Мощность одной установки может быть равна 1 ГВт. Существует три группы механизмов: конденсационные, теплофикационные, специального назначения.
Конденсационные установки
Эти механизмы отличаются превращением максимального значения тепловой энергии в кинетическую. Их конструкция содержит конденсатор, в который поступает отработанный пар. Устройства могут быть стационарными и передвижными.
В стационарных паровых двигателях турбина и электрогенератор расположены на одном валу. Такие устройства называются турбогенераторами, а устанавливаются они в конденсационных электрических станциях (КЭС). В них тепловая энергия расходуется:
- на выработку электроэнергии;
- для отопления ближайших населенных пунктов;
- на собственные нужды КЭС.
Обычно на таких станциях устанавливаются мощные турбогенераторы, которые отличаются экономичностью и более дешевой электроэнергией.
В зависимости от цели использования паровые турбины делятся на базовые и пиковые. Первые несут постоянную нагрузку, а пиковые предназначены для временной выработки требуемой мощности.
Теплофикационные устройства
Основное назначение этих механизмов — выработка тепловой энергии. Получение электрической энергии здесь играет второстепенную роль. Станции, на которых устанавливается такой вид паровых устройств, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). В таких турбинах установлены механизмы:
- противодавления;
- контролируемого отбора пара;
- комплексного действия.
В устройствах с противодавлением весь отработанный пар поступает для обогрева. В этом случае выработка электроэнергии зависит от потребности производства. Поэтому такой механизм обычно работает параллельно с конденсационной турбиной и электросетью, которые покрывают дефицит электроэнергии.
В устройствах с контролируемым отбором некоторое количество пара забирается от промежуточных ступеней, а оставшаяся часть поступает в конденсатор. В комплексных устройствах необходимый объем пара отбирается из ступеней турбины, а остальное количество идет в отопительную систему.
Механизмы специального назначения
Такие устройства чаще всего используются на металлургическом, машиностроительном и химическом производствах. К специальным относятся механизмы дросселированного пара, двух давлений и предварительно включенные.
Дросселированные турбины функционируют на отработанном паре поршневых устройств, паровых молотов и прессов. Устройства двух давлений используют свежий и отработанный пар, который подводится к одной из ступеней.
К предварительно включенным механизмам относятся турбины с высоким стартовым давлением. Такие устройства необходимы при переоборудовании электростанций для работы с паровыми котлами высокого давления.
К специальным механизмам относятся и приводные агрегаты для мощных устройств. Сюда входят насосы энергетических блоков электростанций, двигатели газокомпрессорных установок и другие механизмы. Обычно такие турбины изготовляются по специальным заказам.
