Після того, як людина придумала вітряний і водяний млин, вона вирішила використовувати потужність киплячої води. Таким чином була винайдена парова турбіна, принцип дії якої ґрунтується на перетворенні енергії пари в механічну роботу. Перша конструкція такої машини з’явилася в I столітті нашої ери. Створена вона була математиком і винахідником Героном Олександрійським.
Трохи історії
Пристрій першого парового механізму було дуже простим. Це звичайний куля, який був закріплений на осі, а з нього виходили дві загнуті трубки, розташовані на протилежних сферах. Всередину конструкції (еоліпілу) подавався пар від киплячої води, який вилітав з маленьких отворів трубок, що змушувало кулю обертатися.
Такий пристрій був першим реактивним двигуном, який оцінили тільки через п’ятнадцять століть. Сучасна версія еоліпілу розвиває швидкість до 1,5 тис. об.у XVII столітті італієць Д. Бранка сконструював схожу парову турбіну, де струмінь пари обертав колесо з лопатями.
Він планував створити паровий привід для свого сепаратора молока, який працював від обертання рукою. В кінці XIX століття йому вдалося зібрати таку машину, але через погані технічні та економічні характеристики Г.Лавалю довелося кинути цю затію. Винахідник повністю переключився на створення більш потужних двигунів. Він придумав і випустив перші комерційні приводи для електродвигунів потужністю 3,6 кВт. Одночасно свої розробки вів Англійський конструктор ч. Парсонс, якому вдалося вдосконалити деякі ідеї Г.Лаваля.
Він першим придумав багатоступеневу турбіну, яка складалася з декількох коліс. До того ж в її конструкцію входили три циліндри, які були розраховані на пар різного тиску. На відміну від Г. Лаваля, ч. Парсонс створював реактивні двигуни, які успішно працювали для електрифікації багатьох міст. Заради експерименту під його керівництвом було побудовано перше парове судно, яке змогло розвинути рекордну для того часу швидкість 63 км/год.
Основні конструкції
У будову будь-яких парових турбін входять дві основні частини: ротор, статор. Ротор являє собою рухливий елемент і зазвичай містить лопатки потрібної конфігурації. Статор – це нерухома частина з соплами круглого перетину. Парові механізми бувають:
- Аксіальними – рух пари здійснюється уздовж осі пристрою.
- Радіальними – лопатки встановлені паралельно з віссю механізму, що забезпечує перпендикулярний викид пари.
Турбіни можуть бути одноциліндровими і багатоциліндровими. Останні мають ряд переваг, оскільки дозволяють використовувати перепади внутрішньої енергії за рахунок декількох стадій тиску. Крім того, в їх конструкціях використовуються більш якісні матеріали для поділу потоків пари з різним тиском. Залежно від розташування, вали можуть бути:
- співвісний;
- паралельний.
Багатоциліндрові конструкції володіють важливою перевагою, оскільки вони застосовуються в більш потужних парових пристроях. До їх недоліків можна віднести досить складну конструкцію і дорожнечу.
Статор таких машин виконується обов’язково розбірним, щоб можна було зняти ротор під час ремонту або технічного обслуговування.
У корпусі статора є виточки, в яких встановлені діафрагми з соплами для збільшення тиску пари. Вали обов’язково володіють ущільненнями для запобігання витоку робочого носія і регуляторами безпеки для контролю швидкості обертання.
Різновиди турбін
Сучасні парові двигуни в основному застосовуються на теплових електричних станціях (ТЕС) для вироблення електроенергії. Під дією пари турбіна обертає потужний генератор, який виробляє електрику. Потужність однієї установки може бути дорівнює 1 ГВт. Існує три групи механізмів: конденсаційні, теплофікаційні, спеціального призначення.
Конденсаційні установки
Ці механізми відрізняються перетворенням максимального значення теплової енергії в кінетичну. Їх конструкція містить конденсатор, в який надходить відпрацьований пар. Пристрої можуть бути стаціонарними і пересувними.
У стаціонарних парових двигунах турбіна і електрогенератор розташовані на одному валу. Такі пристрої називаються турбогенераторами, а встановлюються вони в конденсаційних електричних станціях (КЕС). У них теплова енергія витрачається:
- на вироблення електроенергії;
- для опалення найближчих населених пунктів;
- на власні потреби КЕС.
Зазвичай на таких станціях встановлюються потужні турбогенератори, які відрізняються економічністю і більш дешевою електроенергією.
Залежно від мети використання парові турбіни діляться на базові і пікові. Перші несуть постійне навантаження, а пікові призначені для тимчасового вироблення необхідної потужності.
Теплофікаційні пристрої
Основне призначення цих механізмів – вироблення теплової енергії. Отримання електричної енергії тут грає другорядну роль. Станції, на яких встановлюється такий вид парових пристроїв, називаються теплоелектроцентралями (ТЕЦ). У таких турбінах встановлені механізми:
- протитиск;
- контрольованого відбору пари;
- комплексної дії.
У пристроях з протитисненням весь відпрацьований пар надходить для обігріву. В цьому випадку вироблення електроенергії залежить від потреби виробництва. Тому такий механізм зазвичай працює паралельно з конденсаційною турбіною і електромережею, які покривають дефіцит електроенергії.
У пристроях з контрольованим відбором деяка кількість пара забирається від проміжних ступенів, а частина, що залишилася надходить в конденсатор. У комплексних пристроях необхідний обсяг пара відбирається із ступенів турбіни, а інша кількість йде в опалювальну систему.
Механізми спеціального призначення
Такі пристрої найчастіше використовуються на металургійному, машинобудівному та хімічному виробництвах. До спеціальних відносяться механізми дросельованої пари, двох тисків і попередньо включені.
Дросельовані турбіни функціонують на відпрацьованому парі поршневих пристроїв, парових молотів і пресів. Пристрої двох тисків використовують свіжий і відпрацьований пар, який підводиться до однієї зі ступенів.
До попередньо включеним механізмам відносяться турбіни з високим стартовим тиском. Такі пристрої необхідні при переобладнанні електростанцій для роботи з паровими котлами високого тиску.
До спеціальних механізмів відносяться і приводні агрегати для потужних пристроїв. Сюди входять насоси енергетичних блоків електростанцій, двигуни газокомпресорних установок та інші механізми. Зазвичай такі турбіни виготовляються за спеціальними замовленнями.
