Классификация паровых турбин судовых энергетических установок

Судовая энергетическая установка (СЭУ) в общем случае состоит из трех основных частей: паропроизводящей установки (атомной или котельной), паротурбинной установки (ПТУ) и электроэнергетической установки. Атомная паропроизводящая установка и паровой котел могут одновременно включаться в тепловую схему.

По назначению судовые турбины подразделяются на главные и вспомогательные.В свою очередь главные турбины могут вращать или линию вала в составе ГТЗА или генераторы в составе гребной электрической установки.Вспомогательные турбины являются приводами вспомогательных механизмов (турбогенераторов, насосов, компрессоров , вентиляторов и др.)

Пар (рис.4) из парогенераторов (ПГ) АППУ или из парового котла (КВГ) по паропроводам направляется к паровым турбинам:

– турбине переднего хода (ТПХ);

– турбине заднего хода (ТЗХ);

– турбине электрического генератора (ТГ);

– турбине циркуляционного насоса (ТЦН) главного конденсатора;

– турбине насосного агрегата КПТН (конденсатно-питательный турбонасос), такой агрегат, как правило, используется на надводных кораблях.

Для регулирования (изменения) количества пара, подаваемого на ТПХ и ТЗХ, используются клапана маневрового устройства (МУ):

– ходовой клапан переднего хода (ХК ПХ);

– ходовой клапан заднего хода (ХК ЗХ).

Если ХК ПХ (ХК ЗХ) закрыть, то пар на турбину поступать не будет. В этом случае пар, вырабатываемый АППУ, через открытый клапан травления (КТ) и дроссельно-увлажнительное устройство (ДУУ) направляется (сбрасывается) на главный конденсатор (ГК), служащий для конденсации пара. Чтобы в этом случае исключить повреждение элементов ГК, давление и температура свежего пара понижаются в ДУУ.

Пар, поступивший в турбину, преобразует за две стадии свою энергию в механическую работу вращения ротора турбины (на первой стадии происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию парового потока, на второй стадии - кинетической энергии потока пара в механическую работу вращения ротора турбины).

Вращающий момент, развиваемый турбиной, через редуктор (Р), который служит для уменьшения угловой частоты вращения линии вала, передается к гребному винту (ГрВ).

Упор, создаваемый гребным винтом при его вращении в морской воде, передается корпусу корабля через жестко закрепленный на нем главный упорный подшипник (ГУП), чем обеспечивается заданная скорость и маневрирование корабля.

Отработавший в турбине пар направляется в ГК. Относительно пара холодная вода прокачивается через трубки конденсатор ТЦН или проходит самопротоком, отбирает тепло от пара, поступающего в конденсатор, в результате пар конденсируется. В процессе конденсации пара происходит резкое уменьшение его удельного объема (1 кг пара при давлении 0.1 кгс/см² занимает объем около 14 м², а при конденсации займет только 0.001 м²), что приводит к разряжению (вакууму) в ГК и содействует более эффективному использованию потенциальной энергии пара. Следовательно, специальных устройств для создания вакуума в ГК не требуется, а поступающий в него из-за неплотностей воздух удаляется из ГК главным эжектором (ГЭЖ). Образовавшийся при конденсации пара конденсат откачивается конденсатным насосом (КН) и через обессоливающий ионообменный фильтр (ФИ) подается во всасывающий патрубок питательного насоса (ПН). Из напорной магистрали ПН конденсат через подогреватель питательной воды (ППВ) подается:

- к ПГ через дроссельный (ДК) и питательный (ПК) клапаны;

- к паровому котлу.

Агрегат, состоящий из паровой турбины, конденсатора, редуктора и МУ, называют турбозубчатым агрегатом (ТЗА).

Турбозубчатый агрегат, передающий вращающий момент на гребной винт, называют главным турбозубчатым агрегатом (ГТЗА).

В качестве обычного турбозубчатого агрегата может рассматриваться ТЗА турбогенератора (ТГ), обеспечивающий вращение и работу электрического генератора (ЭГ), который входит в состав ПТУ.

Впуск пара в турбину ТГ осуществляется последовательно через стопорный клапан (СК) и систему парораспределения. Стопорный клапан в нормальных условиях работы ТГ полностью открыт на всех режимах, а пар поступает в турбину через шесть ходовых клапанов (ХК) системы парораспределения турбины 1. В случае аварийной ситуации СК мгновенно закрывается, прекращая поступление пара в турбину. Одновременно открываются четыре клапана травления (КТ) системы парораспределения турбины 2, обеспечивая сброс пара через ДУУ на конденсатор (К) турбогенератора.

Пар, поступивший в турбину, преобразует свою энергию в механическую работу вращения ротора турбины. Вращающий момент, развиваемый турбиной, передается генератору, который преобразовывает его в электрическую энергию.

Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, холодная вода прокачивается через конденсатор электроциркуляционным насосом (ЭЦН), отбирает тепло от пара, в результате пар конденсируется.

При выведенном из действия ГТЗА (турбогенераторный режим) образовавшийся конденсат откачивается электроконденсатным насосом (ЭКН) и через обессоливающий ионообменный фильтр (ФИ) подается во всасывающий патрубок электропитательного насоса (ЭПН). Из напорной магистрали ЭПН конденсат через подогреватель питательной воды подается:

- к ПГ через дроссельный и питательный клапаны;

- к паровому котлу.

При работающем ГТЗА образовавшийся конденсат из конденсатора ТГ откачивается ЭКН в главный конденсатор.

Так как турбина является нереверсивным двигателем (вращение турбины осуществляется только в одном направлении), то для обеспечения движения корабля задним ходом, кроме турбины переднего хода, корабельный ГТЗА снабжается турбиной заднего хода. Турбины расположены на одном валу и находятся в общем корпусе.

Таким образом, любой корабельный турбозубчатый агрегат, является неотъемлемой частью паротурбинной установки (ПТУ), предназначается для выполнения следующих основных функций:

- преобразование в главной турбине (ТПХ или ТЗХ) энергии пара в механическую работу с целью обеспечения заданной скорости переднего или заднего хода корабля и его маневра (выполняет ГТЗА);

- преобразование в турбине электрического генератора энергии пара в механическую работу с целью получения в электрическом генераторе электрической энергии для нужд личного состава, АЭУ и корабля в целом (выполняет турбогенератор);

- преобразование во вспомогательных турбинах энергии пара в механическую работу с целью обработки рабочих сред (выполняют ТЦН, КПТН, ТНА и т.д.).

а). Основные уравнения парового потока в турбине

Процессы преобразования энергии, протекающие в турбины, базируются на законах термо- и газодинамики, которые в общей постановке подробно излагались в дисциплине по теплотехнике.

Здесь, базируясь на ранее изученном материале по теплотехнике, кратко рассмотрим основные из этих законов и их аналитические выражения, которые используются в теории турбин. Для упрощения уравнений принимаем ряд допущений:

- течение пара установившееся (стационарное), все параметры не изменяются во времени в любой точке каналов турбинной ступени;

- пар – идеальный в газодинамическом смысле газ, то есть силы вязкости в потоке отсутствуют, что в полной мере справедливо для ядра потока;

- теплообмен с наружной средой отсутствует.

Сделанные допущения позволяют считать изменение состояния потока пара в турбинной решетке изоэнтропийным. Изоэнтропийные течения подчиняются уравнениям состояния, неразрывности, сохранения энергии и уравнению изменения количества движения. Рассмотрим эти уравнения.

Уравнение состояния для идеального в физическом смысле газа имеет вид

РV=RT, (1.1.)

где R (дж/кг град) – газовая постоянная. Однако пар – реальный в физическом смысле газ, для которого R не является величиной постоянной и сама зависит от параметров состояния. Поэтому для пара уравнение, приведенное выше, не может быть использовано. Для него используются специальные таблицы состояния – таблицы водяного пара, полученные экспериментально, или диаграммы, построенные по данным этих таблиц в координатах p-v, t-s, h-s. В нашем курсе наиболее широко используется диаграмма h-s.

Следует отметить, что знание свойства водяного пара весьма важно для практических целей во многих областях народного хозяйства. Наша страна занимает ведущее место в области термодинамических исследований водяного пара. Наибольший вклад в эти вопросы внесли такие организации, как МЭИ (Московский энергетический институт) и ВТИ (Всесоюзный теплотехнический институт), такие видные российские ученые, как Вукалович М.П., Новиков И.И., Кириллин В.А. и др. Отечественные таблицы водяного пара считаются самыми точными и используются многими зарубежными энергомашиностроительными фирмами.

Уравнение неразрывности (сплошности) для одномерного установившегося потока в неподвижном сопловом канале, исходя из постоянства секундного массового расхода пара через любое сечение канала, представляется в виде:

, (1.2)

где G – секундный массовый расход пара, кг/с;

С – скорость парового потока в рассматриваемом сечении, м/с;

V – удельный объем, м³/кг.

После логарифмирования lnG=lnF+lnC-lnV и дифференцирования выражения (2) получим

(1.3)

Уравнение неразрывности в дифференцированной форме (1.3.3) показывает, что изменение площади поперечного сечения соплового канала определяется характером изменения скорости и удельного объема пара.

Уравнение сохранения энергии для энергетически изолированного (изоэнтропийного) течения имеет вид

сdc=-dh, (1.4)

где h – энтальпия пара в рассматриваемом сечении, дж/кг.

После интегрирования это уравнения может быть представлено в конечном виде

(1.5)

Уравнение (5) показывает, что сумма потенциальной и кинетической энергии в потоке при отсутствии подвода и отвода тепла остается постоянной.

Уравнение изменения количества движения можно получить из выражения(4). Оно записывается в форме

cdc=-vdp (1.6)

Здесь vdp – энергия давления пара. Знак « - » говорит о том, что кинетическая энергия и энергия давления изменяются в обратном порядке.

Уравнение (4) и (6) показывают, что в турбинной решетке увеличение скорости парового потока сопровождается уменьшением энтальпии и давления пара, оно обусловлено уменьшением этих параметров.