Электрическая турбина

Развитие электротехники потребовало перехода к более мощным двигателям, поскольку паровые машины не могли обеспечить увеличение мощности генераторов электрического тока. Перейти на качественно новый уровень можно было лишь за счет применения турбин.
Появление гидравлических турбин явилось следствием того, что водяные колеса не могли обеспечить энергией места, удаленные отводных источников. Они могли работать лишь при малом напоре воды (до 8 м), который был на равнинных реках. Это не позволяло использовать огромные запасы энергии, сосредоточенные в реках с большими напорами. Возможность их освоения заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличающегося от водяного колеса. Им стала водяная турбина, использовавшая силу реакции, создаваемой потоком воды на лопастях рабочего колеса.
Толчком к ее появлению стали труды Д. Бернулли. В своей работе «Гидродинамика», опубликованной в 1738 г., Бернулли обобщил ряд своих исследований по вопросам гидравлики и гидродинамики и вывел уравнение, устанавливающее на основании закона «живых сил» связь между давлением и скоростью в каждой точке потока несжимаемой капельной жидкости.
Уравнение Бернулли не только отражало закон сохранения и превращения энергии для частного случая гидравлической энергии, но и отчетливо указывало на принципиальную возможность построения гидравлических двигателей двух разных классов: использующих либо кинетическую, либо потенциальную составляющую полной энергии водного потока. Кроме того, Бернулли создал теорию реактивного действия, происходящего от вытекания струи через отверстие, сделанное в стенке сосуда.
Практически это явление было использовано впервые в 1745 г. английским механиком Баркером, построившим реактивное колесо, а в 1747 г. – венгерским физиком Я. Сегнером. Сегнер, работавший в Геттингенском университете, создал прибор, названный сегнеровым колесом, явившийся прототипом реактивного гидравлического двигателя. Позднее Сегнер совершенствовал конструкцию для практического использования своего колеса. Первоначально он построил цилиндр с двумя трубками для выпуска воды, а затем – с четырьмя трубками и даже шестью. Последнюю из этих конструкций Сегнер пытался применить для вращения жернова. Однако недостаточное знание сущности физических процессов, происходящих в таком двигателе, не дало Сегнеру возможности его усовершенствовать.
Л. Эйлер увидел в реактивном двигателе Сегнера большие практические возможности и занялся его изучением. В своих докладах, сделанных Берлинской академии наук, Эйлер дал анализ процессов в сегнеровом колесе и указал, что его низкий КПД связан с потерями энергии, которые можно значительно снизить. Потери при входе воды в колесо, происходящие от резкого изменения скорости и направления течения воды (потери на удар), могут быть уменьшены, если подводить воду к колесу в направлении вращения сосуда и со скоростью этого вращения. Чтобы уменьшить потери на выходе из турбины, Эйлер заменил горизонтальные водовыпускные трубки в двигателе Сегнера трубками криволинейной формы, идущими сверху вниз. В них не требовалось делать сбоку отверстие для выпуска воды, а можно было оставлять открытым нижний конец загнутой трубки. Эйлер подчеркнул, что в сегнеровом колесе может быть использована и превращена в механическую энергию почти вся энергия воды, пропускаемой через колесо.
Эйлер предложил разделить новую гидравлическую машину на две части: неподвижный направляющий аппарат, через который вода поступала в нижнее вращающееся колесо, насаженное на вал и являющееся рабочим органом машины. Рабочее колесо он снабдил 20 короткими изогнутыми трубами для выхода воды. Гидравлический двигатель Эйлера представлял собой переходную конструкцию от сегнерова колеса к гидравлической турбине.
К началу XIX в. в связи с успехами в области паровых двигателей применение водяных колес сократилось.
Исследования ученых, в частности Ж. В. Понселе, показали, что изогнутые лопатки водяных колес более эффективны, чем плоские, так как позволяют осуществить безударный вход воды на лопатки, что повышало КПД. Из металла можно было изготовлять изогнутые лопатки любого вида. Поэтому в этот период металлические водяные колеса стали преобладать над водяными колесами с плоскими лопатками.
Понселе предложил особый род подливных колес, в которых благодаря специальной форме лопаток можно было получить высокий КПД (до 0,7). Лопаткам в них придавалась такая кривизна, что подводимая вода поступала на лопатки в направлении их кривизны, проходила на некоторое расстояние вверх по лопатке и затем, опускаясь, выводилась наружу. Это совершенно устраняло удар воды о лопатки при входе и сопутствующие ему потери энергии. При металлических водяных колесах устраивались особые щитки для рационального направления воды к лопаткам колеса. Наиболее распространенными типами водяных колес, изготовлявшихся в XIX в., были применявшиеся при малых напорах (не более 1,5 м). Такими являлись, например, среднебойные водяные колеса Сажбьена и водяные колеса Цуппингера. У них была небольшая окружная скорость и малое число оборотов, что требовало большого диаметра, значительной ширины обода колеса и большого числа лопаток. В водяном колесе Сажбьена ширина обода была еще больше, лопатки имели криволинейную форму по всей поверхности так, что лопатки выходили из нижнего канала нормально к поверхности воды.
В 1832 г. на конкурсе, который проводило французское «Общество для поощрения национальной промышленности», свой гидравлический двигатель представил Б. Фурнейрон.
Турбина Фурнейрона являлась реактивным гидравлическим двигателем радиального типа с движением воды через направляющий аппарат от центра к периферии. Представленный на конкурс образец имел мощность 50–70 л. с., число оборотов более 60 в минуту, КПД – 0,7–0,8. В отчете Парижской академии наук о работе этой установки указывалось, что, применив особые внутренние ободья при лопатках рабочего колеса и соответствующие опускные затворы, удалось добиться такой регулировки турбины, что она работала с одинаковым КПД как в половодье, так и при низком уровне воды. В последнем случае понижалась лишь мощность.
Существенное отличие турбины от водяного колеса состоит в том, что в турбине вода входит на одну кромку лопатки турбины, проходит по лопатке и сходит с другой кромки, не меняя направления движения по лопатке. В водяном колесе вода входит и выходит в одном и том же месте, совершая перемещение по лопатке в обратную сторону. Вследствие этого скорость и направление движения воды в лопатке колеса изменяются по времени. В турбине вода не останавливается, не меняет направления течения на обратное, а течет непрерывно. Поэтому турбина может применяться в широком диапазоне напоров и развивать большее число оборотов, чем водяное колесо. В турбине вода проходит одновременно по всем лопаткам рабочего колеса, а в водяном колесе – лишь по небольшой их части, что приводит к уменьшению размеров турбины по сравнению с водяным колесом. При одинаковой окружной скорости на ободе двигателя, пропорциональной скорости подводимой воды, число оборотов турбины больше, чем водяного колеса, так как диаметр ее меньше. Это обстоятельство упрощает передаточные механизмы или даже делает их ненужными.
Водяные турбины разных конструкций можно классифицировать по отдельным признакам. Прежде всего, они делятся на два основных класса: реактивные и активные.
В реактивных турбинах вода заполняет все каналы между лопатками направляющего аппарата и рабочего колеса. Это так называемые полные или напорные турбины. Энергетический процесс в них протекает в основном за счет изменения суммы энергии давления и частично кинетической энергии.
В активных турбинах вода проходит через турбину свободно, не заполняя всего рабочего колеса или действуя на часть его, причем давление среды, окружающей воду в турбине, всюду одинаково. В них передача энергии потока воды в рабочее колесо осуществляется в основном за счет изменения кинетической энергии воды. Эти турбины получили также название свободноструйных. Активные турбины пригодны в условиях переменного или малого количества воды, но при больших напорах. Активные турбины могут действовать при одновременной работе не всех, а только части рабочих лопаток. Такие турбины носят название парциальных.
Водяные турбины могут быть либо с горизонтальным валом, на который насажено рабочее колесо, либо с валом вертикальным. В соответствии с этим различают турбины горизонтальные и вертикальные.
Наиболее естественным представляется размещение направляющего аппарата турбины над рабочим колесом. В таких турбинах движение воды будет происходить по цилиндрическим поверхностям, ось которых параллельна оси рабочего колеса; подвод воды также происходит в направлении, параллельном этой оси. Такие турбины получили название осевых, или аксиальных, реактивных турбин.
В турбине Фурнейрона осуществлялся подвод воды к рабочему колесу из направляющего аппарата в радиальном направлении, причем рабочее колесо охватывало направляющий аппарат. Такие реактивные турбины называют радиальными или центробежными. Если относительное расположение направляющего аппарата и рабочего колеса обратно предыдущему, т. е. приток воды происходит в радиальном направлении от периферии к центру, то двигатель называется турбиной с наружным радиальным подводом воды (иногда их называли центростремительными). Этот тип оказался более удобным, так как размеры вращающегося рабочего колеса при этом получаются меньшими, можно видоизменять конструкцию рабочего колеса в зависимости от числа оборотов.
Реактивные турбины строились как горизонтальными, так и вертикальными. В них лопатки направляющего колеса и рабочего колеса имели форму винтообразно искривленных поверхностей, причем направление кривизны лопаток направляющего колеса противоположно направлению кривизны лопаток рабочего колеса. Турбины Геншеля – Жонваля стали строиться с новым основным рабочим органом – отсасывающей трубой, позволявшей использовать весь располагаемый перепад, размещая турбину настолько выше нижнего уровня воды, насколько это удобно при компоновке всей установки (в пределах Юм). Турбина Геншеля – Жонваля быстро вытеснила турбины Фурнейрона и использовалась в течение всего XIX в. После начала передачи электроэнергии на расстояние были построены быстроходные турбины Геншеля – Жонваля для непосредственного соединения с электрическим генератором.
Наибольший успех в XIX в. выпал на долю радиально?осевых реактивных турбин. Американский конструктор Хауд в 1838 г. получил патент на радиальную турбину с внешним подводом воды с центростремительным движением. Ее подробно изучил и испытал в 1849 г. американский инженер Д. Б. Френсис, улучшивший ее, после чего она стала называться турбиной Френсиса. В 1855 г. американский инженер Свейт сделал эту турбину радиально?осевой, заставив поток менять направление в рабочих лопатках с радиального на осевое, что позволило объединить турбину со всасывающей трубой.
В 1877 г. Финк предложил конструкцию поворотных лопаток в направляющем колесе радиально?осевых турбин, при которой их вращение осуществлялось поворотом общего соединительного кольца, связанного с регулятором турбины. Эта схема регулирования расхода воды и мощности обеспечила лучшую маневренность двигателя.
Уменьшение габаритов рабочего колеса в радиально?осевых турбинах позволило обеспечить рациональный отвод отработавшей воды от рабочего колеса. Этому способствовало применение отсасывающей трубы, которой стали снабжаться все реактивные водяные турбины с наружным подводом воды. Ее назначение – отвести от рабочего колеса воду с наименьшими потерями. Действие трубы основано на том, что протекающая по ней вода создает под рабочим колесом разрежение и тем компенсирует уменьшение напора от расположения рабочего колеса турбины выше нижнего уровня.
Для подвода воды к турбине была применена камера, имевшая в плане форму спирали. Она обеспечивала равномерность питания турбины, подводя воду во всех точках по окружности колеса с одинаковой скоростью и по одинаковому направлению. Применение спиральной камеры улучшило работу направляющего аппарата и повысило КПД турбины.
Для использования энергии воды при больших напорах были разработаны активные водяные турбины. Среди них были парциальная турбина Швамкруга и тангенциальное колесо А. Пельтона.
В турбине Швамкруга рабочее колесо большого диаметра (5 м и более) имело направляющие лопатки, расположенные внутри обода. Подводящая труба входила внутрь рабочего колеса и имела несколько сопел, отверстия которых регулировались задвижками. Движение воды в этих турбинах происходило по касательной к рабочему колесу, лопатки которого расширялись снаружи.
Колесо Пельтона применялось при очень больших напорах и малых количеств воды, когда другие турбины работают с низким КПД. В нем нет каналов, по которым протекает вода, а имеются лишь ковшеобразные лопатки на рабочем колесе, подвергающиеся непосредственному действию воды. Колесо Пельтона является свободноструйной, или ковшовой, турбиной. Она является парциальной, так как вода в любой момент времени действует на небольшое число лопаток. На самые нижние точки колеса бьет струя воды из сопла. Мощность струи регулировалась сначала язычковым затвором, а затем особым шпинделем, входящим в сопло. Колесо Пельтона может приводиться во вращение действием нескольких струй, выходящих из сопел, расположенных особым образом.
К началу XX в. в основном применялись два типа турбин: радиально?осевая реактивная турбина и колесо Пельтона. После опытов, поставленных во время Лауффен?Франкфуртской выставки 1891 г. началась новая эра в производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях. Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, равный числу оборотов данной турбины при напоре 1 м и мощности 1 л. с. В первых радиально?осевых турбинах он равнялся 60–70, а к концу XIX в. возрос до 320. Для повышения коэффициента быстроходности стремились распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и вертикальные турбины сдвоенного типа. В 1914 г. Дубе доказал, что при значительном увеличении зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом и одновременном уменьшении длины лопаток рабочего колеса можно довести этот коэффициент до 500 в несдвоенной турбине. Но при рабочем колесе с неподвижными лопатками при этом снижался КПД.
Решительный прогресс в отношении коэффициента быстроходности был достигнут в 1914–1916 гг., когда В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.
Гидравлические турбины, предложенные Капланом для низконапорных установок, в процессе своего развития прошли две формы. Вначале в этой турбине между выходными ребрами направляющего аппарата и входными ребрами рабочего колеса имелось большое незанятое пространство, лопатки были очень короткими в направлении движения воды, водный поток в турбине имел большую свободу, чем в других турбинах, и уменьшались гидравлические потери, что приводило к повышению коэффициента быстроходности. Стремясь устранить детали, усложняющие прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1000, КПД при полном подводе воды к турбине равнялся 0,8–0,82. Но испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу КПД резко падает. После этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. Поворот лопаток вначале регулировался вручную, а затем был автоматизирован. Турбины этого типа называются поворотнолопастными. Поворотнолопастные турбины, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными.
Радиально?осевые гидротурбины применяют на напоры до 500–600 м. Из активных гидротурбин чаще всего используют ковшовые и применяют на напоры выше 500–600 м.
Паровую турбину впервые создал Герон Александрийский. Устройство, названное им «эолипил», действовало на реактивном принципе. Реактивная сила пара, вытекавшего из согнутых трубок (сопел), приводила во вращение шар, закрепленный на оси.
Прообразом современных паровых турбин стала модель паровой турбины, построенная в XVI в. итальянцем Бранка. Она состояла из бачка с водой, под которым находилась горелка. При нагревании струя пара, поднимаясь по специальной трубке?соплу, попадала на лопатки, укрепленные на диске, и вращала диск.
Попытки построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, осуществил в 1791 г. Садлер. Опыты Сен?Венана и Вантцеля над истечением пара показали наличие больших трудностей в постройке паровой турбины, связанных с высокими скоростями пара. Открытое при эксплуатации гидравлических турбин рациональное отношение между скоростями движущей среды и лопатками турбины показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень высоких оборотах.
Таким образом, при разработке паровых турбин были два возможных пути: снижение числа оборотов паровых турбин без потери КПД и разработка конструкций, способных работать при большом числе оборотов.
Первое направление заключалось в применении многоступенчатой турбины. Этот принцип описал в 1853 г. Турнер.
Кроме него многоступенчатый принцип предложили Жирар в 1855 г., Перриго и Фарко в 1864 г., Эдвардс в1871 году.
Развитие паровых турбин началось с появлением электроэнергетики. Ряд принципиальных вопросов в их конструировании разрешил в своих трудах шведский инженер Г. П. Лаваль. Он был сторонником увеличения числа оборотов технических агрегатов. В конструкции первого сепаратора непрерывного действия в 1878 г. он применил большое число оборотов (6000–7000 в минуту). Для непосредственного привода своего сепаратора Лаваль в 1883 г. предложил сначала простейшую турбину в виде героновского эолипила. Стремясь повысить КПД турбины, Лаваль в 1889 г. изобрел расширяющееся сопло, носящее сейчас его имя. Оно позволяет понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость. Сопло Лаваля позволило повысить начальное давление пара и увеличить экономичность парового двигателя.
Пойдя по пути освоения высоких скоростей, Лаваль создал активную одновенечную турбину с рядом рабочих лопаток на одном рабочем колесе, вращавшемся со скоростью примерно 30 000 об/мин. В процессе ее конструирования Лавалю пришлось решить ряд проблем: расширяющегося сопла, гибкого вала, турбинного колеса?диска в форме тела равного сопротивления инерционным силам, возникающим при громадном числе оборотов, подшипников гибкого вала с шаровой опорой, специальных материалов (Лаваль впервые применил никелевую сталь для лопаток и дисков); автоматического останова турбины при переходе за допускаемую предельную скорость вращения (решенного им в виде «разрушителя вакуума»), наконец, проблему редуктора в виде механического зубчатого зацепления пары колес с шевронными геликоидальными зубцами.
Турбины конструкции Лаваля получили название активных. Малая мощность и довольно большой расход пара (6–7 кг/л. с. ч.) в турбинах Лаваля ограничили их применение областью привода маломощных агрегатов с большим числом оборотов.
Быстроходная паровая турбина, не имеющая частей, совершающих возвратно?поступательное движение, способна была сконцентрировать в одном агрегате громадные мощности. Это свойство турбины могло проявиться только при ее объединении с генератором электрического тока.
В этом направлении вел работу английский инженер Ч. Парсонс. В 1884 г. он получил патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 6 л. с. при 1000 об/мин. Для уравновешивания осевых усилий пар подводился в кольцевое пространство в средней части турбины, откуда через венцы подвижных и неподвижных лопаток он проходил к концам турбины. Размеры всех лопаток были почти одинаковыми, так что рост сечения для прохода пара практически отсутствовал. Такие турбины стали называться реактивными.
С 1885 по 1899 г. Парсонс строил паровые турбины разнообразных конструкций, постепенно вводя новые и новые улучшения, снижая расход пара, достигавшего в первых образцах громадной величины – около 60 кг/кВт?ч. К 1889 г. турбины Парсонса имели расход пара порядка 12 кг/кВт?ч. Эти турбины развивали мощность 60–75 кВт при 4800–5000 об/мин. В 1887 г. были впервые применены лабиринтовые уплотнения, использованные для разгрузочного поршня, с введением которого турбины начали строить однопроточными.
В Европе паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов в 1899 г, когда в немецком городе Эльберфельд на электрической станции для привода генераторов трехфазного переменного тока впервые были применены турбины Парсонса мощностью 1000 кВт. Испытание Эльберфельдской станции было поручено лучшим немецким специалистам. Опубликованный ими в 1900 г. отчет установил неоспоримое преимущество паровой турбины перед другими типами двигателей, служивших для привода генераторов электрических станций. Турбины работали паром со средним давлением 10,5 атм, температурой 200 °C и показали расход пара 8–9 кг/кВт?ч при полной нагрузке агрегата.
В 1896 г. американский инженер Ч. Кертис ввел разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости. При этом пар, покидавший сопло с большой скоростью, отдавал активному венцу только половину своей скоростной энергии. Для этого лопатки венца двигались не с половинной, а с четвертной скоростью по сравнению со скоростью струи пара. Вышедший из первого венца и отдавший ему половину своей скорости пар поворачивался без изменения его параметров на неподвижных лопатках направляющего аппарата и затем поступал на лопатки второго рабочего венца, которому он отдавал всю свою скорость, поскольку второй венец двигался в 2 раза медленнее струи пара. Таким образом, абсолютная скорость первого венца была равной абсолютной скорости второго венца, и их можно объединить на одном колесе?диске, получившем название диска Кертиса.
В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже французский профессор О. Рато представил чертежи и детали паровой турбины мощностью 1 000 л. с. Она была сконструирована на основе принципа разбивки общего перепада давлений на отдельные активные ступени, в каждой из которых срабатывался лишь незначительный перепад давлений.
В 1903 г. инженер швейцарского завода «Эшер?Висс» Г. Целли усовершенствовал турбину Рато, уменьшив число активных ступеней давления с 16–20 до 7–10, что значительно упростило и удешевило ее. Ряд крупных машиностроительных заводов образовал синдикат для постройки турбин по патенту Целли.
Паровые турбины продолжали развиваться, и в 1913 г. расход пара в турбине Парсонса мощностью 25 000 кВт, работавшей с паром давлением 14 атм при температуре 304 °C, составил 5 кг/кВт?ч.
Снижение расхода пара было во многом связано с примененным впервые в турбинах завода Парсонса углублением вакуума при помощи струйных элементов, ставших предшественниками современных пароструйных эжекторов.
Постепенно реактивная паровая турбина Парсонса уступила место более компактным активно?реактивным паровым турбинам, в которых реактивная часть высокого давления заменена одно– или двухвенчатым активным диском. Такая турбина проще и экономичнее, поскольку уменьшились потери на утечки пара через зазоры между лопатками.
Паровые турбины, устанавливаемые на теплоэлектростанциях, выпускают отработанный пар в конденсатор, где поддерживается вакуум. Конденсация отработанного пара сопровождается выделением тепла, ранее затраченным на испарение жидкости.
Паровые турбины теплоэлектростанций соединены с генераторами переменного электрического тока (турбогенераторами). В зависимости от назначения они делятся на базовые, несущие постоянную основную нагрузку, пиковые, работающие непродолжительное время для покрытия пиков нагрузки, и турбины для собственных нужд, которые обеспечивают потребность в электроэнергии самой электростанции.
Основное требование к базовым турбинам – экономичность на больших нагрузках, к пиковым – возможность быстрого пуска и включения в работу, к турбинам для собственных нужд – высокая надежность в работе.
Для покрытия пиковых нагрузок на электростанциях могут применяться газотурбинные установки. Воздух в них сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, куда также вводится жидкое топливо или горючий газ. Нагретый сжатый газ вращает турбину. Часть энергии турбины идет на компрессор, сжимающий воздух, часть – электрогенератору.