8.4.2. Проточная часть и принцип действия турбины

После того, как нами получено общее представление о турбине, рассмотрим ее «сердце» – проточную часть, которая является самой сложной и самой дорогой частью турбины. Сложность ее создания определяется не только высокими технологическими требованиями к изготовлению, материалам, монтажу, но, главным образом, чрезвычайной наукоемкостью: нельзя создать даже посредственную турбину, не обладая хорошими знаниями в таких областях науки, как механика, гидрогазодинамика, теория автоматического регулирования, механика разрушения, не говоря уже о специальных дисциплинах. Не удивительно поэтому, что число стран, выпускающих мощные паровые турбины по разработанной ими технической документации, не превышает десяти.

На рис. 8.12 показан фрагмент проточной части паровой турбины и охватывающих ее деталей. Собственно проточная часть состоит из чередующихся кольцевых сопловых решеток 1 и рабочих решеток 2. Совокупность одной сопловой и одной рабочей решетки называют ступенью турбины. Это название происходит из того, что потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора порциями (ступенями).

Сопловая решетка состоит (рис. 8.12) из одинаковых сопловых лопаток 1, установленных по окружности на равном расстоянии друг от друга (шагом). Сопловые лопатки имеют вполне определенный профиль в сечении, и поэтому между сопловыми лопатками образуется вполне определенный сопловой канал (сопло) для прохода пара. Сопловые лопатки закреплены в диафрагме 2 (см. также поз 11 на рис. 8.13), имеющей горизонтальный разъем, необходимый для установки ротора при монтаже. Диафрагма – это кольцевая перегородка, которая подвешивается двумя лапками 3 на уровне горизонтального разъема в кольцевой расточке обоймы. Обойма охватывает несколько диафрагм (две, три и более) – отсюда и ее название. В свою очередь обойма 12 лапками (см. рис.8.13) подвешивается в корпусе 3 (см. рис. 8.12) турбины. Кольцевое пространство между обоймами часто используется для камеры отбора пара на регенеративные подогреватели (см. патрубки 9 на рис. 8.12).

Рис. 8.12. Фрагмент проточной части турбины с выходным патрубком

1 – сопловые лопатки кольцевой решетки первой ступени; 2 – рабочие лопатки первой ступени; 3– корпус цилиндра турбины; 4 – обойма диафрагм; 5 – лопатки сопловой

кольцевой решетки последней ступени; 6 – рабочие лопатки последней ступени; 7 – сборная камера пара, выходящего из последней ступени и идущего к выходным патрубкам; 8 – концевые уплотнения цилиндра; 9 – патрубки отбора пара на регенерацию; 10 – диафрагменное уплотнение; 11 – диафрагма ступени; 12 – диск для закрепления рабочих лопаток на роторе; 13 – вал ротора

Рис. 8.13. Диафрагма, помещенная в обойму (пар протекает слева направо)

1 – сопловые лопатки; 2 – диафрагма; 3 – лапки для подвески диафрагмы в корпусе; 4,5 – шпонки, служащие для фиксации положения верхней половины диафрагмы по отношению к нижней; 6 – лапки для установки обоймы диафрагм в корпусе турбины; 7 – кольцевые пазы для установки соседних диафрагм; 8 – отверстия под рым-болты (болты с кольцевой головкой) для стропления нижней половины обоймы и переноски ее краном; 9,10 – отверстия соответственно под шпильки и болты, скрепляющие верхнюю и нижнюю половину диафрагмы; 11 – кольцевая расточка в диафрагме для установки сегментов диафрагменного уплотнения; 12 – обойма

Таким образом, неподвижные в пространстве корпус 3 турбины, обоймы 4 и диафрагмы 11 (см. рис.8.12) обеспечивают неподвижность сопловых каналов сопловой решетки. Сами каналы, благодаря особым форме сопловых лопаток и их установке в решетках, выполняются суживающими: площадь для прохода пара на выходе из сопловой решетки выполняют в несколько раз меньше, чем на входе. Далее, если иметь в виду, что объем пара за сопловой решеткой больше, чем на выходе, так как давление за ней меньше, то ясно, что скорость пара на выходе из решетки будет в несколько раз больше, чем на входе. Действительно, если на входе в сопловую решетку скорость пара 50–100 м/с, то на выходе из нее – 300–400 м/с и более.

Далее поток пара не только приобретает большую скорость, но и изменяет свое направление: выходные части сопловых лопаток (профилей) заставляют пар развернуться и двигаться в направлении не вдоль оси турбины, а поперек (говорят, что поток пара приобретает закрутку – окружное направление). Таким образом, из сопловых каналов выходит мощная закрученная кольцевая струя пара, ширина которой равна высоте сопловых лопаток. Часть потенциальной энергии пара преобразована сопловыми каналами в кинетическую энергию кольцевой струи пара, движущейся с огромной скоростью (обычно – это скорость несколько меньше скорости звука, но в некоторых ступенях – и больше ее).

Теперь необходимо решить следующую задачу: заставить созданную кольцевую струю пара вращать вал 13 турбины (см. рис. 8.12). С этой целью ее направляют на кольцевую решетку профилей, образованную рабочими лопатками 2. Для этого, прежде всего рабочей решетке дают возможность вращаться: ее закрепляют на диске 12 ротора, который соединен с валом 13 и уложен во вкладыши опорных подшипников. Поэтому, если на рабочую лопатку будет действовать окружная сила, имеющая плечо относительно оси вращения, то ротор начинает вращаться. Эту силу создают с помощью специальной решетки профилей, создающей рабочие каналы вполне определенной формы (примерно постоянного сечения). Пар, протекающий через каналы рабочей решетки, изменяет свое направление, и это главная причина появления окружной силы F, действующей на каждую рабочую лопатку. Скорость пара в рабочей решетке уменьшается, так как вследствие окружной податливости рабочих лопаток поток пара как бы вязнет внутри канала. В результате из рабочей решетки пар выходит со скоростью примерно равной скорости на входе в сопловую решетку. Но поскольку давление и температура пара за ступенью меньше, чем перед ней из-за того, что в конденсаторе принудительно поддерживается низкое давление, и оно постепенно повышается к паровпускной части турбины, то часть кинетической энергии потока пара, идущего через ступень, преобразуется в механическую (вращательную) энергию ротора, которая, в конечном счете, передается ротору электрогенератора.