Необходимость производства турбин большой мощности привела к созданию многоступенчатых турбин. В этом случае на валу турбины насажено несколько дисков с закрепленными на их ободах рабочими лопатками. Каждая соседняя пара дисков разделена неподвижными дисками-диафрагмами, в которых закреплены направляющие лопатки, служащие соплами для рабочих лопаток. Диафрагма и следующий за ней диск с рабочими лопатками образуют ступень паровой турбины.
КАК РАБОТАЕТ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?
Рассмотрим вкратце работу, например, трехступенчатой паровой турбины (рис. 7).
Рис. 7. Схема устройства многоступенчатой турбины (сверху показан график изменения скорости и давлений пара в турбине)
Пар высокого давления поступает в кольцевую камеру А и через сопла, расположенные по ее окружности, — в каналы между рабочими лопатками первого диска, а затем последовательно проходит через сопла и каналы рабочих лопаток последующих ступеней турбины.
Отработанный пар через камеру В направляется в конденсатор. Проходя через сопла первой ступени, пар расширяется, его скорость увеличивается. Внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую. При движении пара между рабочими лопатками расширения пара не происходит, так как лопатки имеют такую форму и так расположены, что сечения криволинейных каналов между ними одинаковы по всей длине. Следовательно, давление пара при входе в канал и при выходе из него не меняется. Так как кинетическая энергия струи пара уменьшается (за счет механической работы вращения дисков), скорость движения пара в межлопаточном канале падает. Такой же процесс повторяется в последующих ступенях турбины.
Чем больше разность давлений пара по обе стороны сопла, тем выше скорость выхода пара из этих сопл, а значит, тем больше сила давления пара на рабочие лопатки. Поэтому к соплам подводят перегретый пар, обладающий большим запасом внутренней энергии. Графический процесс расширения пара представлен в виде диаграммы в верхней части рис. 8.
Рис. 8. Современная паровая турбина
Поскольку по мере движения пара через турбину его объем постепенно увеличивается, размеры рабочих лопаток и сопл в каждой из последующих ступеней (а их в современных турбинах насчитывается до 30) делают большими, чем в предыдущей.
На рис. 8 представлен внешний вид современной паровой турбины (некоторые части турбины для наглядности представлены в разрезе). По трубе пар поступает в цилиндр 6, приводит во вращение ротор высокого давления 5. Отсюда пар по перепускной трубе 4 направляется в цилиндр низкого давления 3, где отдает еще часть своей энергии дискам турбины и после этого выходит из турбины по трубе 1. За турбиной установлен электрический генератор 2. Вал турбины соединен с ротором генератора.
КАКОВО ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ОБЛАСТИ ТУРБОСТРОЕНИЯ?
Это прежде всего увеличение единичных мощностей агрегатов. Если в 70-х годах типовые блоки тепловых электростанций имели мощность 200 и 300 МВт, то в 80-х годах осуществляется переход на блоки в 500 и 800 МВт, т. е. мощность турбоагрегатов будет составлять 1200 МВт и более.
Применение энергоблока большой мощности экономически значительно выгоднее применения нескольких менее мощных агрегатов. При этом экономятся сырье, материалы, затраты на строительство зданий и т. д. Так, энергоблок мощностью 300 МВт при работе экономит до 20 % топлива по сравнению с тремя турбинами по 100 МВт и требует для своего изготовления на 30 % меньше металла.
В общем случае стоимость турбины, например, в 200 МВт всего лишь на 15–20 % выше стоимости турбины в 100 МВт, тогда как их мощности отличаются в два раза.
Экономия энергетических ресурсов в турбостроении также чрезвычайно важна, ибо турбина в 300 МВт (считающаяся в настоящее время турбиной небольшой мощности) потребляет в час до 900 т пара. А сколько же тогда должна потреблять пара турбина в 1200 МВт? И сколько каменного угля, нефти и газа надо сжечь для получения такого количества пара?
ЧЕМ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ПАРОВОЙ?
Почти одновременно с паровой турбиной появились первые газовые турбины, которые более просты по своей схеме, более компактны по сравнению с паротурбинной установкой.
Газовая турбина работает по тому же принципу, что и паровая, но рабочей средой в ней служит не пар, а продукты сгорания какого-либо топлива (жидкого или твердого).
В паротурбинной установке почти вся мощность турбины является полезной и передается какому-либо приемнику, тогда как в газотурбинной установке при температуре на входе 550–600 °C около 75 % мощности расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и только 25 % может быть передано потребителю (электрогенератору или другому приемнику).
Пока не было жаропрочных сталей и не было конструкций компрессоров, обладающих высоким КПД, построить мощную и экономичную газовую турбину не было возможности, хотя еще в 1897 г. русский инженер П. Д. Кузьминский спроектировал и затем изготовил газовую турбину, работающую на керосине. Эта турбина работала по принципу, применяемому в газовых турбинах и в настоящее время, — при постоянном давлении в камере сгорания.
В конце второй мировой войны и после нее газовые турбины нашли широкое применение в авиации, где большая мощность, малый вес и малые габариты турбореактивных двигателей даже при их сравнительно малом КПД (20–25 %) обеспечивают скорости полета, недостижимые при других двигателях.
«РЕАКТИВНЫЙ» — ЭТО УЖЕ НОВЫЙ ТИП ДВИГАТЕЛЯ?
Можно удивляться той прозорливости, с которой великий ученый-самоучка К. Э. Циолковский еще в 30-х годах в статье «Реактивный аэроплан» предсказывал: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы». Первые авиационные реактивные двигатели были испытаны в дни Великой Отечественной войны. Тогда же появились и уже применялись в больших масштабах реактивные снаряды и мины. Прославленные гвардейские минометные части были вооружены специальными реактивными установками «Катюша», самолеты-штурмовики Ил-2 (конструкции С.В.Ильюшина), именуемые фашистами «черной смертью», несли под крыльями также реактивные снаряды.
Вспомним имена создателей нашей замечательной боевой техники. Это конструкторы самолетов А. С. Яковлев, С. А. Лавочкин, С. В. Ильюшин, В. М. Петляков, А. Н. Поликарпов, конструкторы авиационных двигателей А. А. Микулин, А. Д. Швецов, В. Я. Климов; конструкторы воздушного огнестрельного оружия Б. Г. Шпитальный, И. Д. Комарицкий, А. А. Волков, И. П. Шебанов и многие другие. Созданная в это время авиационная техника по своим технико-экономическим и тактическим показателям была лучшей в мире.
Для винтомоторных самолетов с поршневым двигателем получение скоростей, превышающих 1000 км/ч, невозможно, тогда как реактивные двигатели с увеличением скорости повышают свой КПД и при колоссальных скоростях становятся особенно выгодными. Кроме того, реактивный способ создания движения оказывается наиболее выгодным при полете на больших высотах и в космическом пространстве.
КАК РАБОТАЮТ ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ?
В работе турбореактивных двигателей (двигателей с газотурбинной установкой) использован следующий принцип. Струя газа, вытекая из сопла со скоростью большей, чем та, с которой она в него вступила, создает силу реакции, направленную в сторону, противоположную направлению движения струи. Эта сила реакции и используется для перемещения самолета, ракеты, снаряда.