Парова турбіна, первинний паровий двигун з обертальним рухом робочого органу — ротора і безперервним робочим процесом; служить для перетворення теплової енергії пара водяного в механічну роботу. Потік водяної пари поступає через направляючі апарати на криволінійні лопатки, закріплені по колу ротора, і, впливаючи на них, приводить ротор в обертання. У відмінність від поршневої парової машини, П. т. використовує не потенційну, а кінетичну енергію пари.
Спроби створити П. т. робилися дуже давно. Відомий опис примітивною П. т., зроблене Героном Александрійським (1 ст до н.е.(наша ера)). Проте лише в кінці 19 ст, коли термодинаміка, машинобудування і металургія досягли достатнього рівня, До. Р. П. Лаваль (Швеція) і Ч. А. Парсонс (Великобританія) незалежно один від одного в 1884—89 створили промислово придатні П. т. Лаваль застосував розширення пари в конічних нерухомих соплах в один прийом від початкового до кінцевого тиску і отриманий струмінь (з надзвуковою швидкістю виділення) направив на один ряд робочих лопаток насаджених на диск. П. т., що працюють за цим принципом, отримали назву активних П. т. Парсонс створив багатоступінчасту реактивну П. т., в якій розширення пари здійснювалося у великому числі послідовно розташованих рівнів не лише в каналах нерухомих (що направляють) лопаток, але і між рухливими (робітниками) лопатками.
П. т. виявилася дуже зручним двигуном для приводу ротатівних механізмів (генератори електричного струму насоси, повітродувки) і суднових гвинтів; вона була більш швидкохідною, компактною, легкою, економічною і урівноваженою, чим поршнева парова машина. Розвиток П. т. йшов надзвичайно швидко як у напрямі поліпшення економічності і підвищення одиничної потужності, так і по шляху створення спеціалізованих П. т. різного призначення.
Неможливість отримати велику агрегатну потужність і дуже висока частота обертання одноступінчатих П. т. Лаваля (до 30 000 об/мін в перших зразків) привели до того, що вони зберегли своє значення лише для приводу допоміжних механізмів. Активні П. т. розвивалися у напрямі створення багатоступінчастих конструкцій, в яких розширення пари здійснювалося у ряді послідовний розташованих рівнів. Це дозволило значно збільшити одиничну потужність П. т., зберігши помірну частоту обертання, необхідну для безпосереднього з'єднання валу П. т. з тим, що обертається нею механізмом.
Реактивна П. т. Парсонса деякий час застосовувалася (в основному на військових кораблях), але поступово поступилася місцем компактнішим комбінованим активно-реактивним П. т., в яких реактивна частина високого тиску замінена одно- або двухвенчатим активним диском. В результаті зменшилися втрати на витоки пари через зазори в апараті лопатки, турбіна стала простіша і економічніша.
Класифікація парових турбін. Залежно від характеру теплового процесу П. т. зазвичай підрозділяють на 3 основних групи: чисто конденсаційні, теплофікації і спеціального призначення.
Чисто конденсаційні П. т. служать для перетворення максимально можливої частини теплоти пари на механічну роботу. Ці П. т. працюють з випуском відпрацьованої пари в конденсатор де підтримується вакуум. Чисто конденсаційні П. т. можуть бути стаціонарними або транспортними. Стаціонарні П. т. в з'єднанні з генераторами змінного електричного струму (турбогенератори ) — основне устаткування конденсаційних електростанцій . Чим більше потужність турбогенератора, тим він економічніше і тим нижче вартість 1 квт встановленої потужності. Тому потужність П. т. зростає з року в рік і до 1974 досягла 1200 Мвт в агрегаті [при тиску свіжої пари до 35 Мн/м-код 2 (1 нlm 2 =10 -5 кгс/см 2 ) і температурі до 650 °С]. Прийнята в СРСР частота електричного струму 50 гц вимагає, щоб частота обертання П. т., безпосередньо сполученою з двополюсним генератором, дорівнювала 3000 об/мін . Залежно від призначення П. т. для електростанцій можуть бути базовими, такими, що несуть постійне основне навантаження; піковими, короткочасно працюючими для покриття піків навантаження; турбінами власних потреб, що забезпечують потребу електростанції в електроенергії. Від базових П. т. потрібна висока економічність на навантаженнях, близьких до повної (близько 80%), від пікових П. т.— можливість швидкого пуску і включення в роботу, від П. т. власних потреб — особлива надійність в роботі. Все П. т. для електростанцій розраховуються на 100 тис. ч роботи (до капітального ремонту).
Транспортні П. т. використовуються як головні і допоміжні двигуни на кораблях і судах. Неодноразово робилися спроби застосувати П. т. на локомотивах, проте паротурбовози поширення не отримали. Для з'єднання швидкохідних П. т. з грібними гвинтами, що вимагають невисокої (від 100 до 500 об/мін ) частоти обертання, застосовують зубчасті редуктори. На відміну від стаціонарних П. т. (окрім турбоповітродувок), суднові П. т. працюють із змінною частотою обертання, визначуваною необхідною швидкістю ходу судна.
Теплофікації П. т. служать для одночасного здобуття електричної і теплової енергії. До них відносяться П. т. з протіводавленієм, з регульованим відбором пари, а також з відбором і протіводавленієм. В П. т. з протіводавленієм вся відпрацьована пара використовується для технологічних цілей (вариво, сушка, опалювання). Електрична потужність, що розвивається турбоагрегатом з такий П. т., залежить від потреби виробництва або опалювальної системи в гріючій парі і міняється разом з нею. Тому турбоагрегат з протіводавленієм зазвичай працює паралельно з конденсаційною П. т. або електромережею, які покривають виникаючий дефіцит в електроенергії. У П. т. з регульованим відбором частина пари відводиться з 1 або 2 проміжних рівнів, а остання пара йде в конденсатор. Тиск відбираної пари підтримується в заданих межах системою регулювання. Місце відбору (рівень П. т.) вибирають залежно від потрібних параметрів пари. В П. т. з відбором і протіводавленієм частина пари відводиться з 1 або 2 проміжних рівнів, а вся відпрацьована пара прямує з випускного патрубка у опалювальну систему. Тиск пари П. т. для опалювальних цілей зазвичай складає 0,12 Мн/м-код 2 , а для технологічних потреб (цукрові, деревообробні, харчові підприємства) 0,5—1,5 Мн/м-коду 2 .
П. т. спеціального призначення зазвичай працюють на теплі покидька металургійних, машинобудівних, і хімічних підприємств. До них відносяться П. т. пом'ятої пари, двох тиску і передвключені (форшальт). П. т. пом'ятої пари використовують відпрацьована пара поршневих машин, парових молотів і пресів, що має тиск трохи вище атмосферного. П. т. двох тиску працюють як на свіжій, так і на відпрацьованій парі парових механізмів, що підводиться в один з проміжних рівнів. Передвключені П. т. є турбінами з високим початковим тиском і високим протіводавленієм; вся відпрацьована пара цих П. т. направляють в інших П. т. з нижчим початковим тиском пари. Необхідність в передвключених П. т. виникає при модернізації електростанцій, пов'язаній з установкою парових казанів більш високого тиску, на яке не розраховані раніше встановлені на електростанції П. т.
П. т. спеціального призначення не будують серіями, як конденсаційні і теплофікації П. т., а в більшості випадків виготовляють по окремих замовленнях.
Всі стаціонарні П. т. мають нерегульовані відбори пари з 2—5 рівнів тиску для регенеративного підігрівання живильної води. У СРСР встановлено 4 рівні початкових параметрів пари: тиск 3,5 Мн/м-кодом 2 , температура 435 °С для П. т. потужністю до 12 Мвт ; 9 Мн/м-код 2 , 535 °С для П. т. до 50 Мвт ; 13 Мн/м-код 2 , 565 °С для П. т. до 100 Мвт і 24 Мн/м-код 2 , 565 °С для П. т. потужністю 200 і 300 Мвт . Тиск відпрацьованої пари 3,5—5 кн/м 2 . Питома витрата тепла від 7,6 кдж/ ( вт×ч ) в найпотужніших П. т. до 13 кдж/ ( вт×ч ) в невеликих конденсаційних турбін.
Тепловий процес парових турбін. Кінетична енергія, придбана парою при його розширенні, еквівалентна зменшенню його ентальпії в процесі розширення. Робота пари (у кгс×м , 1 кгс×м = 10 дж ) рівна:
W= 427( i 0 - i 1 ),
а швидкість виділення (у м-коді /сек ):
,
где i 0 — початкова, а i 1 — кінцева ентальпія пари. Потужність (у квт ), яку можна отримати від турбіни при витраті пари D кг/ч , рівна:
а витрата пари (у кг/ч ) відповідно
Якщо під i 0 — i 1 мається на увазі адіабатична зміна ентальпії, то вищесказане справедливо лише для ідеальної П. т., працюючої без втрат. Дійсна потужність на валу реальною П. т. (у квт ) рівна:
де h оє — відносно ефективний ккд(коефіцієнт корисної дії), такий, що є відношенням дійсної потужності, отриманої на валу П. т., до потужності ідеальної турбіни.
'',
де d e — витрата пари в кг/ ( квт×ч ). Для тих, що існують П. т. питомий витрата пари визначається експериментально, а i 0 — i 1 знаходять по i—s діаграмі (див. Ентропія,Ентальпія ). У активній П. т. свіжа пара з тиском p 0 і ськоростью c 0 поступає в сопло і розширюється в нім до тиску p 1 , при цьому швидкість пари зростає до c 1 , з якою потік пари і входить на робочі лопатки. Потік пари, чинячи тиск на лопатки унаслідок зміни напряму в криволінійних каналах междулопаточних, заставляє диск і вал обертатися. На виході з лопаток потік пари має швидкість c 2 меншу, ніж c 1 , оскільки значна частина кінетичної енергії перетворилася в механічну енергію обертання валу. Тиск p 1 на вході в канал дорівнює тиску p 2 на виході з нього, оскільки канали междулопаточниє мають однаковий перетин по довжині і розширення пари в них не відбувається (в реально існуючих активних турбін перетину каналів междулопаточних виконують декілька що зростають по ходу пари для збереження рівності тиску на вході і виході, оскільки ентальпія пари при його протіканні між лопатками збільшується із-за тертя і ударів об кромки лопаток). Проте в різних місцях криволінійного каналу тиску неоднакові: саме різниця тиску на увігнуту і опуклу сторону кожної лопатки створює момент, що заставляє ротор обертатися. Таким чином, в активній турбіні падіння тиску пари відбувається в соплі (або декількох соплах), а тиск пари при вході на лопатки і виході з них однаково.
Кінетична енергія буде повністю використана, якщо абсолютна швидкість пари з 2 при виході з лопаток дорівнює нулю. Ця умова дотримана, якщо з 1 = 2u , де u — окружна швидкість. Окружна швидкість (у м/сек ) рівна:
де d — середній діаметр вінця лопатки в м-коді , а n — частота обертання в мин. Отже, оптимальна окружна швидкість лопаток має бути .
Очевидно, що в реальній турбіні з 2 не може дорівнювати 0, т.к. пар повинен вирушати з лопаток в конденсатор. Проте вихідну швидкість прагнуть отримати мінімальною, т.к. кинетічеськая енергія вирушаючого потоку пари є втратою корисної роботи. Відступ від оптимального відношення викликає сильне зниження ккд(коефіцієнт корисної дії) турбіни. Це робить неможливим створення одноступінчатих турбін з високими початковими параметрами пари, оскільки ще (початок 1970-х рр.) не існує матеріалів, здатних витримати напругу від відцентрових сил при окружних швидкостях, що значно перевищують 400 м/сек . Тому одноступінчаті активні турбіни застосовують лише для приводу швидкохідних допоміжних механізмів, економічність яких не має вирішального значення. Хороша економічність П. т., що працює з помірними окружними швидкостями при великому теплопаденії, досягається вживанням рівнів тиску.
Якщо розділити перепад тиску, що розташовується, на декілька рівнів з рівними перепадами тепла, то в цих рівнях швидкість виділення (у м/сек ) рівна:
,
де z — число рівнів. Отже, в кожному рівні швидкість буде в разів менше, ніж в одноступінчатій П. т. Відповідно нижче буде і оптимальна окружна швидкість u , тобто частота обертання ротора.
Корпус П. т. з декількома рівнями тиску розділяють діафрагмами на окремі камери, в кожній з яких поміщений один з дисків з робочими лопатками ( мал. 1 ). Пара може проникати з однієї камери в іншу лише через сопла, розташовані по колу діафрагм. Тиск пари знижується після кожного рівня, а швидкості виділення пари з 1 залишаються приблизно однаковими, що досягається вибором відповідних розмірів сопів. Число рівнів тиску в потужних турбін з високими початковими параметрами пари досягає 30—40. Оскільки об'єм пари у міру його розширення збільшується, перетини сопів і висоти лопаток зростають від першого рівня до останнього. Останні рівні потужних П. т. зазвичай виконують здвоєними, а в найбільших П. т. — строєними і навіть счетвереннимі зважаючи на неприйнятний великих розмірів лопаток останніх рівнів, які були б необхідні для пропуску всього об'єму пари через 1 рівень.
В рівні тиску можливо використовувати кінетичну енергію не в одному, а в декількох вінцях лопаток, застосувавши рівні швидкості. Для цього на ободі диска розміщують 2 (рідко 3) вінці робочих лопаток, між якими встановлений вінець нерухомих направляючих лопаток. Пара з тиском p 0 підводиться до сопел ( мал. 2 ) і із швидкістю з 1 поступає на перший ряд робочих лопаток, де його швидкісний натиск частково перетворюється на роботу, а напрям потоку змінюється. Вийшовши із швидкістю з 2 з першого ряду робочих лопаток, пара проходить через направляючі лопатки і, знову змінивши напрям, входить в другий ряд лопаток із швидкістю c’ 1 , декілька меншою, ніж з 2 унаслідок втрат в направляючих лопатках. Другий ряд лопаток пар покидає з незначною швидкістю з’ 2 .
Теоретично при 2 рівнях швидкості оптимальна окружна швидкість u буде в 2 рази менше, ніж для одинвінцевого рівня, що використовує той же перепад ентальпії. Для z рівнів швидкості оптимальна . Проте багато рівнів швидкості практично не застосовують із-за великих втрат в лопатках. Найбільш поширеним типом турбіни можна вважати активну П. т. з одним двохвінцевим диском в першому рівні тиску і одинвінцевими дисками в останніх рівнях. Значення двохвінцевого диска в тому, що, використовуючи значну частину перепаду ентальпії, що розташовується, в першому рівні тиску, він дозволяє знизити температуру і тиск в корпусі П. т. і одночасно зменшити потрібне число рівнів тиску, тобто укоротити і здешевити П. т.
Характерною особливістю реактивних П. т. є те, що розширення пари відбувається у них в каналах нерухомих і рухливих вінців лопаток, тобто як в соплах, так і на робочих лопатках. Відношення частини адіабатичного перепаду ентальпії h 2 , що розташовується, що припадає на частку робочих лопаток, до загального адіабатичного перепаду рівня h 0 = h 1 + h 2 (де h 1 — теплопаденіє в направляючих лопатках) називається мірою реактивності .
Якщо, то таку турбіну прийнято називати реактивною. В чисто активної турбіни повинно б бути r = 0, але практично активні турбіни завжди працюють з невеликою мірою реактивності, вищої в останніх рівнях. Це дає деяке підвищення ккд(коефіцієнт корисної дії), особливо на режимах, відмінних від розрахункового.
Вінці робочих лопаток реактивною П. т. встановлюють в пазах ротора барабанного типа. У проміжках між ними розміщують вінці нерухомих направляючих лопаток, закріплених в корпусі турбіни і створюючих соплові канали. Профілі рухливих і нерухомих лопаток зазвичай однакові. Свіжа пара поступає в кільцеву камеру ( мал. 3 ), звідки йде в перший ряд нерухомих лопаток. У каналах междулопаточних цього ряду пар розширюється, тиск його декілька знижується, а швидкість зростає від з 0 до з 1 . Потім пара потрапляє в перший ряд робочих лопаток. Між ними пара також розширюється і його відносна швидкість зростає. Проте абсолютна швидкість з 2 на виході з робочих лопаток буде менша з 1 , оскільки за рахунок зменшення кінетичної енергії отримана механічна робота. У подальших рівнях процес повторюється. Для зменшення витоків пари через зазори між лопатками, ротором і корпусом П. т. перепад тиску, що розташовується, ділять на велике число (до 100) рівнів, завдяки чому різниця тиску між суміжними рівнями виходить невеликою.
В СРСР не будують стаціонарних реактивних П. т., але окремі зарубіжні фірми традиційно продовжують випускати П. т. з активною частиною високого тиску і подальшими реактивними рівнями.
Конструкція парових турбін. По напряму руху потоку пари розрізняють аксіальні П. т., в яких потік пари рухається уздовж осі турбіни, і радіальні П. т., напрям потоку пари в яких перпендикулярно, а робочі лопатки розташовані паралельно осі обертання. У СРСР будують лише аксіальні П. т. По числу корпусів (циліндрів) П. т. підрозділяють на однокорпусних і 2—3-, рідко 4-корпусні. Багатокорпусна конструкція ( мал. 4 ) дозволяє використовувати великі перепади ентальпії, що розташовуються, розмістивши велике число рівнів тиску, застосувати високоякісні метали в частині високого тиску і роздвоєння потоку пари в частині низького тиску; проте така П. т. виходить дорожчим, важчим і складнішим. По числу валів розрізняють одновальні П. т., в яких вали всіх корпусів знаходяться на одній осі, і 2-, рідко 3-вальниє, складаються з 2 або 3 паралельно розміщених одновальних П. т., зв'язаних спільністю теплового процесу, а в суднових П. т.— також загальною зубчастою передачею (редуктором).
Нерухому частину П. т. — корпус — виконують роз'ємною в горизонтальній плоскості для можливості монтажу ротора. У корпусі є виточки для установки діафрагм, роз'їм яких збігається з плоскістю роз'єму корпусу. По периферії діафрагм розміщені соплові канали, утворені криволінійними лопатками, залитими в тіло діафрагм або привареними до нього. У місцях проходу валу крізь стінки корпусу встановлені кінцеві ущільнення лабіринтового типа для запобігання витокам пари назовні (з боку високого тиску) і засмоктування повітря в корпус (з боку низького). Лабіринтові ущільнення встановлюють в місцях проходу ротора крізь діафрагми щоб уникнути перетечек пари з рівня в рівень в обхід сопів. На передньому кінці валу встановлюють граничного регулювальника (регулювальник безпеки), автоматично зупиняючий П. т. при збільшенні частоти обертання на 10—12% понад номінальну. Задній кінець ротора забезпечують валоповоротним пристроєм з електричним приводом для повільного (4—6 об/мін ) провертання ротора після останову П. т., що необхідне для рівномірного його охолодження.
Літ.: Лосев С. М., Парові турбіни і конденсаційні пристрої. Теорія, конструкції і експлуатація, 10 видавництво, М. — Л., 1964; Щегляєв А. Ст, Парові турбіни. Теорія теплового процесу і конструкції турбін, 4 видавництва, М. — Л., 1967.
