§ 136. Процессы в паровых машинах и паровых турбинах

Поршншше паровые машины являются, как известно, старейшими тепловыми двигателями, вошедшими в широкое употребление на фабриках в конце XVIII в., а на железных дорогах и во флоте — в первые десятилетия XIX в.; первая годная для эксплоатации паровая турбина была сконструирована французским инженером Лавалем в 1885 г. Несмотря на низкий (в сравнении с двигателями внутреннего сгорания) к. п. д., паросиловые установки по-прежнему занимают видное место в промышленности и на транспорте, так как они позволяют использовать теплоту сгорания дешевых видов топлива: каменного угля, торфа, мазута, древесины.

Резервы и выработка этих видов топлива огромны. В СССР годовая добыча угля составляет около полумиллиарда тонн. Одни запасы торфа в СССР по теплотворной способности равносильны 150 млрд. нефти, что превосходит все мировые запасы нефти. Этим и определяется практическое значение паросиловых установок. Множество больших электростанций и крупные военно-морские суда оснащены паровыми турбинами мощностью в десятки (и более ста) тысяч на железных дорогах, на небольших электростанциях, в промышленных предприятиях и на небольших судах применяются поршневые паровые машины самой разнообразной мощности (преимущественно порядка сотен и тысяч

К. п. д. поршневых паровых машин часто составляет всего 10—12%. Низкий к. п. д. паровых машин объясняется не какими-либо их конструктивными недостатками, но, во-первых, малой разностью температур, между которыми заключен цикл паровой машины, и, во-вторых, неизбежными потерями тепла в топке.

Максимальный коэффициент полезного действия, который может иметь какая-либо тепловая машина, не может превысить того к. который при заданных пределах температур присущ циклу Карно:

Для паровой машины есть температура пара в котле. При давлении в котле температура конденсации отработавшего пара; в случае выпуска отработавшего пара в атмосферу при выпуске отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается давление в Для указанных условий (при давлении в котле в и при выпуске пара в конденсатор) Это означает, что не более 31% тепла, сообщенного воде, может быть превращено в работу. Но примерно только 70% теплоты сгорания топлива идет на нагревание воды, остальное количество уносится дымовыми газами; до 10% составляют потери на трение, следовательно, эффективный к. п. д. паровой машины в указанных условиях не может превышать 20%. Если давление пара в котле равно то к. п. д. паровой машины будет не более 16%.

Обычно стремятся приблизить цикл паровой машины к так называемому циклу Ренкина, изображенному на рис. 279. На рис. 279 точка 1 отвечает термодинамическому состоянию воды, поступающей в паровой котел. Линия 1—2 изображает процесс нагревания воды в котле до температуры кипения при давлении (точка 2). Изотерма-изобара 2—3 изображает процесс парообразования; образующийся пар наполняет рабочий цилиндр, перемещая поршень. Производимая при этом поршнем работа изображается площадью, заключенной между изохорами, проходящими через точки 2 и 3, и ограниченной сверху линией 2—3. Эту работу называют работой наполнения. Когда часть цилиндра окажется наполненной паром, прекращают доступ пара в цилиндр. Это называют отсечкой пара (точка 3). Последующее расширение пара происходит примерно адиабатно, пока давление пара не упадет до того давления которое поддерживается в конденсаторе. Точка 4 изображает термодинамическое состояние пара в конденсаторе (давление и температура

Первой мерой к повышению к. п. д. паровых машин является расширение температурных пределов цикла. С этой целью стремятся повысить температуру кипения воды в котле. Часто поддерживают давление в котле в что соответствует температуре кипения в 180—200° С. Все шире входят в употребление (в особенности для паровых турбин) котлы высокого давления в что соответствует температуре кипения в Для понижения температуры конденсации отработавшего пара его выпускают не в атмосферу, а в конденсатор, где поддерживается давление примерно в (или даже и где поэтому пар сгущается в воду при 45°С (или 24°), а не при 100° С, как это имело бы место при выпуске отработавшего пара в атмосферу.

Второй по своему значению мерой к повышению к. п. д. паровых машин является борьба с преждевременной конденсацией пара. В поршневой машине к концу цикла при выпуске пара в конденсатор стенки цилиндра и поршень охлаждаются, поэтому при впуске в цилиндр новой порции пара из котла часть пара сгущается в воду и в виде капель оседает на стенках цилиндра и на внутренней поверхности поршня. После отсечки пара во время последующего расширения благодаря связанному с расширением падению температуры еще некоторая часть пара сгущается в воду. Так как работа производится паровой машиной вследствие давления пара на поршень, а сконденсировавшийся пар уже не оказывает этого давления, то понятно, что вся преждевременно сконденсировавшаяся часть пара представляет собой совершенно такую же непроизводительную трату пара, как и прямая утечка пара, происходящая из-за недостаточно плотного прилегания поршня к стенкам цилиндра.

Рис. 279. Цикл Ренкина.

Наиболее действительной мерой против преждевременной конденсации пара является перегрев пара. На пути из котла в цилиндр пар заставляют проходить через обогреваемые топочными газами трубы пароперегревателя (рис. 280). Пар из насыщенного превращается в перегретый; обычно создают перегрев на 150— 200°, так что при впуске пара в цилиндр хотя и происходит некоторое падение температуры пара, но пар все еще остается перегретым, и стенки цилиндра даже во время расширения почти не увлажняются

В машинах, работающих насыщенным паром, для уменьшения преждевременной конденсации внешние стенки цилиндра обогревают горячим паром посредством устройства, которое носит название паровой рубашки.

Чем шире температурные пределы цикла, тем более резкое охлаждение испытывает каждая новая порция пара, впускаемого в цилиндр из котла.

Рис. 280. Схема паровой установки.

Поэтому применение высокого давления (высокого нагрева пара в котле), с одной стороны, повышает к. п. д. цикла, но, с другой стороны, увеличивает потери, связанные с преждевременной конденсацией пара. Это побуждает строить машины с несколькими (чаще — двумя) рабочими цилиндрами, через которые последовательно проходит пар, испытывая в каждом цилиндре расширение при постепенно падающей температуре. Этим достигается в каждом цилиндре меньшая разность температуры между свежим паром, поступающим в цилиндр, и отработавшим. Поэтому стенки каждого цилиндра, имея после выхлопа отработавшего пара температуру не слишком низкую в сравнении с температурой свежего пара, не так сильно охлаждают свежий пар.

На рис. 280 представлена схема паросиловой установки, понятная по сделанным на схеме надписям. На этой схеме показан обычный водотрубный котел с двумя барабанами.

Большое преимущество имеют прямоточные котлы системы Л. К. Рамзина. Схема такого котла представлена на рис. 281. В котле Рамзина нет громоздких барабанов, которые обычно служат для обеспечения естественной циркуляции

воды и собирания пара. В обычных котлах вода и пароводяная смесь поднимаются по одной системе трубок, а по другим трубкам вода опускается. Вода совершает многократную циркуляцию по этим трубкам, раньше чем она успевает превратиться в пар. Вместо обычной естественной циркуляции воды в котле Рамзина введена принудительная циркуляция воды. Вода подается насосом под значительным давлением в длинный змеевик. В первой части змеевика вода нагревается отходящими газами до температуры кипения; во второй части змеевика, охваченной пламенем, вода кипит, превращаясь в пар высокого давления (более в третьей части змеевика происходит перегрев пара.

Рис. 281. Прямоточный котел.

Рис. 282. Сопла турбины.

В паровых турбинах в механическую работу преобразовывается кинетическая энергия пара. Из котла пар под большим давлением поступает в направляющие аппараты (сопла) турбины (рис. 282) и в них за счет падения давления приобретает при выходе большую скорость, примерно Чтобы в сопле происходило возможно более полное превращение внутренней энергии пара в кинетическую энергию, соплу придают форму расширяющегося к выходу канала (§ 133). Покинув направляющие аппараты, пар поступает на лопатки турбинного колеса, производит на них давление и приводит рабочее колесо турбины во вращение.

Различают два принципа действия пара на лопатки турбин: активное и реактивное. Для пояснения этих принципов приведены схемы на рис. 283 и 284.

На рис. 283 изображена схема активного действия пара на лопатки турбины. Лопатки турбины закреплены на рабочем диске, насаженном на вал турбины. Рабочий диск вращается в плоскости, перпендикулярной к чертежу; и означает окружную скорость диска. Пар из котла поступает при давлении к соплу и в нем, приобретая ускорение, испытывает падение статического давления до значения По выходе из сопла пар со скоростью поступает на лопатку; означает ту относительную скорость, с которой пар протекает вдоль лопатки. Изогнутая лопатка отклоняет струю пара; благодаря этому пар давит на лопатку турбины с силой, которая представляет собой развиваемую им центробежную силу.

Вследствие трения пара о поверхность лопатки относительная скорость пара несколько снижается. Относительная скорость отработавшего пара сложенная с окружной скоростью и, дает абсолютную скорость выхода пара Если не учитывать потери на трение пара, то работа, воспринятая лопатками от каждого килограмма пара, протекающего через рабочее колесо турбины, измеряется

убылью кинетической энергии пара: где с выражено в мсек,

В разбираемом случае характерны следующие явления: 1) Преобразование внутренней энергии пара в кинетическую происходит исключительно в направляющих, неподвижных аппаратах (в соплах). 2) Давление пара при выходе из сопла (при выходе на лопатки) понижено до величины противодавления среды, так что при течении пара вдоль лопатки давление остается неизменным. 3) Поскольку на лопатках давление пара остается неизменным, входные и выходные сечения каналов, образуемых соседними на диске лопатками, устраивают одинаковыми.

Турбины, в которых применен активный принцип действия пара, часто называют турбинами равного давления.

Рис. 283. Активное действие пара на лопатку турбины.

Рис. 284. Реактивное действие пара на лопатку турбины.

На рис. 284 изображена схема реактивного действия пара на лопатку турбины. В этом случае пар, проходя через сопло, испытывает не полное расширение, а лишь частичное. Покидая сопло, он имеет давление большее, чем противодавление среды Поэтому абсолютная скорость входа пара на лопатку в этом случае соответствует не полному перепаду давлений, а лишь разности их Лопатки изогнуты и расположены на ободе так, что межлопаточные пространства представляют собой каналы с возрастающим сечением. Пар, протекая меж лопатками, продолжает расширяться, и по выходе из лопаток давление его падает до противодавления среды Следовательно, в этом случае преобразование внутренней энергии пара в кинетическую происходит в соплах лишь частично и заканчивается уже на турбинном колесе в расширяющихся каналах межлопаточных пространств.

Относительная скорость течения пара вдаль лопатки получается так же, как и в случае схемы рис. 283, разложением абсолютной скорости по направлению окружной скорости и по направлению касательной к поверхности лопатки. Вследствие расширения пара в межлопаточных каналах относительная скорость возрастает от до Пар получает ускорение и поэтому оказывает на лопатку турбины, кроме давления отклонения струи, еще давление реакции струи.

Реактивные турбины часто называют турбинами избыточного давления.

Для обеспечения наибольшего к. п. д. надо, чтобы окружная скорость и лопаток турбины составляла в случае активной турбины примерно половину скорости выхода пара из сопла, а в случае реактивной турбины окружная скорость

должна быть почти равна скорости выхода пара. Более точно: для активной турбины надо, чтобы а для реактивной угол входа а выбирается возможно более малым, и поэтому значения не сильно разнятся от единицы.

Даже при использовании средних перепадов давлений абсолютные скорости истечения пара из сопла получаются порядка (это много более, чем скорость пули). Окружная скорость диска активной турбины должна была бы, следовательно, составлять примерно Такой окружной скорости при диаметре рабочего колеса в соответствуют 11,5 тыс. оборотов вала в 1 мин. В целях понижения числа оборотов турбины без ущерба для к. . п. д. расчленяют работу пара на несколько ступеней.

В однодисковой турбине вес процесс преобразования внутренней энергии в кинетическую осуществляется при помощи одного ряда направляющих аппаратов, расположенных перед рабочим диском. Введением ступеней давления: разбивают превращение внутренней энергии в кинетическую на несколько этапов. Достигается это; тем, что за первым рядом направляющих аппаратов и первым рабочим диском устанавливают второй; ряд аппаратов и второй рабочий: диск и т. д. (рис. 285). В такой; многоступенчатой турбине в каждом ее рабочем колесе используется лишь часть всего располагаемого перепада давлений, следующая часть его используется во второй ступени и т. д.

Рис. 285. Схема многоступенчатой турбины.

Рис. 286. Тепловые балансы ТЭС и теплоцентрали.

Ступени давления, введенные Парсонсом, допускают работу пара на лопатках и по активному и по реактивному принципам.

В активных турбинах применяют еще другой способ понижения числа оборотов турбины, введенный Кертиссом, — ступени скорости. При применении ступеней скорости отдача кинетической энергии производится паром не в одном рабочем диске, а в нескольких. Пар по выходе из лопаток первого диска поступает на неподвижные промежуточные направляющие лопатки. Назначение последних — изменить направление движения пара для возможности его входа на лопатки второго вращающегося диска с целью дальнейшей этдачи там части кинетической энергии. За вторым рабочим диском следуют опять направляющие лопатки и т. д.

Высокое начальное давление пара и относительно высокий вакуум в конденсаторе обеспечивают паровым турбинам сравнительно высокий к. п. д., достигающий (по отношению к энергии топлива, расходуемого в котле) 25—28%. Удельный расход пара, составляющий в поршневых машинах 8 и более пара в час на в паровых турбинах равен в час.

Мощные паровые турбины строят с большим числом ступеней (16—40); общее число лопаток в колесах турбины исчисляется несколькими тысячами; вес турбины составляет на 1 л. с. мощности. Роторы турбин на 100 тыс. делающие 3000 об/мин, весят около

На тепловых электростанциях (ТЭС) вода, охлаждающая конденсатор, нагревается на 15—30° и уносит более половины тепла. Чтобы использовать часть этого тепла для теплоснабжения жилых домов, фабрик и заводов, часто вместо ТЭС строят теплоцентрали, где в турбинах не весь пар срабатывается до предельно низкого давления, а часть его отбирается с давлением для подогрева воды в целях теплофикации. На рис. 286 сопоставлены тепловые балансы ТЭС и теплоцентрали.