Реактивная и активно-реактивная турбины

Чисто реактивные турбины (как было сказано выше) в практике применения не нашли. Используются только многоступенчатые полуреактивные турбины (называемые упрощенно реактивными), в которых пар расширяется в неподвижных направляющих каналах и в подвижных каналах между рабочими лопатками ротора примерно в равных долях по падению энтальпий.

В реактивной ступени (Рис. 5, а) пар с давлением Р₀ и скоростью С₀ поступает в каналы между неподвижными направляющими лопатками 1, закрепленными в корпусе 2 турбины, где он частично расширяется до давления Р₁ как в соплах, и приобретает скорость С₁. С этой скоростью пар входит в каналы между рабочими лопатками 3, укрепленными на роторе 4 барабанного типа и, воздействуя на эти лопатки, отдает им приобретенную кинетическую энергию. Абсолютная скорость пара при этом уменьшается до величины выходной скорости. Таким образом, здесь также осуществляется активный принцип. Кроме того, вследствие суживающейся формы каналов рабочих лопаток пар в них дополнительно расширяется до давления Р₂, что вызывает появление реактивной силы, действующей на каждую лопатку. Направление движения рабочих лопаток показано стрелкой. Рассмотрим силы, действующие на рабочую лопатку реактивной ступени. Направление движения струи пара, попадающей в каналы между рабочими лопатками, изменяется, в результате чего развиваются центробежные силы частиц пара, суммарное действие которых создает активное усилие Р_акт (Рис. 5, б). Расширение пара в рабочем канале приводит к появлению реактивной силы Р_реакт направленной противоположно ускорению струи пара, а следовательно, зависящей от формы канала. Сложив геометрически силы Р_акт и Р_реакт, получим равнодействующую силу Р, окружная составляющая Р_и которой вращает ротор, а осевая — Р´_а воспринимается упорным подшипником. Кроме того, из-за разности давления Р₁ - Р₂ у входа в рабочий канал и у выхода из него возникает дополнительное осевое усилие Р´_а, направленное в сторону движения потока. Для компенсации осевой силы применяют специальные разгрузочные устройства.

Рис. 5. Схема реактивной ступени (а) и действия сил на рабочую лопатку (б)

Многоступенчатая реактивная турбина. Схема работы пара в многоступенчатой реактивной турбине показана на Рис. 6. Турбина состоит из корпуса 4, в котором укреплены неподвижные направляющие лопатки 3, и ротора 2, на котором размещены подвижные рабочие лопатки 1. Пар давлением Р₀ подводится к кольцевому каналу 5 перед первым рядом направляющих лопаток. В этом ряду пар расширяется до давления Р´₁ и увеличивает свою скорость до значения С₁. Проходя далее по первому ряду рабочих лопаток, пар продолжает расширяться. Абсолютная скорость пара на рабочих лопатках уменьшается до значения С₂ вследствие преобразования его энергии в механическую работу вращения лопаток. На направляющие лопатки второй ступени пар входит, имея абсолютную скорость С₂. Здесь вследствие нового падения давления пар увеличивает свою скорость от С₂ до С₁, с которой поступает на второй ряд рабочих лопаток, и т.д., пока пар не пройдет всю проточную часть и не будет использован весь располагаемый для работы турбины перепад энтальпий.

Вследствие разности давлений пара при входе на рабочие лопатки и при выходе с них и динамического усилия потока в турбине создается осевое усилие, стремящееся сдвинуть ротор в сторону движения пара. Для разгрузки этого усилия в передней части ротора установлен думмис (разгрузочный поршень) 6. Сущность действия думмисазаключается в том, что пространство перед ним сообщается при помощи трубы 7 с полостью отработавшего пара и таким образом создается разность давлений, действующая в сторону, противоположную направлению движения пара.

Рис. 6. Многоступенчатая реактивная турбина

Реактивные турбины большой мощности для уменьшения длины лопаток их последних ступеней часто делают двухпоточными. В этом случае турбина будет уравновешенной в осевом направлении и необходимость в думмисе отпадает.

Из-за разности давлений на лопатках в турбинах реактивного типа наблюдается протечка пара через радиальные зазоры у концов направляющих рабочих лопаток. В чисто активных турбинах протечки возможны только через зазоры диафрагмы, так как здесь давление пара по обе стороны рабочих лопаток одинаково. Для уменьшения протечек пара у реактивных турбин зазоры между рабочими лопатками и корпусом, а также между направляющими лопатками и ротором делают как можно меньше.

По сравнению с активными турбинами паровые реактивные турбины менее выгодны в случае применения пара высокого давления. Поскольку такой пар имеет малый удельный объем, то необходимо устанавливать лопатки небольшой высоты, но с относительно большими радиальными зазорами, а это ведет к большим потерям от протечки пара через такие зазоры.

В случае же применения пара низкого давления в реактивной турбине относительные размеры радиальных зазоров получаются небольшими. При этом и потери на протечки будут незначительными и КПД немного выше, чем в активной турбине.

Таким образом, при умеренных параметрах пара активная и реактивная турбины мало отличаются одна от другой по экономичности, а также массе и размерам. Однако реактивную турбину, имеющую массивный барабанный ротор, требуется длительно прогревать перед пуском и ей необходимо продолжительное время на смену режима при маневрировании.

При активной проточной части турбины уменьшается число ступеней и допускаются более высокие окружные скорости. Турбина с дисковым ротором небольшой длины более приспособлена к работе при высоких параметрах, чем реактивная турбина. Ротор активной турбины сравнительно быстро прогревается при соприкосновении с паром, имея в процессе прогревания примерно одинаковую с корпусом турбины температуру; при этом уменьшаются деформации деталей турбины и сохраняются почти постоянными радиальные и осевые зазоры в проточной части. Поэтому в настоящее время отечественные турбостроительные заводы и известные зарубежные фирмы строят в основном активные паровые судовые турбины.

Смешанные активно-реактивные турбины. В связи с выгодой использования активного принципа в области высоких давлений, а реактивного - в области низких применяют смешанные турбины, имеющие активные ступени высокого и реактивные низкого давления.

Схема наиболее простой смешанной турбины, состоит из колеса с двумя ступенями скорости и реактивных ступеней. Установка колеса с двумя ступенями скорости в качестве первой активной ступени давления в многоступенчатых реактивных турбинах ступени дает следующие преимущества по сравнению с турбиной, имеющей только реактивные ступени:

1. возможность количественного (соплового) регулирования расхода пара путем подбора количества работающих сопл без понижения начального давления пара;

2. уменьшение числа ступеней, а следовательно, длины турбины;

3. уменьшение осевого давления в реактивных ступенях турбины;

4. устранение части реактивного облопачивания с наибольшими потерями от утечки пара через зазоры.

На атомных ледоколах отечественной постройки установлены турбины активно-реактивного типа, состоящие из одной активной ступени и пятнадцати реактивных ступеней.

Дата добавления: 2013-12-12