Turbina parowa kto i kiedy został stworzony. Ogólne informacje o zakładach turbin parowych

Nikołaj Aleksandrow

Wiek dziewiętnasty nie na próżno nazywano erą pary. Wraz z wynalezieniem silnika parowego nastąpiła prawdziwa rewolucja w przemyśle, energetyce i transporcie. Stała się możliwa mechanizacja pracy, która wcześniej wymagała zbyt wielu ludzkich rąk. Szyny kolejowe radykalnie rozszerzyła możliwości transportu towarów drogą lądową. W morze wyruszają ogromne statki, zdolne do poruszania się pod wiatr i gwarantujące terminową dostawę towarów. Rozbudowa wolumenów produkcja przemysłowa postawili przed energetyką zadanie zwiększenia mocy silników w każdy możliwy sposób. Jednak początkowo to nie duża moc powołała do życia turbinę parową...

Turbina hydrauliczna jako urządzenie do zamiany energii potencjalnej wody na energię kinetyczną obracającego się wału znana jest od czasów starożytnych. Turbina parowa ma równie długą historię, a jeden z najwcześniejszych projektów, znany jako „turbina Czapla”, pochodzi z I wieku p.n.e. Od razu jednak zauważamy, że aż do XIX wieku turbiny napędzane parą były bardziej technicznymi ciekawostkami, zabawkami, niż prawdziwymi urządzeniami przemysłowymi.

I dopiero wraz z początkiem rewolucji przemysłowej w Europie, po powszechnym praktycznym wprowadzeniu silnika parowego D. Watt, wynalazcy zaczęli uważnie przyglądać się turbinie parowej, że tak powiem, „zamkniętej”. Stworzenie turbiny parowej wymagało głębokiej wiedzy właściwości fizyczne para i prawa jej wygaśnięcia. Jego produkcja stała się możliwa tylko przy wystarczających wysoki poziom technologii obróbki metali, ponieważ wymagana precyzja wykonania poszczególnych części oraz wytrzymałość elementów była znacznie wyższa niż w przypadku silnika parowego.

W przeciwieństwie do silnika parowego, który wykonuje pracę wykorzystując energię potencjalną pary, aw szczególności jej sprężystość, turbina parowa wykorzystuje energię kinetyczną strumienia pary, zamieniając ją na energię obrotową wału. Najważniejsza cecha para wodna to jej duża szybkość odpływu z jednego medium do drugiego, nawet przy stosunkowo niewielkim spadku ciśnienia. Zatem przy ciśnieniu 5 kgf/m2 strumień pary wypływający z naczynia do atmosfery ma prędkość około 450 m/s. W latach 50. ubiegłego wieku stwierdzono, że do efektywnego wykorzystania energia kinetyczna pary, prędkość obwodowa łopatek turbiny na obwodzie musi wynosić co najmniej połowę prędkości strumienia nadmuchowego, dlatego przy promieniu łopatek turbiny wynoszącym 1 m konieczne jest utrzymanie prędkości obrotowej około 4300 obr/min. Technologia pierwszej połowy XIX wieku nie znała łożysk zdolnych przez długi czas wytrzymać takie prędkości. Poleganie na sobie praktyczne doświadczenie, D. Watt uznał tak duże prędkości ruchu elementów maszyn za w zasadzie nieosiągalne i w odpowiedzi na ostrzeżenie o zagrożeniu, jakie turbina może stwarzać dla wynalezionego przez siebie silnika parowego, odpowiedział w ten sposób: „Jaka konkurencja czy możemy mówić o tym, że bez pomocy Bożej niemożliwe jest zmuszenie robotników do poruszania się z prędkością 1000 stóp na sekundę?”

Czas jednak mijał, technologia poprawiała się, a godzina praktycznego użytkowania turbiny parowej wybiła. Prymitywne turbiny parowe zostały po raz pierwszy zastosowane w tartakach we wschodnich Stanach Zjednoczonych w latach 1883-1885. do jazdy piły tarczowe. Para podawana była przez oś, a następnie rozprężając się kierowana była rurami w kierunku promieniowym. Każda z rur kończyła się zakrzywioną końcówką. Tak więc konstrukcyjnie opisywane urządzenie było bardzo zbliżone do turbiny Heron, miało wyjątkowo niską sprawność, ale było bardziej odpowiednie do napędzania pił szybkoobrotowych niż silnik parowy z ruchem posuwisto-zwrotnym tłoka. Ponadto, zgodnie z ówczesnymi koncepcjami, do ogrzewania pary stosowano paliwo odpadowe – odpady produkcja tartaczna.

Jednak te pierwsze amerykańskie turbiny parowe nie były szeroko stosowane. Ich wpływ na dalszą historię techniki jest praktycznie nieobecny. Czego nie można powiedzieć o wynalazkach Szweda francuskie pochodzenie de Laval, którego nazwisko jest dziś znane każdemu inżynierowi silnika.

Carl Gustav Patrick de Laval

Przodkowie de Lavala byli hugenotami, którzy zostali zmuszeni do emigracji do Szwecji w koniec XVI wieku z powodu prześladowań w domu. Carl-Gustav-Patrick (nazwisko „Gustav” nadal było uważane za główne) urodził się w 1845 roku i otrzymał doskonałe wykształcenie, ukończył Instytut Technologii i Uniwersytet w Uppsali. W 1872 roku de Laval rozpoczął pracę jako inżynier dla technologia chemiczna i metalurgia, ale wkrótce zainteresował się problemem stworzenia wydajnego wirówki do mleka. W 1878 roku udało mu się opracować udaną wersję szeroko stosowanego projektu separatora; Gustav wykorzystał wpływy na rozpoczęcie prac nad turbiną parową. To właśnie separator dał impuls do zajęcia nowego urządzenia, ponieważ potrzebował napędu mechanicznego zdolnego zapewnić prędkość obrotową co najmniej 6000 obr/min.

Aby uniknąć stosowania jakichkolwiek multiplikatorów, de Laval zaproponował umieszczenie bębna separatora na tym samym wale z najprostszą turbiną typu jet. W 1883 roku na ten projekt został zgłoszony angielski patent. Następnie de Laval przystąpił do opracowania jednostopniowej turbiny typu aktywnego, a już w 1889 roku otrzymał patent na dyszę rozprężną (dziś w powszechnym użyciu jest określenie „dysza Lavala”), co umożliwia zmniejszenie ciśnienie pary i zwiększyć jej prędkość do ponaddźwiękowej. Wkrótce potem Gustav był w stanie przezwyciężyć inne problemy, które pojawiły się podczas produkcji sprawnej aktywnej turbiny. Zaproponował więc zastosowanie elastycznego wałka, tarczy o równym oporze i opracował metodę mocowania łopatek w tarczy.

Na międzynarodowej wystawie w Chicago, która odbyła się w 1893 roku, zaprezentowano małą turbinę de Lavala o mocy 5 KM. z prędkością obrotową 30 000 obr/min! Ogromna prędkość obrotowa była ważnym osiągnięciem technicznym, ale jednocześnie stała się piętą achillesową takiej turbiny, gdyż dla praktyczne zastosowanie założyła włączenie przekładni redukcyjnej w elektrowni. W tamtych czasach skrzynie biegów wykonywano głównie jednostopniowo, dlatego często średnica dużego koła zębatego była kilkakrotnie większa niż wielkość samej turbiny. Konieczność stosowania masywnych przekładni redukcyjnych uniemożliwiła powszechne wprowadzenie turbin de Lavala. Największa jednostopniowa turbina o mocy 500 KM. miał zużycie pary 6 ... 7 kg / KM godz.

Ciekawa funkcja Twórczość Lavala można uznać za jego „nagi empiryzm”: stworzył on całkiem wykonalne konstrukcje, których teorię rozwinęli później inni. Tak więc czeski naukowiec A. Stodola następnie dogłębnie przestudiował teorię elastycznego wału, usystematyzował także główne zagadnienia obliczania wytrzymałości tarcz turbiny o równym oporze. To właśnie brak dobrej teorii nie pozwolił de Lavalowi osiągnąć wielkiego sukcesu, poza tym był osobą, która dała się ponieść i łatwo przerzucała z jednego tematu na drugi. Zaniedbując finansową stronę sprawy, ten utalentowany eksperymentator, nie mając czasu na wdrożenie kolejnego wynalazku, szybko stracił zainteresowanie nim, porwany nowym pomysłem. Inną osobą był Anglik Charles Parsons, syn Lorda Rossa.

Charles Algernon Parsons

Charles Parsons urodził się w 1854 roku i otrzymał klasyczne wykształcenie angielskiego na Uniwersytecie Cambridge. Jako zawód wybrał inżynierię mechaniczną i od 1976 roku rozpoczął pracę w zakładzie Armstrong w Newcastle. Talent i pomysłowość projektanta w połączeniu z zasobami finansowymi jego rodziców pozwoliły Parsonsowi szybko zostać szefem własnego biznesu. Już w 1883 roku był współwłaścicielem firmy Clark, Chapman, Parsons and Co., a w 1889 roku właścicielem własnej fabryki turbobudów i prądnic w Giton.

Parsons zbudował pierwszą wielostopniową turbinę parową typu strumieniowego w 1884 roku. W ogóle nie była przeznaczona do napędzania separatorów o stosunkowo małej mocy, ale do pracy w połączeniu z generatorem elektrycznym. Tak więc już od pierwszego kroku Parsons prawidłowo przewidział jeden z najbardziej obiecujących obszarów zastosowania. turbiny parowe, aw przyszłości nie musiał szukać konsumentów dla swojego wynalazku. W celu zrównoważenia siły osiowej para doprowadzana była do środka wału turbiny, a następnie przepływała do jego końców. Pierwsza turbina parowa Parsonsa miała tylko 6 KM. i został poddany różnym testom. Głównymi trudnościami było opracowanie racjonalnej konstrukcji ostrzy i sposobów ich mocowania w tarczy, a także zapewnienie uszczelek. Już w projekcie z 1887 roku Parsons zastosował uszczelnienia labiryntowe, które umożliwiły przejście do turbin z jednokierunkowym przepływem pary. Do 1889 roku liczba zbudowanych turbin przekroczyła 300 jednostek, ich moc nie osiągnęła jeszcze 100 KM. z prędkością około 5000 obr./min. Takie turbiny służyły głównie do napędzania generatorów elektrycznych.

Relacje między partnerami w Clark, Chapman, Parsons & Co. nie były bezchmurne, a Parsons został zmuszony do odejścia, pozostawiając dawni współpracownicy oraz część praw autorskich formalnie należących do firmy. W związku z tym na długi czas zrezygnował z tworzenia turbin aktywnych (chronionych patentem) i przeszedł do rozwoju turbin promieniowych wielostopniowych. Ulepszając ten typ, projektantowi udało się osiągnąć imponujące rezultaty. Tak, zredukował określone zużycie pary od 44 do 12,7 kg/kWh, ale jednocześnie zdałem sobie sprawę, że poprzedni typ turbiny osiowej był jeszcze bardziej obiecujący. Począwszy od 1894 roku, po przywróceniu praw do patentu, Parsons ponownie zaczął zajmować się właśnie takimi turbinami.

W swojej fabryce testował najwięcej różne materiały do łopatek turbin, ale opierał się na brązie dla pary nasyconej i umiarkowanie przegrzanej, czystej miedzi dla części wysokociśnieniowej i brązu niklowego dla pary silnie przegrzanej. Ponadto przeprowadzono głębokie badania w celu stworzenia racjonalnej konstrukcji regulatora pary. Aby poprawić dokładność, Parsons zastosował zasadę przerywanego podawania przekaźnika, aby zmniejszyć tarcie. Równolegle wprowadzono inne usprawnienia, które łącznie doprowadziły do ​​obniżenia jednostkowego zużycia pary do 9,2 kg/kWh dla turbiny o mocy 400 kW wyprodukowanej w 1896 roku.

Turbina parowa jest głównym zespołem technologicznym elektrowni, w którym energia wewnętrzna pary zmagazynowanej podczas jej wytwarzania zamieniana jest na energię mechaniczną obrotu wirnika. W przeciwieństwie do silnika parowego, który bezpośrednio zamienia energię wewnętrzną pary na pracę poruszającego się tłoka za pomocą sił sprężystości pary, turbina parowa za pomocą łopatek dyszy najpierw przekształca energia wewnętrzna para wodna w energię kinetyczną przepływu płynu roboczego, a następnie ostatnia w energię mechaniczną obracającego się wirnika. Termin „turbina” pochodzi od francuskie słowo„turbina”, która wywodzi się z łacińskiego „turbo” – trąba powietrzna, obracająca się z dużą prędkością, po raz pierwszy użyta przez Bohatera Aleksandrii przy opisie zasady ruchu „eolipila”.

Stworzenie turbiny parowej wymagało głębokiej znajomości właściwości fizycznych pary i praw jej upływu. Konieczne było dokończenie formułowania praw termodynamiki i znalezienie nowych rozwiązania inżynierskie do produkcji prac wykorzystujących właściwości cieplne wody i pary. Produkcja turbiny stała się możliwa na odpowiednio wysokim poziomie rozwoju technologii obróbki metali, ponieważ niezbędna dokładność w uzyskaniu poszczególnych części oraz wytrzymałość elementów musiała być znacznie wyższa niż w przypadku silnika parowego.

Słowacki inżynier i ciepłownik zauważył Aurel Stodola cała linia Przewaga turbiny parowej nad silnikami wewnętrzne spalanie i silniki parowe. Do zalet tych można zaliczyć: niewiele części ruchomych, brak wszelkiego rodzaju uszczelnień stykowych oraz trudności związane z zapewnieniem ich niezawodnej pracy (układy smarowania, problemy z zacieraniem się itp.), mała ilość urządzeń produkcyjnych potrzebnych do rozmieszczenia urządzeń, zalety w regulacji, stosunkowo niska koszty naprawy. Dziś kolejna niepodważalna zaleta stała się oczywista – ogromna moc jednostkowa, sięgająca dziś półtora miliona kilowatów, która jest po prostu nieosiągalna ani w silnikach spalinowych, ani parowych.

Aurel Stodola (1859–1942) w 1878 r. ukończył Politechnikę w Budapeszcie, aw 1881 r. Wyższą Szkołę Techniczną w Zurychu. Od 1892 do 1929 - Profesor Wydziału Mechanicznego w tym instytucja edukacyjna. Jego główna praca jest poświęcona automatyczna regulacja, projektowanie i obliczenia wytrzymałościowe części turbin parowych i gazowych. Wysoko ciekawa charakterystyka Albert Einstein przekazał Stodole: „Gdyby Stodola urodził się w renesansie, byłby wielkim artystą lub rzeźbiarzem, ponieważ główną cechą jego osobowości jest siła fantazji i tworzenia. W XIX wieku takie natury najczęściej zwracały się ku technologii. Tu, w technice, znalazła swój wyraz twórcza moc stulecia, tu namiętne pragnienie pięknych odnalezionych sposobów ucieleśnienia, przewyższające wszystko, co może zaoferować osoba nieznająca tej dziedziny. Potężny impuls Stodoły nie ostygł przez wiele lat nauczania i przeszedł na uczniów - ich oczy błyszczą, gdy rozmawiamy o nauczycielu. Inną mocną stroną Stodoli jest jego niespokojna ciekawość i rzadko spotykana jasność naukowego myślenia”. Pierwszy silnik turbiny parowej został opatentowany przez amerykańskiego inżyniera marynarki, admirała Benjamina Franklina Ezerwooda (1822-1915) w 1857 roku. Po opracowaniach inżynieryjnych przeprowadzonych w 1870 r. kilka takich instalacji turbin parowych opartych na jednostopniowej turbinie zostało umieszczonych na fregatach wojskowych i umożliwiło zapewnienie ich stosunkowo dużej prędkości (do 33 km/h). Jednak te PTU okazały się zbyt skomplikowane w produkcji i nie bardziej wydajne (sprawność 6–8%) niż silniki parowe. W latach 1883-1885 Po raz pierwszy prymitywne turbiny parowe zastosowano również w tartakach we wschodnich Stanach Zjednoczonych do napędzania pił tarczowych.

Powstanie nowoczesnych turbin parowych wiąże się z nazwiskami wybitnych inżynierów XIX wieku: Szweda G. Lavala i Anglika C. Parsonsa.

Główną zaletą Lavala jest to, że był w stanie stworzyć podstawowe elementy turbiny, doprowadzić je do perfekcji i połączyć w wykonalny projekt, który pod wieloma względami wyprzedził swoje czasy o kilkadziesiąt lat. Jeśli porównamy współczesną jednostopniową turbinę aktywną z jej prababką, stworzoną przez Lavala (ryc. 3.2), uderzy nas ich podobieństwo. Okazuje się, że przez ponad 100 lat doskonalenia w jednym z najbardziej dynamicznych obszarów techniki kształt dysz, łopatek i tarcz turbin ulegał na ogół niewielkim zmianom. To chyba bezprecedensowy przypadek w historii techniki. Ponadto wskaźnik związany z wytrzymałością konstrukcji.

Carl Gustav Patrick de Laval Ciekawą cechą twórczości Lavala (1845-1913) można uznać jego „nagi empiryzm”: stworzył całkiem wykonalne konstrukcje, których teorię rozwinęli później inni. Tak więc słowacki naukowiec A. Stodola dogłębnie przestudiował teorię giętkiego wału. Usystematyzował także główne zagadnienia obliczania wytrzymałości tarcz turbin o jednakowej rezystancji. To właśnie brak dobrej teorii turbin parowych nie pozwolił Lavalowi osiągnąć wielkiego sukcesu, poza tym był osobą, która lubiła i łatwo przechodziła z jednego tematu na drugi. Zaniedbując finansową stronę sprawy, ten utalentowany eksperymentator, nie mając czasu na wdrożenie kolejnego wynalazku, szybko stracił zainteresowanie nim, porwany nowym pomysłem.

Inną osobą był angielski inżynier Charles Algernon Parsons (1854-1931). W jego wielostopniowej turbinie strumieniowej (rys. 3.3) rozprężanie pary zachodziło w kilku stopniach kraty dyszowej (stacjonarnej) i roboczej (obrotowej). Dzięki temu możliwe stało się eksploatowanie maszyny ze znacznie mniejszymi prędkościami pary na wylocie z rusztów dyszowych oraz z mniejszymi prędkościami obwodowymi łopatek wirnika niż w turbinie Lavala.

Turbina ta została zaprojektowana do pracy w połączeniu z generatorem elektrycznym. W ten sposób już od pierwszego kroku Parsons trafnie przewidział jeden z najbardziej obiecujących obszarów zastosowania turbin parowych iw przyszłości nie musiał szukać odbiorców dla swojego wynalazku. W celu zrównoważenia siły osiowej, para była doprowadzana do środkowej części wału turbiny, a następnie dopływała do jego końców. Pierwsza turbina parowa Parsonsa miała tylko 6 KM. (około 4,4 kW) i został poddany różnym testom. Głównymi trudnościami było opracowanie racjonalnej konstrukcji łopatek i sposobów ich mocowania w wirniku, a także zapewnienie uszczelek. Już w projekcie z 1887 roku Parsons zastosował uszczelnienia labiryntowe, które umożliwiły przejście do turbin z jednokierunkowym przepływem pary. Do 1889 roku liczba zbudowanych turbin przekroczyła 300 jednostek i służyły one głównie do napędzania generatorów elektrycznych. W turbinie wyprodukowanej w 1896 r. moc osiągnęła już 400 kW, a jednostkowe zużycie pary osiągało 9,2 kg/kW.

Budowa turbin energetycznych rozwijała się głównie w kierunku wykorzystania pary wysokoprężnej. Dla elektrowni w Mannheim zakład Brown-Boveri wyprodukował turbinę o mocy 7000 kW przy ciśnieniu pary 15,7 MPa i temperaturze 430°C. Dla turbiny parowej budowanej dla elektrowni Langerbrugge parametry pary zostały wybrane jeszcze wyższe: ciśnienie 22 MPa i temperatura 450°C.

W USA GE (General Electric) w Schenectady po ograniczeniu ciśnienia do 84 atm (8,2 MPa) zaczął energicznie zwiększać wydajność pojedynczej jednostki. Na początku XX wieku opracowano i wyprodukowano turbiny o mocy 500, 1000, 2500 i 10 000 kW. Początkowo turbiny te były produkowane w układzie pionowym. Jednak doświadczenie eksploatacyjne zmusiło firmę do porzucenia układu pionowego i przejścia na układ turbiny poziomej. Przez długi czas firma produkowała turbiny do pracy w trybie kondensacyjnym o mocy do 14 000 kW oraz z przeciwciśnieniem - do 8 000 kW.

Charlesa Algernona Parsonsa. Dzięki pracy Charlesa Parsonsa i jego współpracowników Anglia wyprzedziła całą planetę w wykorzystaniu turbin parowych: jeśli w innych krajach tylko przyjrzeć się turbinom parowym, to w Wielkiej Brytanii łączna moc wszystkich zbudowanych turbin parowych 1896 przekroczył 40 000 KM. (29420 kW). W 1899 roku podjęto decyzję o zastosowaniu dwóch turbin Parsonsa o mocy 1000 kW każda w budowanej elektrowni Elberfeld (Niemcy). Wyniki testów turbin opublikowanych w 1900 r. wykazały niezaprzeczalne zalety zastosowane instalacje w porównaniu z tradycyjnymi „parownicami”. Wkrótce jedna z najlepszych ówczesnych firm elektrotechnicznych Brown-Boveri w Baden (Szwajcaria) uzyskała licencję na produkcję turbin Parsonsa. Co więcej, propozycje zakupu licencji zaczęły rosnąć jak śnieżka: oprócz Niemców zainteresowanie turbinami wykazali Włosi i Amerykanie (w szczególności firma Westinghouse). Turbiny zaczęto produkować w Szwajcarii, Francji, Austro-Węgrzech. Jeśli w 1903 r. maksymalna moc turbiny wynosiła 6500 kW, to w 1909 r. pojawiły się jednostki o mocy 10 000 kW, w 1915 r. – 20 000 kW, a w 1917 r. – 30 000 kW. W towarzystwie „ojców założycieli” turbobuildingu pojawiły się nazwiska Francuza O. Rato i Amerykanina C. Curtisa. Ale Parsons wszedł do historii technologii turbinowej jako gwiazda pierwszej wielkości: oprócz problemów czysto „turbinowych” podjął się (i skutecznie rozwiązał) zadanie wprowadzenia nowego silnika do floty.

Kiriłłow Iwan Iwanowicz (1902–1993) to jeden z największych badaczy turbin, którego nazwisko słusznie wpisane jest złotymi literami w historii światowej nauki o turbinach obok nazwisk L. Eulera, A. Stodoły i G. Flügela. Urodził się w 1902 roku w Petersburgu w rodzinie lekarza wojskowego. Po ukończeniu Leningradzkiego Instytutu Technologicznego w 1924 r. Kiriłłow już w latach trzydziestych zadeklarował się jako poważny specjalista w dziedzinie obliczeń i projektowania turbin parowych, a do początku II wojny światowej był uznanym naukowcem, dobrze znanym wśród kolegów operatorów turbin. W latach 1945-1950, a następnie 1961-1980. Kierownik Katedry Turbin Parowych i Maszyn Leningradu instytut politechniczny. W latach 1951-1961 organizuje Katedrę Inżynierii Turbin w Briańskim Instytucie Inżynierii Transportu i jest jej kierownikiem. I.I. Kirillov jest autorem 25 monografii, podręczników i pomoc naukowa, ponad 350 artykułów w czasopismach krajowych i zagranicznych, 80 wynalazków.

Druga północnoamerykańska firma energetyczna Westinghouse (Westinghoyse) w latach 20. XX wieku również zaczęła produkować turbiny parowe o mocy jednostkowej 30, 45 i 60 tys. kW.

Na początku lat trzydziestych XX wieku uruchomiono w Stanach Zjednoczonych ogromne elektrownie z turbinami parowymi o mocy bloku 160, a nawet 208 MW. Europejczycy ograniczyli się do znacznie niższych wartości mocy jednostkowych przemysłowych turbin parowych. Za jedną z największych uznano instalację w Vitkovicach (Czechy), wyposażoną w dwie turbiny o mocy 30 i 18 MW. Prędkość obrotową tych jednostek przyjęto na 3000 obr/min, co determinowała przyjęta w Europie częstotliwość prądu przemiennego (50 Hz). Należy zauważyć, że w USA turbiny parowe miały prędkość 1800 lub 3600 obr/min ze względu na „amerykańską” częstotliwość prądu przemiennego wynoszącą 60 Hz.

Zhiritsky Georgy Sergeevich (1893–1966) jest znanym naukowcem zajmującym się turbinami, który nie tylko stworzył podstawowe podstawy edukacji inżynierskiej w zakresie maszyn wirnikowych, ale także wyszkolił wielu inżynierów, młodych naukowców i nauczycieli. W 1911 ukończył ze złotym medalem I Gimnazjum Kijowskie, aw 1915 ukończył Wydział Mechaniczny Kijowskiego Instytutu Politechnicznego. G.S. Żyritski w 1918 roku został nauczycielem w Kijowskim Instytucie Politechnicznym i łączy pracę inżyniera z nauczaniem. Już w 1925 uzyskał aprobatę profesora kursu parowozów. Monografia Zhiritsky'ego „Steam Engines” jest wyczerpana i doczekała się pięciu wydań. W 1926 został mianowany dziekanem Wydziału Mechanicznego i kierownikiem Katedry Maszyn Parowych Kijowskiego Instytutu Politechnicznego. W 1929 r. kierował katedrą turbin parowych w Wyższej Szkole Technicznej im. NE Baumana, wydał dwutomowy podręcznik turbin parowych z systematyczną prezentacją teorii i konstrukcji turbin parowych. Pod jego kierownictwem w latach 1930-1932. w Moskiewskim Instytucie Energetycznym utworzono katedrę turbin parowych oraz utworzono wydział elektrociepłowni. W 1947 Georgy Sergeevich tworzy i stale kieruje działem maszyn ostrzowych w Kazańskim Instytucie Lotniczym do 1965 roku.

Shcheglyaev Andrey Vladimirovich (1902–1970) – wybitny inżynier i naukowiec energetyki cieplnej, członek korespondent Akademii Nauk ZSRR. W 1921 A.V. Shcheglyaev studiował na Moskiewskim Państwowym Uniwersytecie Technicznym na Wydziale Mechanicznym, aw 1926 roku ukończył instytut i po otrzymaniu tytułu inżyniera mechanika kontynuował pracę w VTI, łącząc działalność inżynierska nauczycielem pedagogicznym w Moskiewskiej Wyższej Szkole Technicznej, a od 1930 w MPEI. Inżynieria i działalność naukowa Andrey Vladimirovich Shcheglyaev był nierozerwalnie związany z rozwojem i ulepszaniem nowych elektrowni cieplnych ZSRR, z tworzeniem nowoczesnych potężnych elektrowni turbinowych na nadkrytyczne parametry pary, ze zwiększeniem niezawodności i sprawności turbin, z ich automatyzacją. Od 1937 na stałe kierował Zakładem Turbin Parowych i Gazowych w MPEI, który pod jego kierownictwem urósł do rangi ważnego ośrodka edukacyjnego i naukowego. Stworzył naukową szkołę turbinowców, której wielu przedstawicieli pracuje w elektrowniach turbinowych, w systemach elektroenergetycznych, instytucje naukowe Rosja i za granicą. AV Shcheglyaev jest autorem ponad 100 prac dotyczących teorii i projektowania urządzeń turbinowych dla elektrociepłowni. Jego książki Steam Turbine Regulation and Steam Turbines (przetłumaczone na bułgarski, chiński, gruziński, czeski, węgierski, japoński, hiszpański) to popularne podręczniki dla studentów kierowców turbin.

Shubenko-Shubin Leonid Aleksandrovich (1907–1994) – słynny inżynier, pedagog, elektroenergetyk, akademik Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, twórca szkoła naukowa w rozwiązywaniu zagadnień optymalizacji procesów i konstrukcji maszyn wirnikowych, inicjator utworzenia Centralnego Biura Projektowo-Badawczego w Charkowskich Zakładach Turbin, kierownik ds. tworzenia unikalnych krajowych zespołów turbinowych. Przeprowadził głębokie teoretyczne studium problematyki tworzenia potężnych turbin parowych, gazowych i specjalnych, autor ponad 200 drukowanych artykułów naukowych. Budowę prowadziły firmy Laval (Szwecja), Brown-Boveri Company (Szwajcaria), AEG (Berlin, Niemcy), Bergman (Berlin, Niemcy), Escher-Vis (Zurych, Szwajcaria), Rato (Francja). ), Skoda (Czechy), Parsons (Anglia), Metropolitan Vickers (Anglia), później CEM i GES-Alstom (Francja). Obecnie budową turbin parowych na świecie zajmują się znane japońskie firmy Mitsubishi, Toshiba, Hitachi, chińskie firmy w Harbin i Nanjing. Niemiecka firma Siemens i francuska firma Alstom.

W ZSRR pierwszą turbinę parową zbudowano w 1924 r. w Leningradzkich Zakładach Metalowych (LMZ). Został zaprojektowany na początkowe parametry pary 1,1 MPa, 300°C i miał moc 2 MW. W 1926 roku wyprodukowano już turbinę o mocy 10 MW przy częstotliwości obrotów 3000 obr/min, w 1930 turbinę o mocy 24 MW przy częstotliwości 3000 obr/min dla początkowych parametrów pary 2,55 MPa i 375°C , aw 1931 d. - turbina o mocy 50 MW z częstotliwością 1500 obr/min dla parametrów pary 2,85 MPa i 400 °C.

W 1934 r. uruchomiono na Ukrainie Charkowską Wytwórnię Turbin (KhTGZ, a obecnie OJSC Turboatom) i rozpoczęto produkcję pierwszych ukraińskich turbin o mocy 50 i 100 MW z częstotliwością 1500 obr/min dla parametrów pary 2,85 MPa i 400°C.

W 1940 roku w Swierdłowsku zbudowano Ural Turbo Engine Plant (UTMZ), który wyprodukował turbiny kogeneracyjne z kontrolowanymi odciągami pary o mocy 12, 25, 50 MW, a później -100 i 250 MW.

W tym okresie rozpoczęła się produkcja turbin o mocy 50 tys. kW - wolnoobrotowych w Charkowie, szybkich w Leningradzie. W 1940 roku LMZ i KhTGZ rozpoczęły produkcję turbin parowych o mocy 100 000 kW. Doświadczenia eksploatacyjne jednostki wolnobieżnej KhTGZ w Zuevskaya GRES okazały się pozytywne. Łączna godziny pracy turbiny AK-100-29 w Zuevskaya GRES kilkakrotnie przekroczyły wyliczony.

Wkład w powstanie i rozwój teorii maszyn wirnikowych, w opracowanie i realizację projektów stacjonarnych instalacji turbin parowych i gazowych przez wybitnych naukowców-turbinistów Kirillova I.I., Uvarova V.V. jest ogromny. (patrz podrozdział 3.6), Zhiritsky G.S., Deycha M.E., Arseneva V.G., Shcheglyaeva A.V., ShubenkoShubina L.A., Shnee Ya.I., Kosyaka Yu.F. i inne Znane są prace zagranicznych naukowców B. Eckerta, K. Bammerta, W. Hawthorne'a, J. Horlocka, V. Traupela, Wu Chung-Hua i innych.

Od 1946 roku fabryki rozpoczęły produkcję turbin wysokociśnieniowych na parametry pary 8,8 MPa, 500°C o mocy 25, 50 i 100 MW z częstotliwością 3000 obr/min. W 1952 roku LMZ wyprodukowała turbinę o mocy 150 MW o parametrach początkowych pary 16,6 MPa, 550°C z przegrzaniem pośrednim do 520°C, która w owym czasie była najpotężniejszą jednostką jednowałową w Europie.

W 1958 roku wyprodukowano prototypowe turbiny LMZ typu K-200-130 i KhTGZ typu K-150130 o mocy 200 i 150 MW na parametry pary 12,8 MPa, 565 °C, a w 1960 - prototypowe turbiny typu LMZ i KhTGZ K-300-240 o mocy 300 MW o parametrach początkowych pary nadkrytycznych 23,5 MPa, 560°C i przegrzaniu pośrednim do 565°C. W 1965 roku na LMZ wyprodukowano turbinę dwuwałową o mocy 800 MW oraz jednowałową o mocy 500 MW dla parametrów pary 23,5 MPa i 540°C z przegrzaniem pośrednim do 540 °C wytworzono w KhTGZ. Od 1969 roku LMZ produkuje turbiny jednowałowe typu K-800-240 o mocy 800 MW na te same parametry pary.

Uralska Fabryka Silników Turbinowych od 1970 roku produkuje turbiny upustowe typu T-250-240 o mocy 250 MW na parametry pary na parametry nadkrytyczne 23,5 MPa, 540°C z przegrzaniem pośrednim do 540°C, które nie mają sobie równych w światowej konstrukcji turbin.

W 1978 roku LMZ wyprodukowała unikalną turbinę jednowałową typu K-1200-240 o mocy 1200 MW przy częstotliwości 3000 obr/min dla parametrów pary początkowej 23,5 MPa, 540°C z przegrzaniem pośrednim do 540 °C, która po wyłączeniu nagrzewnic wysokociśnieniowych ma zwiększyć moc do 1400 MW i jest największą turbiną jednowałową na świecie.

Główne typy turbin parowych i ich parametry

Istnieją następujące główne typy turbin:

• w zależności od ilości kroków - jeden krok (jeden lub więcej stopni prędkości) oraz
• wielostopniowy; w zależności od liczby budynków pojedynczy kadłub, podwójny kadłub(CSVD i LsND) i wielowałowe (CSVD, TsVD, TsSD, TsND), jednowałowe i wielowałowe;
• w zależności od kierunku przepływu pary - osiowe lub osiowe, turbiny, w których para porusza się wzdłuż osi turbiny, turbiny promieniowe, w których para porusza się prostopadle do osi turbiny;
• zgodnie z zasadą działania pary - turbiny aktywne (w których energia potencjalna para zamieniana jest na energię kinetyczną tylko w stałych kratach prowadzących, a w kratach roboczych energia kinetyczna pary zamieniana jest na Praca mechaniczna) turbiny odrzutowe (w których rozprężanie pary zachodzi zarówno w prowadnicach, jak i na rusztach roboczych każdego stopnia w przybliżeniu w tym samym stopniu);
• w zależności od charakteru procesu termicznego - kondensacja turbiny parowe, w których całe natężenie przepływu pary świeżej, z wyjątkiem odciągów regeneracyjnych, przepływając przez drogę przepływu i rozprężając się w niej do ciśnienia mniejszego od ciśnienia atmosferycznego, wchodzi do skraplacza, gdzie oddawane jest ciepło pary odlotowej do wody chłodzącej i nie jest pożytecznie używany, oraz turbiny przeciwprężne, w którym para odlotowa jest wysyłana do odbiorców ciepła wykorzystujących ciepło do celów grzewczych lub przemysłowych; turbiny kondensacyjne z kontrolowanym odciągiem pary, w którym część pary jest pobierana z etapu pośredniego i odprowadzana do odbiorcy ciepła pod automatycznie utrzymywanym stałym ciśnieniem, a pozostała część pary kontynuuje pracę w kolejnych etapach i jest kierowana do skraplacza, a na końcu turbiny z kontrolowanym odciągiem pary i przeciwciśnieniem, w którym część pary pobierana jest pod stałym ciśnieniem z etapu pośredniego, a reszta przechodzi przez kolejne etapy i jest odprowadzana do odbiornika ciepła pod niższym ciśnieniem;
• pod względem parametrów pary świeżej - turbiny średniociśnieniowe (3,43 MPa, 435°С), wysokoprężne (8,8 MPa, 535°С), wysokoprężne (12,75 MPa, 565°С) i nadkrytyczne (23,55 MPa, 560). °C);
• do zastosowania w przemyśle - turbiny typu stacjonarnego o stałej prędkości wirnika (do pracy w elektrowniach) i zmiennej prędkości wirnika (do napędu pomp, sprężarek), a także turbiny typu niestacjonarnego o zmiennej prędkości wirnika (statkowe i transportowe ).

Tabela 3.1 Główne charakterystyki niektórych przegrzanych turbin parowych do 200 MW

CM* - Maszyny energetyczne.

Tabela 3.2 Główne parametry turbin parowych przegrzanych o mocy powyżej 200 MW

W oznaczeniu turbin pierwsza litera określa typ turbiny: K – kondensacyjna, T – kondensacyjna z parą odprowadzającą ciepło, P – z odciągiem pary produkcyjnej dla odbiorcy przemysłowego, PT – z odciągiem pary sterowanej produkcją i ogrzewaniem, P – z przeciwciśnieniem, PR - z selekcją przemysłową i przeciwciśnieniem.

Druga grupa (liczby) w oznaczeniu wskazuje moc turbiny, MW (jeśli ułamek, to licznik jest nominalny, a mianownik to maksymalna moc).

Trzecia grupa (liczby) w oznaczeniu wskazuje początkowe ciśnienie pary przed zaworem odcinającym turbiny, ata (kgf/cm2) lub MPa. Pod linią dla turbin typu P, PT, R i PR jest wskazana ciśnienie nominalne wybór produkcji lub przeciwciśnienie, ata (kgf/cm2) lub MPa. Moc znamionowa odnosi się do maksymalnej mocy, jaką musi rozwinąć turbina. długi czas przy nominalnych wartościach wszystkich innych głównych parametrów, a maksymalna moc to maksymalna moc, którą turbina musi rozwijać przez długi czas przy braku ekstrakcji pary dla zewnętrznych odbiorców ciepła.

Główne cechy i parametry nowoczesnych turbin parowych przegrzanych zainstalowanych w TPP na Ukrainie iw Rosji podano w tabeli. 3.1 i 3.2.

Wyobraź sobie zamknięte metalowe naczynie(kocioł) częściowo wypełniony wodą. Jeśli pod nim zapali się ogień, woda zacznie się nagrzewać, a następnie zagotować, zamieniając się w parę. Ciśnienie wewnątrz kotła wzrośnie, a jeśli jego ściany nie będą wystarczająco mocne, może nawet eksplodować. To pokazuje, że w parze zgromadził się zapas energii, który w końcu przejawił się jako eksplozja. Czy można wykorzystać parę do wykonania jakiejś pożytecznej pracy? To pytanie zajmowało naukowców od bardzo dawna. Historia nauki i techniki wie bardzo dużo ciekawe wynalazki w którym osoba starała się wykorzystać energię pary. Niektóre z tych wynalazków były użyteczne, inne były zwykłymi wynalazkami, ale przynajmniej dwa wynalazki należy nazwać wielkimi; charakteryzują całe epoki rozwoju nauki i techniki. Te wielkie wynalazki to silnik parowy i turbina parowa. Silnik parowy otrzymał Aplikacja na skalę przemysłową w drugiej połowie XVIII wieku dokonał rewolucji technologicznej. Szybko stał się głównym silnikiem wykorzystywanym w przemyśle i transporcie. Ale w późny XIX i początek XX wieku. osiągalna moc i prędkość silnika parowego stały się już niewystarczające.

Istnieje potrzeba budowania dużych Elektrownie, do którego potrzebny był mocny i szybki silnik. Turbina parowa stała się takim silnikiem, który można zbudować dla ogromnej mocy przy dużej prędkości. Turbina parowa szybko zastąpiła silnik parowy z elektrowni i dużych statków parowych.

Historia powstania i udoskonalenia turbiny parowej, jak każdy większy wynalazek, wiąże się z nazwiskami wielu osób. Co więcej, jak to zwykle bywa, podstawowa zasada działania turbiny była znana na długo zanim poziom nauki i techniki pozwolił na budowę turbiny.

Zasada działania silnika parowego polega na wykorzystaniu elastycznych właściwości pary. Para okresowo wchodzi do cylindra i rozszerzając się, działa poprzez ruch tłoka. Zasada działania turbiny parowej jest inna. Tutaj para rozpręża się, a energia potencjalna zgromadzona w kotle jest zamieniana na energię szybkoobrotową (kinetyczną). Z kolei energia kinetyczna strumienia pary zamieniana jest na energię mechaniczną obrotu wirnika turbiny.

Historia rozwoju turbiny zaczyna się od kuli Herona z Aleksandrii i koła Branca. Już ponad 2000 lat temu słynny grecki naukowiec Hero z Aleksandrii zauważył możliwość wykorzystania energii pary do wytwarzania ruchu mechanicznego. Zbudował urządzenie zwane kulą czapli (ryc. 1).

Kula mogła się swobodnie obracać w dwóch wspornikach wykonanych z rurek. Przez te podpory para z kotła wchodziła do kuli, a następnie wychodziła do atmosfery przez dwie rurki wygięte pod kątem prostym. Kula obracała się pod działaniem sił reaktywnych powstających w wyniku wypływu strumieni pary.

Inny projekt opisany jest w pracy włoskiego uczonego Giovanniego Branca (1629). W górnej części kotła wsuwa się rurkę (rys. 2).

Ponieważ ciśnienie pary wewnątrz kotła jest większe niż ciśnienie powietrza atmosferycznego wokół kotła, para wypływa przez rurkę.

Strumień pary wystrzeliwuje z wolnego końca rury i opadając na łopatki koła wprawia je w ruch obrotowy.

Model Herona i koło Branca nie były silnikami, ale wskazywały już możliwe sposoby uzyskania ruchu mechanicznego dzięki energii pary napędzającej.

Istnieje różnica w zasadach działania kuli Herona i koła Branca. Kula czapli, jak już wspomniano, obraca się pod wpływem sił reaktywnych. Są to te same siły, które popychają rakietę. Z mechaniki wiadomo, że strumień wyrzucany z naczynia pod działaniem ciśnienia ze swej strony naciska na naczynie w kierunku przeciwnym do kierunku wypływu. Jest to oczywiste na podstawie trzeciego prawa Newtona, zgodnie z którym siła wypychająca strumień musi być równa i przeciwna do siły reakcji strumienia na naczynie.

W turbinie Branca energia potencjalna pary jest najpierw przekształcana w energię kinetyczną strumienia bijącego z rury. Następnie, gdy strumień uderza w łopatki koła, część energii kinetycznej pary jest przekształcana w energię mechaniczną obrotu koła.

Jeśli kula Herona jest poruszana przez siły reaktywne, to w wirniku Branca stosuje się tak zwaną zasadę aktywną, ponieważ koło czerpie energię z aktywnego strumienia.

Największą zmianę w konstrukcji turbiny parowej i jej dalszym rozwoju zarysowano pod koniec ubiegłego wieku, kiedy w Szwecji inżynier. Gustav Laval i w Anglii Charles Parsons niezależnie rozpoczęli prace nad stworzeniem i udoskonaleniem turbiny parowej. Osiągnięte wyniki pozwoliły, by turbina parowa stała się ostatecznie głównym typem silnika do napędzania generatorów. prąd elektryczny i zdobyć szerokie zastosowanie jako silnik do statków cywilnych i wojskowych. W turbinie parowej Lavala, powstałej w 1883 roku, para wchodzi do jednej lub więcej dysz połączonych równolegle, nabiera w nich znacznej prędkości i kierowana jest na łopatki wirnika znajdujące się na obrzeżu tarczy osadzonej na wale turbiny i tworzącej siatkę kanały robocze.

Siły wywołane obrotem strumienia pary w kanałach rusztu roboczego obracają tarczę i związany z nią wał turbiny. Charakterystyczną cechą tej turbiny jest to, że rozprężanie pary w dyszach od ciśnienia początkowego do końcowego następuje w jednym etapie, co prowadzi do bardzo dużych prędkości przepływu pary. Przekształcenie energii kinetycznej pary w energię mechaniczną następuje bez dalszego rozprężania pary, tylko dzięki zmianie kierunku przepływu w kanałach łopatek.

Turbiny budowane według tej zasady, tj. Turbiny, w których cały proces rozprężania pary i związane z tym przyspieszenie przepływu pary odbywa się w dyszach stałych, nazywane są turbinami aktywnymi.

Opracowując aktywne turbiny jednostopniowe, liczba trudne pytania, co było niezwykle bardzo ważne do dalszego rozwoju turbin parowych. Zastosowano dysze rozprężne, które pozwalają na większy stopień rozprężania pary i pozwalają na osiągnięcie dużych prędkości przepływu pary (1200-1500 m/s). Aby lepiej wykorzystać duże natężenia przepływu pary, firma Laval opracowała konstrukcję dysku o równym oporze, która umożliwia pracę przy dużych prędkościach obwodowych (350 m/s). Ostatecznie tak wysokie prędkości (do 32 000 obr./min) zastosowano w jednostopniowej aktywnej turbinie, znacznie przekraczając prędkości ówczesnych silników. Doprowadziło to do wynalezienia giętkiego wału, częstotliwości swobodne wibracje która jest mniejsza niż częstotliwość sił zakłócających przy prędkości roboczej.

Pomimo szeregu nowych rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w jednostopniowych turbinach aktywnych, ich sprawność była niska. Ponadto konieczność zastosowania przekładni redukcyjnej w celu zmniejszenia prędkości wału napędowego do prędkości maszyny napędzanej również hamowała rozwój turbin jednostopniowych w tym czasie, a zwłaszcza wzrost ich mocy. W związku z tym turbiny Lavala, które otrzymały znaczny rozkład na początku rozwoju konstrukcji turbin jako jednostki, nie duża moc(do 500 kW), później ustąpiły innym typom turbin.

Turbina parowa, zaproponowana w 1884 r. przez Parsonsa, zasadniczo różni się od turbiny Lavala. Rozprężanie pary odbywa się w nim nie w jednej grupie dysz, ale w kilku kolejnych etapach, z których każdy składa się ze stałych łopatek kierujących (szeregów dysz) i obracających się łopatek.

Łopatki kierujące są zamocowane w stacjonarnej obudowie turbiny, łopatki robocze ustawione są rzędami na bębnie. Na każdym stopniu takiej turbiny wytwarzana jest różnica ciśnień, która stanowi tylko niewielki ułamek całkowitej różnicy ciśnień między ciśnieniem świeżej pary a ciśnieniem pary opuszczającej turbinę. Tym samym okazało się, że możliwa jest praca z małymi przepływami pary na każdym stopniu oraz z mniejszymi prędkościami obwodowymi łopatek wirnika niż w turbinie Lavala. Ponadto rozprężanie pary w stopniach turbiny Parsonsa następuje nie tylko w dyszy, ale także w siatce roboczej. W związku z tym na łopatki wirnika przenoszone są siły wywołane nie tylko zmianą kierunku przepływu pary, ale również przyspieszeniem pary w obrębie rusztu roboczego, co powoduje powstanie siły reakcji na łopatki wirnika turbiny.

Stopnie turbiny wykorzystujące rozprężanie pary i związane z tym przyspieszenie przepływu pary w kanałach łopat wirnika nazywane są stopniami odrzutowymi. Tak więc pokazano na ryc. 4 turbina była typowym przedstawicielem wielostopniowych odrzutowych turbin parowych.

Zasada sekwencyjnego łączenia stopni, z których każdy wykorzystuje tylko część dostępnej różnicy ciepła, okazała się bardzo owocna dla dalszego rozwoju turbin parowych. Umożliwiło to uzyskanie wysokiej sprawności w turbinie przy umiarkowanych prędkościach wirnika turbiny, umożliwiając bezpośrednie połączenie wału turbiny z wałem prądnicy elektrycznej. Ta sama zasada umożliwiła produkcję turbin o bardzo dużej mocy, sięgającej kilkudziesięciu, a nawet setek tysięcy kilowatów w jednym urządzeniu.

Wielostopniowe turbiny odrzutowe są obecnie szeroko stosowane, zarówno w instalacjach stacjonarnych, jak i we flocie.

Rozwój aktywnych turbin parowych szedł również drogą sekwencyjnego rozprężania pary nie w jednym, ale w kilku etapach, które następują jeden po drugim. W tych turbinach szereg tarcz zamontowanych na wspólny wał, jest podzielony przegrodami, zwanymi przeponami, w których znajdują się stałe układy dysz. W każdym z tak skonstruowanych etapów para rozpręża się w granicach ułamka całkowitej dostępnej straty ciepła. W rusztach roboczych przetwarzana jest tylko energia kinetyczna strumienia pary bez dodatkowego rozprężania pary w kanałach łopatek roboczych. Turbiny aktywne wielostopniowe znajdują szerokie zastosowanie w instalacjach stacjonarnych, znajdują również zastosowanie jako silniki okrętowe.

Wraz z turbinami, w których para porusza się w kierunku osi wału turbiny (osiowym), powstały konstrukcje turbin promieniowych, w których para przepływa w płaszczyźnie prostopadłej do osi turbiny. Z tych ostatnich najciekawsza jest turbina promieniowa zaproponowana w 1912 roku w Szwecji przez braci Jungstrom.

Ryż.

1,2 - tarcze turbiny; 3 - rurociągi pary pod napięciem; 4, 5 - wały turbiny; 6, 7 - ostrza stopni pośrednich

Na bocznych powierzchniach tarcz 1 i 2 łopatki stopni strumieniowych są usytuowane w pierścieniach o stopniowo zwiększającej się średnicy. Para doprowadzana jest do turbiny przewodami 3, a następnie przez otwory w tarczach 1 i 2 kierowana jest do komory centralnej. Stąd płynie na obrzeże kanałami ostrzy 6 i 7, zamontowanych na obu dyskach. W przeciwieństwie do konwencjonalnych konstrukcji turbina Jungström nie ma stałych układów dysz ani łopatek kierujących. Obydwa tarcze obracają się w przeciwnych kierunkach, tak że moc wytwarzana przez turbinę musi być przekazywana przez wały 4 i 5. Zasada przeciwbieżnych obrotów wirników pozwala na wykonanie turbiny bardzo zwartej i ekonomicznej.

Od początku lat 90. rozwój turbin parowych przebiega wyjątkowo szybko. Ten rozwój był w dużej mierze zdeterminowany przez ten sam szybki rozwój równoległy maszyny elektryczne oraz powszechne wprowadzanie energii elektrycznej do przemysłu. Sprawność turbiny parowej i jej moc w jednym bloku osiągnęły wysokie wartości. Pod względem mocy turbiny bez wyjątku przewyższały moc wszystkich innych typów silników. Istnieją turbiny o mocy 500 MW związane z generatorem prądu elektrycznego i udowodniono możliwość wykonania jeszcze mocniejszych jednostek, co najmniej do 1000 MW.

W rozwoju konstrukcji turbin parowych można zauważyć kilka etapów, które wpłynęły na konstrukcję turbin budowanych w różnych okresach czasu.

W okresie przed wojną imperialistyczną 1914 r. poziom wiedzy w zakresie eksploatacji metali w wysokich temperaturach był niewystarczający do stosowania pary o wysokich ciśnieniach i temperaturach. Dlatego do 1914 roku budowano turbiny parowe głównie do pracy z parą o umiarkowanym ciśnieniu (12 – 16 bar), o temperaturze do 350°C.

W odniesieniu do zwiększenia wydajności pojedynczej jednostki, już w okres początkowy Poczyniono ogromne postępy w rozwoju turbin parowych.

W 1915 roku moc poszczególnych turbin osiągnęła już 20 MW. W okresie powojennym, począwszy od 1918-1919, utrzymuje się tendencja do zwiększania władzy. Jednak w przyszłości projektanci turbin postawili sobie za zadanie zwiększenie nie tylko mocy bloku, ale także liczby obrotów turbin dużej mocy, gdy były one wykonywane z jednym generatorem prądu elektrycznego.

Najpotężniejszą turbiną szybkoobrotową na świecie w swoim czasie (1937) była turbina Leningradu zakład metalowy, zbudowany na 100 MW przy 3000 obr./min.

W okresie przed wojną imperialistyczną 1914 r. fabryki turbin produkowały w większości turbiny o ograniczonej liczbie stopni umieszczonych w jednej obudowie turbiny. Dzięki temu turbina była bardzo kompaktowa i stosunkowo tania. Po wojnie z 1914 r. napięcie w dostawach paliwa, które wystąpiło w większości krajów, wymagało wszechstronnego zwiększenia sprawności zespołów turbinowych.

Stwierdzono, że maksymalną sprawność turbiny można osiągnąć przez zastosowanie niewielkich różnic cieplnych na każdym stopniu turbiny i odpowiednio budowanie turbin o dużej liczbie stopni. W związku z tym trendem powstawały konstrukcje turbin, które nawet przy umiarkowanych parametrach pary świeżej miały niezwykle dużą liczbę stopni, sięgającą 50 – 60.

Duża ilość stopni powodowała konieczność tworzenia turbin z kilkoma obudowami, nawet gdy turbina była podłączona do jednego generatora elektrycznego.

W ten sposób zaczęły się rozprzestrzeniać turbiny dwu- i trzykadłubowe, które jako bardzo ekonomiczne były bardzo drogie i nieporęczne.

W dalszym rozwoju konstrukcji turbiny nastąpił również znany odwrót w tej materii w kierunku uproszczenia konstrukcji turbiny i zmniejszenia liczby jej stopni. Turbiny o mocy do 50 MW przy 3000 obr/min budowano dość długo tylko z dwoma obudowami. Najnowsze turbiny kondensacyjne tej mocy, produkowane przez zaawansowane fabryki, budowane są jako jednokadłubowe.

Równolegle z udoskonaleniami konstrukcyjnymi turbin średniociśnieniowych (20 - 30 bar) w okresie od 1920 do 1940 zaczęły się upowszechniać bardziej ekonomiczne instalacje wysokociśnieniowe, osiągające 120 - 170 bar.

Zastosowanie pary o wysokich parametrach, która znacząco podnosi sprawność elektrowni turbinowej, wymagało nowych rozwiązań w zakresie projektowania turbin parowych. Poczyniono znaczne postępy w stosowaniu stali stopowych, które charakteryzują się dostatecznie wysoką granicą plastyczności i niskimi szybkościami pełzania w temperaturach 500-550°C.

Wraz z rozwojem turbin kondensacyjnych, już na początku tego stulecia zaczęto wykorzystywać instalacje do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, co wymagało budowy turbin z przeciwciśnieniem i pośrednim wyciągiem pary. Pierwsza turbina ze stałą regulacją ciśnienia pary upustowej została zbudowana w 1907 roku.

Warunki gospodarka kapitalistyczna utrudniają jednak wykorzystanie wszystkich zalet skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Rzeczywiście, pojemność zużycie ciepła za granicą w większości przypadków ogranicza się do zużycia przedsiębiorstwa, w którym zainstalowana jest turbina. Dlatego turbiny pozwalające na wykorzystanie ciepła pary odlotowej są najczęściej budowane za granicą o małych mocach (do 10–12 MW) i są obliczone na dostarczanie ciepła i energia elektryczna tylko pojedyncze przedsiębiorstwo przemysłowe. Charakterystyczne, że największe (25 MW, a następnie 50 i 100 MW) turbiny parowe zostały zbudowane w Związku Radzieckim, od czasu planowanej rozbudowy Gospodarka narodowa tworzy korzystne warunki do skojarzonego wytwarzania ciepła i energii.

W okresie powojennym we wszystkich rozwiniętych technicznie krajach Europy, a także w USA obserwuje się coraz szybszy rozwój energetyki, co prowadzi do coraz większego wzrostu mocy bloków energetycznych. Jednocześnie istnieje tendencja do stosowania coraz wyższych parametrów początkowych pary.

Turbiny kondensacyjne jednowałowe osiągają moc 500 - 800 MW, a przy konstrukcji dwuwałowej zbudowano już elektrownie o mocy 1000 MW.

Wraz ze wzrostem mocy wskazane było również zwiększenie początkowych parametrów pary, które sukcesywnie dobierano na poziomie 90, 130, 170, 250 i finalnie 350 bar, przy jednoczesnym zwiększeniu temperatur początkowych, które wyniosły 500, 535, 565, 590, a w niektórych przypadkach nawet do 650°C. Należy mieć na uwadze, że w temperaturach przekraczających 565 °C muszą być stosowane bardzo drogie i gorzej przebadane stale klasy austenitycznej. Doprowadziło to do tego, że w ostatnim czasie pojawiła się tendencja do pewnych odchyleń w zakresie temperatur, wykluczających konieczność stosowania stali austenitycznych tj. temperatury na poziomie 540°C.

Duże znaczenie dla rozwoju turbin niska moc aw szczególności dla rozwoju okrętowych turbin parowych miał sukcesy osiągnięte w latach 1915-1920. w zakresie budowy reduktorów. Do tego czasu turbiny okrętowe były wykonywane z liczbą obrotów równą liczbie obrotów śmigła, tj. 300 - 500 obr/min, co obniżyło wydajność instalacji i doprowadziło do dużych gabarytów i ciężarów turbin.

Od czasu osiągnięcia pełnej niezawodności i wysokiej sprawności w pracy reduktorów, turbiny okrętowe wyposażone są w napędy zębate i pracują z podwyższoną prędkością, która odpowiada najkorzystniejszym warunkom pracy turbiny.

W przypadku stacjonarnych turbin o małej mocy celowe okazało się również zastosowanie przekładni zębatej między turbiną a generatorem. Największa możliwa liczba obrotów przy bezpośrednim połączeniu wałów turbiny z 50-okresowym alternatorem to 3000 obr/min. Przy mocach poniżej 2,5 MW prędkość ta jest niekorzystna dla turbiny kondensacyjnej. Wraz z rozwojem inżynierii przekładni stało się możliwe wytwarzanie turbin o wyższych prędkościach (5000-10000 obr/min), co pozwoliło na zwiększenie wydajności turbin o małej mocy, a co najważniejsze, na zmniejszenie ich rozmiarów i uproszczenie konstrukcji.

Wynalazek turbin parowych.

Wraz z turbinami hydraulicznymi opisanymi w jednym z poprzednich rozdziałów, duże znaczenie dla energetyki i elektryfikacji miał wynalezienie i dystrybucja turbin parowych. Zasada ich działania była zbliżona do hydraulicznych, z tą różnicą, że turbina hydrauliczna napędzana była strumieniem wody, a turbina parowa strumieniem nagrzanej pary. W ten sam sposób, w jaki turbina wodna stanowiła nowe słowo w historii silników wodnych, silnik parowy zademonstrował nowe możliwości silnika parowego.

Stara maszyna Watta, która obchodziła swoje stulecie w trzeciej ćwierci XIX wieku, miała niską sprawność, ponieważ ruch obrotowy okazało się to w skomplikowany i irracjonalny sposób. W rzeczywistości, jak pamiętamy, para nie poruszała tu samym obracającym się kołem, ale wywierała nacisk na tłok, od tłoka przez korbowód, korbowód i korbę, ruch był przenoszony na wał główny. W wyniku licznych transferów i przekształceń ogromna część energii otrzymanej ze spalania paliwa w pełnym tego słowa znaczeniu wypłynęła do rury bez żadnych korzyści. Niejednokrotnie wynalazcy próbowali zaprojektować prostszą i bardziej ekonomiczną maszynę - turbinę parową, w której strumień pary bezpośrednio obracałby wirnik. Proste obliczenia wykazały, że powinna mieć sprawność o kilka rzędów wielkości wyższą niż maszyna Watta. Jednak na drodze myśli inżynierskiej było wiele przeszkód. Aby turbina naprawdę stała się bardzo wydajnym silnikiem, wirnik musiał obracać się z bardzo wysoka prędkość wykonując setki obrotów na minutę. Przez długi czas nie można było tego osiągnąć, ponieważ nie wiedzieli, jak nadać strumieniowi pary odpowiednią prędkość.

Pierwszy ważny krok w rozwoju nowego środki techniczne, który wyparł silnik parowy, został wykonany przez szwedzkiego inżyniera Carla Gustava Patricka Lavala w 1889 roku. Turbina parowa Lavala jest kołem z łopatkami. Powstający w kotle strumień wody wyrywa się z rury (dyszy), naciska na łopatki i kręci kołem. Eksperymentując z różnymi dziennymi rurami parowymi, projektant doszedł do wniosku, że powinny one mieć kształt stożka. Tak powstała używana do naszych czasów dysza Lavala.

Dopiero w 1883 r. Szwed Gustav Laval zdołał pokonać wiele trudności i stworzyć pierwszą działającą turbinę parową. Kilka lat wcześniej Laval uzyskał patent na wirówkę do mleka. Aby go uruchomić, potrzebny był bardzo szybki napęd. Żaden z istniejących wówczas silników nie spełnił zadania. Laval był przekonany, że tylko turbina parowa może zapewnić mu niezbędną prędkość obrotową. Zaczął pracować nad jego projektem i ostatecznie osiągnął to, czego chciał. Turbina Lavala była lekkim kołem, na łopatkach którego, przez kilka umieszczonych pod kąt ostry dysze parowały. W 1889 roku Laval znacznie ulepszył swój wynalazek, dodając do dysz stożkowe ekspandery. To znacznie zwiększyło wydajność hydroturbiny i przekształciło ją w uniwersalny silnik.

Zasada działania turbiny była niezwykle prosta. Para podgrzana do wysokiej temperatury spływała z kotła rurą parową do dysz i eksplodowała. W dyszach para rozszerzyła się do ciśnienie atmosferyczne. Dzięki wzrostowi objętości towarzyszącemu temu rozprężeniu uzyskano znaczny wzrost szybkości wypływu (przy rozprężaniu z 5 do 1 atmosfery prędkość strumienia pary dochodziła do 770 m/s). W ten sposób energia zawarta w parze została przekazana do łopatek turbiny. Liczba dysz i ciśnienie pary determinowały moc turbiny. Gdy para wylotowa nie była wypuszczana bezpośrednio do powietrza, ale kierowana, jak w silnikach parowych, do skraplacza i skraplana pod zmniejszonym ciśnieniem, moc turbiny była największa. Tak więc, gdy para rozpręża się z 5 atmosfer do 1/10 atmosfery, prędkość strumienia osiąga wartość ponaddźwiękową.

Pomimo pozornej prostoty turbina Lavala była prawdziwym cudem inżynierii. Wystarczy wyobrazić sobie obciążenia, jakich doświadczał w nim wirnik, aby zrozumieć, jak trudno było wynalazcy osiągnąć nieprzerwaną pracę jego potomstwa. Przy ogromnych prędkościach wirnika turbiny nawet niewielkie przesunięcie środka ciężkości powodowało silne obciążenie osi i przeciążenie łożysk. Aby tego uniknąć, Laval wpadł na pomysł postawienia koła na bardzo cienkiej osi, która po obróceniu może się lekko wyginać. Po rozkręceniu sam dochodził do ściśle centralnej pozycji, którą następnie utrzymywano z dowolną prędkością obrotową. Dzięki temu pomysłowemu rozwiązaniu niszczący wpływ na łożyska został zredukowany do minimum.

Jak tylko się pojawiła turbina Lavala zdobyła powszechne uznanie. Był znacznie bardziej ekonomiczny niż stare silniki parowe, bardzo łatwy w obsłudze, zajmował mało miejsca i był łatwy w instalacji i podłączeniu. Turbina Lavala dała szczególnie duże korzyści, gdy została podłączona do maszyn szybkoobrotowych: pił, separatorów, pompy odśrodkowe. Był również z powodzeniem stosowany jako napęd generatora elektrycznego, ale mimo to miał zbyt dużą dla niego prędkość i dlatego mógł działać tylko poprzez skrzynię biegów (układ kół zębatych, który obniżał prędkość obrotową podczas przenoszenia ruchu z wału turbiny na wał turbiny). wał generatora).

W 1884 r. angielski inżynier Parson otrzymał patent na wielostopniową turbinę odrzutową, którą wynalazł specjalnie do napędzania generatora elektrycznego. W 1885 zaprojektował wielostopniową turbinę odrzutową, która później znalazła szerokie zastosowanie w elektrowniach cieplnych. Ona miała następne urządzenie, przypominający turbinę odrzutową. Na centralnym wale zamontowano rząd obracających się kół z łopatkami. Pomiędzy tymi kołami znajdowały się stałe felgi (tarcze) z łopatkami, które miały przeciwny kierunek. Do jednego z końców turbiny doprowadzana była para pod wysokim ciśnieniem. Ciśnienie na drugim końcu było małe (mniej niż atmosferyczne). Dlatego para próbowała przejść przez turbinę. Najpierw działał w szczelinach między łopatkami pierwszej korony. Te ostrza skierowały go na ostrza pierwszego ruchomego koła. Para przeszła między nimi, powodując obrót kół. Następnie wszedł w drugą koronę. Łopatki drugiej korony kierowały parę między łopatkami drugiego ruchomego koła, które również wchodziło w ruch obrotowy. Z drugiego ruchomego koła para płynęła między ostrzami trzeciej korony i tak dalej. Wszystkim łopatkom nadano taki kształt, aby przekrój kanałów międzyłopatkowych zmniejszał się w kierunku przepływu pary. Łopatki niejako tworzyły dysze zamontowane na wale, z których wypływała rozprężająca się para. Wykorzystano tu zarówno moc czynną, jak i bierną. Obracając się, wszystkie koła obracały wał turbiny. Na zewnątrz urządzenie zostało zamknięte w mocnej obudowie. W 1889 roku około trzystu tych turbin było już wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, aw 1899 roku w Elberfeld zbudowano pierwszą elektrownię z turbinami parowymi Parsona. Tymczasem Parson próbował rozszerzyć zakres swojego wynalazku. W 1894 roku zbudował eksperymentalny statek „Turbinia” napędzany turbiną parową. Na testach zademonstrował rekordową prędkość 60 km/h. Następnie na wielu szybkich statkach zaczęto instalować turbiny parowe.

Historia wynalezienia turbin parowych

Duże znaczenie dla energetyki i elektryfikacji miało wynalezienie i dystrybucja turbin parowych. Zasada ich działania była zbliżona do hydraulicznych, z tą różnicą, że turbina hydrauliczna była napędzana strumieniem wody, a turbina parowa strumieniem nagrzanej pary. W ten sam sposób, w jaki turbina wodna stanowiła nowe słowo w historii silników wodnych, silnik parowy zademonstrował nowe możliwości silnika parowego.

Stara maszyna Watta, która obchodziła stulecie swojego istnienia w trzeciej ćwierci XIX wieku, miała niską sprawność, ponieważ uzyskiwano w niej ruch obrotowy w sposób złożony i nieracjonalny. W rzeczywistości, jak pamiętamy, para nie poruszała tu samym obracającym się kołem, ale wywierała nacisk na tłok, od tłoka przez korbowód, korbowód i korbę, ruch był przenoszony na wał główny. W wyniku licznych transferów i przekształceń ogromna część energii otrzymanej ze spalania paliwa w pełnym tego słowa znaczeniu wypłynęła do rury bez żadnych korzyści. Niejednokrotnie wynalazcy próbowali zaprojektować prostszą i bardziej ekonomiczną maszynę - turbinę parową, w której strumień pary bezpośrednio obracałby wirnik. Proste obliczenia wykazały, że powinna mieć sprawność o kilka rzędów wielkości wyższą niż maszyna Watta. Jednak na drodze myśli inżynierskiej było wiele przeszkód. Aby turbina naprawdę stała się wysoce wydajnym silnikiem, wirnik musiał obracać się z bardzo dużą prędkością, wykonując setki obrotów na minutę. Przez długi czas nie można było tego osiągnąć, ponieważ nie wiedzieli, jak nadać strumieniowi pary odpowiednią prędkość.

Pierwszy ważny krok w rozwoju nowego narzędzia technicznego, które zastąpiło silnik parowy, został wykonany przez szwedzkiego inżyniera Carla Gustava Patricka Lavala w 1889 roku. Turbina parowa Lavala to koło z łopatkami. Powstający w kotle strumień wody wyrywa się z rury (dyszy), naciska na łopatki i kręci kołem. Eksperymentując z różnymi dziennymi rurami parowymi, projektant doszedł do wniosku, że powinny one mieć kształt stożka. Tak powstała używana do naszych czasów dysza Lavala.

Dopiero w 1883 r. Szwed Gustav Laval zdołał pokonać wiele trudności i stworzyć pierwszą działającą turbinę parową. Kilka lat wcześniej Laval uzyskał patent na wirówkę do mleka. Aby go uruchomić, potrzebny był bardzo szybki napęd. Żaden z istniejących wówczas silników nie spełnił zadania. Laval był przekonany, że tylko turbina parowa może zapewnić mu niezbędną prędkość obrotową. Zaczął pracować nad jego projektem i ostatecznie osiągnął to, czego chciał. Turbina Lavala była lekkim kołem, na łopatkach którego para była indukowana przez kilka dysz ustawionych pod ostrym kątem. W 1889 roku Laval znacznie ulepszył swój wynalazek, dodając do dysz stożkowe ekspandery. To znacznie zwiększyło wydajność hydroturbiny i przekształciło ją w uniwersalny silnik.

Zasada działania turbiny była niezwykle prosta. Para podgrzana do wysokiej temperatury spływała z kotła rurą parową do dysz i eksplodowała. W dyszach para rozrosła się do ciśnienia atmosferycznego. Dzięki wzrostowi objętości towarzyszącemu temu rozprężeniu uzyskano znaczny wzrost szybkości wypływu (przy rozprężaniu z 5 do 1 atmosfery prędkość strumienia pary dochodziła do 770 m/s). W ten sposób energia zawarta w parze została przekazana do łopatek turbiny. Liczba dysz i ciśnienie pary determinowały moc turbiny. Gdy para wylotowa nie była wypuszczana bezpośrednio do powietrza, ale kierowana, jak w silnikach parowych, do skraplacza i skraplana pod zmniejszonym ciśnieniem, moc turbiny była największa. Tak więc, gdy para rozpręża się z 5 atmosfer do 1/10 atmosfery, prędkość strumienia osiąga wartość ponaddźwiękową.

Pomimo pozornej prostoty turbina Lavala była prawdziwym cudem inżynierii. Wystarczy wyobrazić sobie obciążenia, jakich doświadczał w nim wirnik, aby zrozumieć, jak trudno było wynalazcy osiągnąć nieprzerwaną pracę jego potomstwa. Przy ogromnych prędkościach wirnika turbiny nawet niewielkie przesunięcie środka ciężkości powodowało silne obciążenie osi i przeciążenie łożysk. Aby tego uniknąć, Laval wpadł na pomysł postawienia koła na bardzo cienkiej osi, która po obróceniu może się lekko wyginać. Po rozkręceniu sam dochodził do ściśle centralnej pozycji, którą następnie utrzymywano z dowolną prędkością obrotową. Dzięki temu pomysłowemu rozwiązaniu niszczący wpływ na łożyska został zredukowany do minimum.

Jak tylko się pojawiła turbina Lavala zdobyła powszechne uznanie. Był znacznie bardziej ekonomiczny niż stare silniki parowe, bardzo łatwy w obsłudze, zajmował mało miejsca i był łatwy w instalacji i podłączeniu. Turbina Lavala dała szczególnie duże korzyści, gdy została podłączona do maszyn o dużej prędkości: pił, separatorów, pomp odśrodkowych. Był również z powodzeniem stosowany jako napęd generatora elektrycznego, ale mimo to miał zbyt dużą dla niego prędkość i dlatego mógł działać tylko poprzez skrzynię biegów (układ kół zębatych, który obniżał prędkość obrotową podczas przenoszenia ruchu z wału turbiny na wał turbiny). wał generatora). turbina parowa lawa

W 1884 r. angielski inżynier Parson otrzymał patent na wielostopniową turbinę odrzutową, którą wynalazł specjalnie do napędzania generatora elektrycznego. W 1885 zaprojektował wielostopniową turbinę odrzutową, która później znalazła szerokie zastosowanie w elektrowniach cieplnych. Miała następujące urządzenie, przypominające turbinę odrzutową. Na centralnym wale zamontowano rząd obracających się kół z łopatkami. Pomiędzy tymi kołami znajdowały się stałe felgi (tarcze) z łopatkami, które miały przeciwny kierunek. Do jednego z końców turbiny doprowadzana była para pod wysokim ciśnieniem. Ciśnienie na drugim końcu było małe (mniej niż atmosferyczne). Dlatego para próbowała przejść przez turbinę. Najpierw działał w szczelinach między łopatkami pierwszej korony. Te ostrza skierowały go na ostrza pierwszego ruchomego koła. Para przeszła między nimi, powodując obrót kół. Następnie wszedł w drugą koronę. Łopatki drugiej korony kierowały parę między łopatkami drugiego ruchomego koła, które również wchodziło w ruch obrotowy. Z drugiego ruchomego koła para płynęła między ostrzami trzeciej korony i tak dalej. Wszystkim łopatkom nadano taki kształt, aby przekrój kanałów międzyłopatkowych zmniejszał się w kierunku przepływu pary. Łopatki niejako tworzyły dysze zamontowane na wale, z których wypływała rozprężająca się para. Wykorzystano tu zarówno moc czynną, jak i bierną. Obracając się, wszystkie koła obracały wał turbiny. Na zewnątrz urządzenie zostało zamknięte w mocnej obudowie. W 1889 roku około trzystu tych turbin było już wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, aw 1899 roku w Elberfeld zbudowano pierwszą elektrownię z turbinami parowymi Parsona. Tymczasem Parson próbował rozszerzyć zakres swojego wynalazku. W 1894 roku zbudował eksperymentalny statek „Turbinia” napędzany turbiną parową. W testach zademonstrował rekordową prędkość 60 km/h. Następnie na wielu szybkich statkach zaczęto instalować turbiny parowe.