§ 25. Паровая турбина

вихрь, круговое вращение) — непрерывно действующий тепловой двигатель, в котором потенциальная и внутренняя энергия нагретого пара высокого давления сначала превращается в кинетическую энергию высокоскоростной струи пара, а затем в кинетическую энергию вращения ротора.

• 1. Преобразование энергии — внутренняя энергия пара $\rightarrow$ кинетическая энергия струи пара $\rightarrow$ кинетическая энергия вращения ротора (механическая работа).
• 2. Преимущества — отсутствие возвратно-поступательного движения поршня и кривошипно-шатунного механизма, высокая равномерность хода, колоссальная частота вращения (до $3000\text{ об/мин}$) и огромная единичная мощность (до $1\ 200\ 000\text{ кВт}$ и более).

подвижная вращающаяся часть турбины, представляющая собой массивный стальной вал с насаженными на него рабочими дисками, по внешнему ободу которых закреплены профилированные криволинейные лопатки.

• 1. Функция — воспринимает кинетическую энергию и динамическое давление бьющих в лопатки струй пара и передаёт вращающий момент соединённому с ним ротору генератора электрического тока.

специально профилированный сужающийся, а затем расширяющийся канал (трубка), служащий для преобразования потенциальной и внутренней энергии пара в кинетическую энергию его направленного потока.

• 1. Термодинамический процесс — при расширении пара в сопле его давление и температура резко падают, а скорость истечения лавинообразно возрастает, достигая сверхзвуковых значений (изобретено шведским инженером Густавом де Лавалем в 1890 г.).

изогнутые металлические пластины специального аэродинамического профиля, плотно закреплённые по периферии диска ротора, изменяющие направление движения струи пара и воспринимающие центробежную силу давления потока.

турбина, в которой расширение пара и срабатывание его энергии происходит последовательно на нескольких расположенных друг за другом дисках с лопатками (запатентована английским механиком Чарлзом Парсонсом в 1884 г.).

• 1. Принцип работы — пар высокого давления поэтапно отдает энергию ступеням турбины, что позволяет снизить окружную скорость вращения вала до оптимальных для генератора значений без потери КПД.

соосный агрегат, состоящий из паровой турбины и генератора электрического тока, преобразующий кинетическую энергию вращения вала турбины в промышленную электроэнергию со стандартной частотой переменного тока ($50\text{ Гц}$ при $3000\text{ об/мин}$).

Шведский инженер, механик и изобретатель, создатель высокоскоростной паровой турбины и расширяющегося сопла, позволившего впервые в технике разогнать поток пара до сверхзвуковой скорости.

• В 1890 году предложил революционную конструкцию сопла переменного профиля (сопло Лаваля), обеспечивающего переход через скорость звука и разгон струи пара до 1000–1500 м/с.
• Сконструировал первую практическую активную паровую турбину, в которой потенциальная энергия сжатого пара преобразуется в кинетическую энергию скоростного потока, бьющего в рабочие лопатки диска.
• Изобретённое им сопло переменного сечения легло в основу конструкций сопел современных турбоагрегатов тепловых и атомных электростанций, а также камер сгорания жидкостных ракетных двигателей.

Английский инженер, механик и промышленник, создатель многоступенчатой паровой турбины, ставшей ключевым двигателем мировой электроэнергетики и крупнотоннажного морского флота.

• В 1884 году запатентовал и построил первую в мире работоспособную многоступенчатую паровую турбину, распределившую колоссальный перепад давления пара по десяткам последовательных ступеней.
• Поэтапное расширение пара позволило снизить частоту вращения рабочего вала до стабильных 3000 оборотов в минуту, что идеально соответствовало требованиям генераторов промышленного переменного тока.
• Турбины системы Парсонса доказали решающее преимущество лопаточных машин перед поршневыми двигателями и стали главными силовыми агрегатами современных ТЭС, АЭС и океанских судов.

В паровой турбине осуществляется двухступенчатое превращение энергии:

• 1) В соплах: внутренняя энергия нагретого до высокой температуры и сжатого в котле водяного пара превращается в кинетическую энергию его направленного высокоскоростного потока (при расширении пара его температура и давление падают, а скорость возрастает).
• 2) На лопатках ротора: кинетическая энергия струй пара при ударе и обтекании криволинейных лопаток превращается в кинетическую энергию вращения вала турбины (механическую работу).

Главные конструктивные и эксплуатационные различия:

• Характер движения: в поршневых двигателях (паровых машинах, ДВС) поршень совершает возвратно-поступательное движение, требующее преобразования во вращение через коленчатый вал, что создаёт вибрации и инерционные нагрузки. В турбине движение изначально является непрерывно вращательным.
• Отсутствие клапанов и цилиндров: пар подаётся на лопатки непрерывным стабильным потоком через сопла, а не циклическими порциями.
• Мощность и компактность: турбины не имеют ограничений поршневых машин по габаритам поршня, развивают колоссальную мощность (до $1,2\text{ млн кВт}$) при относительно компактных размерах и вращаются с частотой $3000\text{ об/мин}$, что позволяет напрямую сопрягать их с валом электрогенератора без повышающих передач.

Устройство паровой турбины:

• 1) Сопла — насадки (трубки особой формы), через которые подаётся пар.
• 2) Диск — массивное колесо, насаженное на вал.
• 3) Рабочие лопатки — закреплены по наружному ободу диска.
• 4) Вал — передаёт вращающий момент внешнему потребителю (ротор генератора). Вал вместе с дисками и лопатками образует ротор турбины.
• 5) Неподвижный герметичный корпус (статор).

Принцип работы: Нагретый в паровом котле водяной пар под высоким давлением поступает в сопла. Форма сопел обеспечивает расширение пара с резким падением его температуры и колоссальным ускорением потока (внутренняя энергия переходит в кинетическую). Высокоскоростная струя пара вырывается из сопел и с силой давит на изогнутые лопатки ротора, заставляя диск и вал турбины вращаться с высокой скоростью. Отработавший пар выходит в конденсатор.

Паровые турбины находят ключевое применение в современной энергетике и на транспорте:

• 1) Тепловые (ТЭС) и атомные (АЭС) электростанции — турбины служат главными приводными двигателями мощных турбогенераторов, вырабатывающих львиную долю мировой электроэнергии.
• 2) Крупнотоннажный морской флот — используются на атомных ледоколах, авианосцах, тяжёлых подводных лодках и крупных круизных судах в качестве главных судовых двигателей высокой мощности и автономности.

• В пушке Архимеда: внутренняя энергия пламени печи передаётся воде в нагретом стволе; вода мгновенно испаряется, внутренняя энергия образовавшегося пара высокого давления при расширении превращается в кинетическую энергию летящего пушечного ядра.
• В героновом шаре: внутренняя энергия кипящей воды и пара превращается в кинетическую энергию направленных струй пара, вырывающихся через изогнутые трубки, а затем за счёт реактивной силы — в кинетическую энергию вращения шара вокруг своей оси.