Turbiny parowe

      Turbina parowa jest silnikiem cieplnym wirnikowym. Turbinie parowej podobnie jak w tłokowym silniku parowym, odbywa się przetwarzanie energii "cieplnej" pary wodnej, dopływającej z kotła na pracę mechaniczną. Zasada działania i wynikające z niej właściwości obu tych maszyn są zupełnie inne.

Odmiennie niż w parowym silniku tłokowym, w turbinie parowej zachodzi podwójna przemiana energii:

  • przez rozprężenie pary (głównie w nieruchomych kanałach międzyłopatkowych) następuje zamiana energii "cieplnej" pary na energię kinetyczna strumienia pary,
  • w kanałach międzyłopatkowych wirnika zachodzi z kolei przetwarzanie tej energii kinetycznej na pracę mechaniczną.

Układ łopatkowy turbiny jest złożony z nieruchomych wieńców łopatkowych (tzw. wieńce kierownicze, związane z kadłubem) oraz wieńców wirujących związanych z wirnikiem.

Zasada działania turbiny parowej była znana już w starożytności(kula Herona z Aleksandrii - II w.n.e), jednak wynalazek turbiny parowej pochodzi z końca XIX wieku. Od początku XX wieku ma miejsce intensywny rozwój jej konstrukcji, trwający do chwili obecnej. Turbiny parowe są stosowane w wielu dziedzinach gospodarki, głównie w energetyce, przemysłach przetwórczych i w transporcie morskim. Zasadniczym zadaniem turbin parów prądnic elektrycznych w energetyce. Większość wytwarzanej na elektrycznej pochodzi z turbozespołów parowych (turbozespół - zespół złożony z turbiny i napędzanej przez nią prądnicy elektrycznej oraz urządzeń pomocniczych). Roli energii elektrycznej we współczesnej gospodarce i życiu codziennym nie sposób przecenić; rosnące wciąż zapotrzebowanie na energię elektryczną stymuluje rozwój energetyki i turbin parowych. Moc jednostkowa małych turbin parowych wynosi ok. l kW, największych przekroczyła już 1500 MW. Jest to moc nieosiągalna dla innych typów silników cieplnych. Należy tu zwrócić uwagę, że w elektrowniach jądrowych, podobnie jak w konwencjonalnych, turbiny parowe napędzają prądnice. W wielu procesach technologicznych jest potrzebna zarówno energia elektryczna, jak i ciepło oraz para "technologiczna". W układach energetycznych tych procesów są stosowane odpowiednie typy turbin parowych, dostarczających ciepło i parę do celów technologii oraz - dodatkowo - energię elektryczną jako "produkt uboczny". Poprawia to gospodarkę cieplno-energetyczną zakładu. Analogiczna jest zasada wykorzystania turbin parowych w ciepłownictwie. W elektrowniach, a i ogólnie w przemyśle, turbiny parowe są także stosowane do napędu pomp, sprężarek i wentylatorów. Turbiny parowe stanowią też napęd dużych statków i okrętów, np. tankowców czy lotniskowców, w szczególności o napędzie atomowym. Zasadnicze elementy turbiny parowej przedstawi przykład jednokadłubowej wielostopniowej akcyjnej turbiny kondensacyjnej. Para przegrzana o ciśnieniu 8,8 MPa i temperaturze 535°C dopływa rurociągami z kotła i dostaje się do turbiny przez zawór główny, nazywany też szybkozamykającym (nie pokazany na rysunku), całkowicie otwarty w czasie normalnej pracy. Następnie rurociągami 1 dopływa do zaworów regulacyjnych 2 (jeden lub częściej kilka, tu 4), znajdujących się pod wpływem regulatora prędkości obrotowej. Zawory regulacyjne są tu połączone z komorami dyszowymi 3, u których wylotu są zamocowane nieruchome łopatki kierownicze 4 pierwszego stopnia turbiny 29, nazywane zwyczajowo dyszami. U wylotu turbiny panuje znacznie niższe od atmosferycznego ciśnienie 3,5 kPa, tj. stosunkowo głęboka próżnia, wytwarzana przez połączone z turbiną urządzenie kondensacyjne. Ta duża różnica ciśnień pomiędzy wlotem i wylotem turbiny umożliwia rozprężenie pary. Zachodzi ono stopniowo, w 21 kolejnych stopniach turbiny. W nieruchomych kanałach rozprężnych poszczególnych stopni, nazywanych kierownicami, para uzyskuje odpowiednią energię kinetyczną, dzięki której wykonuje następnie pracę w wieńcach wirujących. Po przepłynięciu przez wieńce kierownicze i wirujące wszystkich stopni rozprężona para opuszcza turbinę przez wylot 5, który jest połączony ze skraplaczem, umieszczonym zwykle pod turbiną. Wraz z obniżeniem ciśnienia (wskutek rozprężenia) objętość właściwa pary szybko wzrasta, stąd wysokości łopatek na wylocie są znacznie większe niż na wlocie. Łopatki kierownicze, tworzące wieńce kierownicze, są osadzone w tarczach kierowniczych 6, które za pośrednictwem obejm 7 są połączone z kadłubem turbiny 8.


Jednokadłubowa wielostopniowa reakcyjna turbina kondensacyjna

Łopatki wirujące, tworzące wieńce wirujące, są zamocowane na tarczach wirujących 9, które w części wylotowej są osadzone na wale (wirniku) 10, a w części wlotowej wytoczone razem z wałem ze wspólnej odkuwki. Wirnik 10 spoczywa na ślizgowych łożyskach nośnych: przednim 11 oraz tylnym 12. Siłę osiową przejmuje łożysko oporowe 73, zwykle typu Michella. W omawianej turbinie przednie łożysko nośne i łożysko oporowe są połączone, tworząc łożysko oporowo-nośne. Wirnik turbiny 10 jest bezpośrednio sprzężony z wirnikiem napędzanej prądnicy 14 za. pomocą sprzęgła półsztywnego 15. Dla uniknięcia nadmiernych przecieków pary na zewnątrz turbiny (w części wlotowej)oraz podsysania powietrza (w części wylotowej) wirnik uszczelnia się względem kadłuba labiryntowymi dławnicami zewnętrznymi 16 oraz 17. W tarczach kierowniczych 6 wirnik jest uszczelniony labiryntowymi dławnicami międzystopniowymi 18. Dla zasilania regeneracyjnych podgrzewaczy skroplin części pary z turbiny jest odbierana przez króćce upustów regeneracyjny 19 na komorach upustów 20. W przednim stojaku łożyskowym 21, poza oporowo-nośnym, jest umieszczony blok regulatorów bezpieczeństwa 22 oraz napędzana od wału turbiny główna pompa olejowa 23 i regulator prędkości obrotowej 24. W celu zapewnienia równomiernego nagrzewania turbiny przy rozruchu i stygnięcia przy wyłączaniu z ruchu (odstawianiu) wirnik turbiny jest powoli obracany przez elektryczny silnik obracarki 25 z przekładnią 26. W czasie normalnej pracy turbiny obracarka jest odłączona. Turbina opiera się na betonowym fundamencie za pośrednictwem płyt fundamentowych.


Schemat układu łopatkowego dwuwieńcowego stopnia Curtisa


Jednostopniowa turbina parowa do napędów pomocniczych