Техническая эксплуатация турбин.

Эксплуатация судовых паровых турбин должна вестись в строгом соответствии с инструкциями заводов-изготовителей, Правилами обслуживания судовых паровых турбин и ухода за ними, а также другими руководящими и инструктивными документами, имеющимися на судах.
Перед пуском паровой турбины обслуживающему персоналу необходимо осмотреть турбоагрегат и убедиться в том, что паротурбинная и конденсационная установки находятся в исправном состоянии.
Очень важна проверка правильности показаний расширения корпуса турбины (по указателям). Кроме того, производятся замеры осевого и радиального положения роторов турбины и валов зубчатой передачи. Вахтенный механик должен сравнить полученные данные с предыдущими замерами, а результаты занести в машинный журнал.
При подготовке к работе смазочной системы проверяется работа масляных насосов, запорной арматуры, сигнализации падения давления масла, а также отсутствие пропусков и подтеканий в трубопроводах и в местах их соединений.
Количество масла в опорных и упорных подшипниках должно достигать соответствующего уровня; при использовании принудительной смазки необходимо включить в работу масляный насос и проверить поступление масла к трущимся поверхностям.
Систему охлаждения опорных и упорных подшипников, работу циркуляционного и конденсатного насосов и других механизмов, обслуживающих турбину во время работы, проверяют, руководствуясь инструкциями заводов-изготовителей и Правилами обслуживания судовых вспомогательных механизмов и ухода за ними.
Перед пуском турбины обязательно следует проверить исправность валоповоротного устройства и подготовить его к работе, для этого необходимо отжать тормоз гребного вала и ослабить дейдвудный сальник. Если на дейдвудные втулки для смазки подается вода, необходимо убедиться в ее поступлении, при смазке втулки маслом — удалить из системы отстой и подать масло на дейдвуд.
Одновременно проверяется автоблокировка валоповоротного устройства, закрытие быстрозапорного и маневрового клапанов.
Получив разрешение с мостика, производят пробное проворачивание главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) и одновременное прокачивание его маслом. Проворачивают агрегат не менее чем на 1 одну треть оборота гребного вала на передний и задний ходы. Во время проворачивания необходимо внимательно следить за нагрузкой на электродвигатель валоповоротного устройства. Нагрузка выше номинальной или ее резкие колебания свидетельствуют о неисправностях в ГТЗА, которые необходимо немедленно выявить и устранить.
После- подготовки паропроводов и систем управления ГТЗА, которая ведется согласно соответствующим инструкциям, приступают к прогреву турбины для того, чтобы при пуске в ней не возникали недопустимые термические напряжения и остаточная деформация в деталях, что может привести к задеванию вращающихся деталей о неподвижные.
При остановленном роторе впуск пара не допускается, так как при этом верхняя часть турбины обогревается больше нижней, а это приводит к короблению и прогибу ротора.
Поступающий в турбину пар конденсируется и собирается в ее нижней части. Для предотвращения гидравлического удара во время вращения ротора весь конденсат из турбины необходимо своевременно удалять. Поэтому все части паропровода и турбин, в которых может собираться конденсат, имеют трубопроводы и конденсационные горшки с запорными клапанами, которые открываются перед подачей пара на прогрев турбин.
Перед пуском турбины в работу еще раз убеждаются в отключении валоповоротного устройства, пускают на полную производительность паровоздушный эжектор, циркуляционный и конденсатный насосы. Медленным открытием маневрового клапана проворачивают турбину 3—4 раза на передний и задний ходы при открытых продувочных кранах и клапанах. Если замечаний нет, докладывают на мостик, что турбина готова к пуску.
Пуск турбины (по команде с мостика) производится медленным открытием маневрового клапана, после чего частоту вращения постепенно увеличивают до требуемой. Сопловые клапаны на любом режиме должны быть полностью или открыты, или закрыты. Подача пара, а следовательно, и частота вращения турбины регулируются маневровым клапаном. При достижении необходимой частоты может возникнуть повышенная вибрация турбины. В этом случае необходимо снизить частоту до исчезновения вибрации, а через 5—10 мин вновь увеличить ее. Если после дву-, трехкратного повторения этого маневра вибрация появляется вновь, следует остановить турбину, выявить причины вибрации и принять все меры к ее устранению.
При увеличении частоты вращения ротора необходимо внимательно следить за работой редуктора, изменением шума, появлением вибрации, температурой пара, идущего в конценсатор, удлинением ротора и расширением корпуса, температурой подшипников, давлением масла в смазочной системе и т. д.
При увеличении частоты вращения турбин с гибкими валами зона критической частоты проходится быстро. Переходя на устойчивый режим работы турбинной установки, маневровый клапан открывают полностью, чем достигают уменьшение дросселирования пара. Необходимая частота вращения турбины достигается открытием определенного количества сопловых клапанов. Все механизмы и устройства переводятся на режим работы, соответствующий нагрузке на турбозубчатый агрегат. По разрешению с мостика перекрывается пар на ТЗХ. При движении судна в тумане, по каналам, проливам, узкостям и т. п. пар на турбину заднего хода должен быть открыт постоянно, а турбина должна быть готова к немедленному пуску.
Во время работы турбины на установившемся режиме обслуживающий персонал обязан обеспечить заданный ход и маневренность судна, надежную и экономичную работу установки, строгое соблюдение инструкций завода-изготовителя и Правил обслуживания судовых паровых турбин и ухода за ними.
Основное внимание обслуживающего персонала должно быть уделено поддержанию заданной частоты, необходимого давления и температуры масла в системе смазки; наблюдению за концевыми уплотнениями; своевременному обнаружению посторонних шумов и вибрации в турбозубчатом агрегате; наблюдению за работой конденсатора и всех контрольно-измерительных приборов.
Отклонение параметров рабочего пара не должно превышать для давления— 5% от рабочего, для температуры — 10—15 С. Понижение давления не должно быть более чем на 10 % от номинального.
Температура масла, поступающего к подшипникам, должна быть в пределах 35—45 С, выходящего — не более 65—70 С. Подшипники во время работы должны быть под особым наблюдением обслуживающего персонала, так как их выход из строя приведет к выходу из строя всего турбозубчатого агрегата (ТЗА). Поэтому во время обхода и осмотра ТЗА, который осуществляется обслуживающим персоналом каждые полчаса, внимательно проверяется давление смазочного масла до и после фильтров, температура подшипников.
Перед проведением маневров турбина заднего хода должна быть прогрета и готова к пуску.
Реверс турбины осуществляется изменением подачи пара при помощи маневрового клапана. Пар в ТЗХ можно пускать после того, как закрыт маневровый клапан ТПХ, и наоборот. Причем маневровый клапан турбины заднего хода слегка открывается лишь тогда, когда частота вращения турбины переднего хода снизится на 25 % ниже номинальной.
Давление контрпара зависит от конструкции турбины, числа сопел, частоты вращения и указывается в инструкции завода-изготовителя. Изменение режима работы турбины следует производить медленным плавным открытием маневрового клапана. В некоторых турбинах используется более быстрый и удобный способ регулирования частоты вращения гребного вала при помощи маневровых клапанов, имеющих блокировочное устройство, обеспечивающее открытие маневрового клапана заднего хода. Этим осуществляется подача контрпара на лопатки ТЗХ, что позволяет сократить время на реверс. Реверсирование современных турбин осуществляется обычно в течение 30 с.
При маневрах все дренажи и продувочные клапаны должны быть открыты, а механизмы, обслуживающие турбоагрегат, должны работать на режиме, обеспечивающем максимальный ход турбины.
После окончания маневров турбина переводится на определенный режим работы или останавливается и поддерживается в готовности, которая может быть полной, получасовой, часовой, двухчасовой, суточной.
Остановка турбины осуществляется закрытием маневрового, быстрозапорного и сопловых клапанов.

Регулирование мощности турбин.

При эксплуатации паровых турбин возникает необходимость регулирования их мощности. Существуют следующие способы регулирования мощности турбин: качественный, количественный и смешанный.
Способы регулирования мощности турбины:

Способ качественного (дроссельного) регулирования заключается в том, что количество пара, поступающего в турбину, регулируется изменением величины открытия маневрового клапана 1 (рисунок а). Это приводит к изменению давления пара, поступающего в первую регулировочную ступень через сопла 2, и к изменению расхода пара. При качественном регулировании значительно снижается КПД турбины, экономичность ее работы.
При количественном (сопловом) регулировании (рисунок б) изменение мощности производится за счет изменения количества пара, протекающего через турбину за определенное время. Для этого используют сопловые коробки с автономными группами сопел 2. Каждая группа управляется своим клапаном 1. Сопловые коробки устанавливаются перед первой регулировочной ступенью. Изменением количества открытых клапанов 1 достигают изменения подачи пара в турбину. При этом давление и температура пара перед соплами, оставшимися в открытом состоянии, остаются неизменными. Это исключает потери энергии пара и повышает экономичность работы турбины. Каждый сопловой клапан открывает пар в свою группу сопел, которых может быть от 2 до 16.
При количественном регулировании включенные в работу сопловые клапаны должны быть полностью открыты, а неработающие — закрыты.
Наиболее широко используется способ смешанного регулирования мощности паровых турбин. Количественное регулирование осуществляется только на определенных режимах работы, а на всех промежуточных режимах используется смешанное регулирование. При номинальной мощности турбины маневровый клапан 1 (рисунок в) и два сопловых 3 полностью открыты. Третий сопловой клапан, а с ним еще одну группу сопел 2, открывают при необходимости получения самого полного хода.
Понижение мощности турбины осуществляется последовательным закрытием сопловых клапанов (количественное регулирование), а затем постепенным прикрытием маневрового клапана (качественное регулирование). В настоящее время управление сопловыми и маневровыми клапанами паровых турбин осуществляется вручную и автоматически. Ручное воздействие на систему парораспределения указанных клапанов практически заменено дистанционным (с помощью электрических или гидравлических следящих систем, включенных между рукояткой управления и клапанными системами).
Для автоматического изменения мощности и поддержания заданной частоты вращения ротора турбины применяют всережимный регулятор скорости, при использовании которого возможно объединение процессов управления турбинной и котельной установками. Это исключает непрерывную ручную корректировку работы маневрового устройства. Одним из основных достоинств автоматического регулирования является упрощение процесса управления турбиной при проходе узкостей, швартовках, реверсах и т. п.

Система защиты турбин.

Во время работы турбин могут возникнуть различные аварийные ситуации (потеря лопасти винта, падение давления масла в системе, падение вакуума в конденсаторе и т. д.) и только немедленная ее остановка может предотвратить тяжелые повреждения деталей, узлов или турбины в целом. Для этого используются следующие защитные устройства: по предельной частоте вращения; по повышению противодавления в турбине; по предельному осевому сдвигу ротора; по падению давления масла в системе и др. Кроме этих устройств в систему защиты входит быстрозапорный клапан (БЗК), который автоматически прекращает подачу пара в турбину при срабатывании любого защитного устройства. БЗК и защитные устройства связаны между собой механическим или гидравлическим приводом. Одновременно предусматривается возможность аварийного закрытия БЗК вручную.
Кроме защитных устройств, на турбине или конденсаторе устанавливаются предохранительные устройства по противодавлению в турбине и реле включения пускового масляного насоса при понижении давления масла в системе ниже допустимого. Для оповещения обслуживающего персонала об изменении режима работы турбины предусмотрена система световой и звуковой сигнализации.
БЗК, как правило, имеют только два положения: полностью открыты или закрыты. Дросселирование пара клапаном не производится.

На рисунке выше показан быстрозапорный клапан с механическим приводом. При достижении предельной частоты вращения вала турбины срабатывает центробежный выключатель и боек 3, смещаясь от опорной гайки 2, ударяет по левому плечу рычага 5. При этом рычаг, поворачиваясь вокруг оси, размыкает замок 4, что дает возможность повернуться рычагу 11, находящемуся под воздействием пружины 1. Последняя, сжимаясь, переместит тягу 10, которая повернет рычаг 8 и защелку 7. В результате под действием пружины 9 втулка 6 переместится и закроет клапан. Для открытия БЗК следует повернуть маховик в сторону его закрытия до упора, а затем в обратную сторону (против часовой стрелки). При эксплуатации необходимо постоянно следить за техническим состоянием БЗК и его привода и периодически проверять его действие вручную.
Падение давления масла в системе ниже допустимого может привести к тяжелым повреждениям турбин. Поэтому большинство из них снабжается защитным устройством, закрывающим БЗК при снижении давления масла в системе до предельного значения.

На рисунке выше показано реле включения масляного насоса турбины. В исходном положении масло от системы смазки турбины подводится под поршень, который, сжимая пружину, движется вверх вместе со штоком и размыкает контакты. В таком положении реле находится до того момента, когда давление масла в системе не понизится до предельного. В этом случае поршень 2 опустится вниз и замкнет контакты 1. При замыкании контактов срабатывает световая и звуковая сигнализация и включается в работу резервный масляный насос.
Масляный выключатель настраивают на давление, указанное в инструкции завода-изготовителя, с помощью регулировочной пружины. Во время эксплуатации необходимо регулярно производить контрольные проверки срабатывания защитного устройства по падению давления масла. При внезапном повышении давления пара за турбиной может произойти разрыв конденсатора. Для предотвращения этого предусмотрены выключатели по противодавлению. В некоторых случаях вместо выключателей на турбинах или конденсаторах устанавливаются предохранительные клапаны. Давление, при котором срабатывают выключатели, зависит от прочности конденсатора и определяется заводом-изготовителем.
Для подачи сигнала при повышении давления в конденсаторе предусмотрена световая и звуковая сигнализация.

Система укупорки наружных уплотнений турбин.

Во время работы паровой турбины давление внутри ее корпуса может быть выше и ниже атмосферного. Для предотвращения утечек пара с высокими параметрами в первом случае и подсоса воздуха в корпус турбины — во втором устанавливают коробки наружных уплотнений. Отвод и подвод пара в паровые камеры уплотнительных коробок осуществляется с помощью специальной системы укупорки.

На рисунке выше приведена схема укупорки наружных уплотнений паровой турбины. При давлении в корпусе турбины выше атмосферного излишки пара из паровых камер 1 отводятся по трубопроводам в главный конденсатор или в паровпускное пространство турбины. При этом клапаны 2 и 3 должны быть открыты, а клапан 4 закрыт. Когда давление в корпусе турбины ниже атмосферного, открывается клапан 4 (для предотвращения подсоса воздуха) и в паровые камеры 1 подается необходимое количество пара от вспомогательных механизмов. Клапан 3 в этом случае следует перекрыть. Требуемое давление в паровых камерах автоматически поддерживается с помощью детандера 5. При нормальной работе уплотнения в паровых камерах должно поддерживаться некоторое избыточное давление (примерно 0,01 МПа), поэтому из вестовых труб должен постоянно слегка струиться пар. Ориентируясь на это, обслуживающий персонал вручную при помощи клапанов 2, 3 и 4 может осуществлять подачу пара (или его отвод) в паровые камеры уплотнительных коробок.
К серьезным недостаткам рассмотренной системы следует отнести то, что при переменных режимах работы турбины сильно затрудняется ручное управление подачей пара на укупорку ее наружных уплотнений. Кроме того, утечка пара из вестовых труб в машинное отделение приводит к значительной потере питательной воды, повышению температуры и влажности в машинном отделении, что создает ненормальные условия работы для обслуживающего персонала и способствует интенсивной коррозии механизмов, устройств трубопроводов и т. д.
Современные турбинные установки оборудуются бескаминными уплотнительными коробками, не имеющими вестовых труб. Их наружные камеры с помощью трубопроводов соединены с конденсатором, в котором постоянно поддерживается вакуум. Такая конструкция позволяет полностью исключить выход пара в машинное отделение, так как давление в наружных камерах будет всегда ниже атмосферного. Уплотняющий пар в бескаминные уплотнительные коробки подводится и отводится автоматически.

Системы продувки и прогрева турбин.

Для предотвращения появления недопустимых термических напряжений и остаточных деформаций в деталях турбины ее необходимо перед пуском прогреть паром, который подводится по главному паропроводу или по специальной системе прогрева.

На рисунке выше приведена принципиальная схема системы прогрева турбины. Насыщенный пар из котла подводится к распределительной клапанной коробке 4, от которой по паропроводам подается к турбинам. Для прогрева турбины высокого давления (ТВД) греющий пар подводится к верхней и нижней частям сопловых коробок по патрубкам 3 и нижней половине корпуса турбины с кормовой стороны по патрубкам 2. Подвод греющего пара к различным точкам турбины способствует более равномерному ее прогреву.
К нижней половине турбины низкого давления (ТНД) пар поступает по трубопроводу 6 от распределительной коробки. Верхняя половина ТНД обогревается паром, прошедшим через корпус ТВД по ресиверу 1 и поступившим в верхнюю половину паровпускной коробки.
Турбина заднего хода (ТЗХ) прогревается паром, подходящим к сопловой коробке по трубопроводу 5. Насыщенный пар после обогрева турбины поступает в конденсатор 7, в котором во время прогрева поддерживается вакуум около 400 мм рт. ст. Степень прогрева турбин определяется по термометрам, установленным в определенных местах. Разность температур в различных точках турбины не должна превышать 20 С.
В настоящее время благодаря усовершенствованию конструкций судовых турбин широко используется способ их прогрева рабочим паром без применения специальной системы.
Во время прогрева пар, соприкасаясь с более холодными частями турбины, частично конденсируется и собирается в углублениях (карманах), устроенных в самых нижних частях корпуса. Скопление конденсата недопустимо, так как достижение его уровня до концов лопаток может при пуске турбины вызвать их поломку. Удаление конденсата производится по каналам в корпусе и красномедным трубам в цистерну продувки, а из нее в главный конденсатор. Если нет цистерны, продувка производится непосредственно в главный конденсатор.
Продувочные трубы имеют также корпусы клапанов, сопловые коробки и ресиверы.
Продувка конденсата может осуществляться постоянно и периодически.

Смазочная система турбин.

Смазочная система судовых турбин предназначена для непрерывной подачи масла ко всем подшипникам и зубчатым зацеплениям редуктора в количестве, необходимом для создания жидкостного трения и охлаждения трущихся поверхностей. Смазочная система должна обеспечивать минимальные загрязнения и обводнение масла; подачу масла к подшипникам при остановке основного масляного насоса; прокачку маслом подшипников и зубчатых зацеплений при проворачивании турбины во время стоянки и т. д. Смазочная система должна иметь связь с органами впуска пара в турбину (в случае падения давления масла ниже допустимого турбина должна автоматически останавливаться).
В современных судовых турбинах применяются форсированная и гравитационная смазочные системы. При форсированной системе масло к трущимся поверхностям подводится под давлением 0,3—0,4 МПа, создаваемым масляными насосами. От трущихся поверхностей масло стекает в сточную цистерну, откуда снова засасывается масляным насосом и через маслоохладитель направляется к местам смазки. Основной недостаток такой системы — внезапное падение давления масла в ней (остановка масляного насоса, обрыв трубопровода и т. д.) — может привести к аварии турбины.
Гравитационная система более надежна, так как в ее состав обязательно входит напорная цистерна, расположенная на 8—12 м выше оси турбины. В результате этого масло к трущимся поверхностям подается под давлением 0,08—0,12 МПа. Стекающее масло собирается в сточную цистерну, откуда одним из насосов через фильтры, редукционный клапан и маслоохладитель закачивается в гравитационную цистерну. Из нее масло по трубопроводам самотеком поступает через дроссельные клапаны или шайбы к подшипникам турбин, а также в зубчатую передачу, откуда вновь стекает в сточную цистерну. До редукционного клапана давление масла составляет 0,4— 0,45 МПа, что необходимо для действия системы регулирования, управления и защиты (РУЗ) турбинной установки. После редукционного клапана давление масла снижается до 0,15 МПа.
Принципиальная схема системы смазки судовой турбины приведена на рисунке:

В систему входят сточная цистерна, основной масляный насос 3, пусковой масляный турбонасос 2, редукционный клапан 5, дроссельный клапан 6, маслоохладитель 1, невозвратный клапан 4, турбина 7, генератор 8 и ограничительные шайбы (диафрагмы) 9.
Во время работы системы масляный насос через сетчатый фильтр засасывает масло из сточной цистерны и по трубопроводам подает его в систему регулирования, а также к местам смазки турбины и зубчатых передач. Для поддержания давления масла в системе регулирования 0,4—0,6 МПа служит редукционный клапан 5. Производительность масляного насоса всегда больше расхода масла, поступающего на регулирование и смазку. Поэтому во время работы турбины его излишки сливаются в сточную цистерну через дроссельный клапан 6.
Сточная цистерна должна иметь емкость для всего масла системы, равную 15—18 % производительности масляного насоса. Она снабжается змеевиком для подогрева масла паром давлением 0,04 МПа, воздушной и мерительной трубами. На современных судах сточные цистерны оборудуются дистанционными указателями уровня масла.
Для поддержания температуры масла в определенных пределах в системах устанавливаются маслоохладители, которые обычно прокачиваются забортной водой из системы охлаждения конденсаторов.
Основным дефектом маслоохладителей является пропуск забортной воды в масло через резиновые уплотнения подвижных трубных досок или через места развальцовки труб. Иногда бывает течь самих труб.
Присутствие в масле механических примесей, а также мельчайших частиц металла от износа деталей вызывает ухудшение его смазывающих качеств, способствует увеличению нагрева и повышенному износу трущихся поверхностей деталей и узлов турбины. Во время эксплуатации в турбинном масле, кроме механических примесей,   накапливаются   органические кислоты,вода и другие продукты старения масла, что требует периодической его очистки, восстановления или полной замены. Наиболее распространенными способами очистки масла в судовых условиях являются отстой, сепарация и фильтрация. Сепарация масла осуществляется в специальных сепараторах, барабаны которых вращаются с частотой 4500—8000 об/мин. Сепарируемое масло подогревается до температуры 60— 70 С.
Кроме сепарации для очистки турбинного масла применяются сетчатые и щелевые фильтры. Для фильтров грубой очистки используется медная сетка с количеством ячеек 1200—1600 на 1 см2. Для изготовления фильтров тонкой очистки используется бумага, картон, шинельное сукно, технический войлок и др. Щелевые фильтры считаются более надежными, чем сетчатые, так как в последних часто происходят разрывы сеток при их загрязнении и несвоевременной промывке

Передача мощности на гребной вал.

С увеличением частоты вращения паровой турбины ее КПД растет. В настоящее время на судах используются турбины с частотой вращения от 3000 до 10000 об/мин. В то же время наиболее экономичная работа гребного винта достигается при частоте вращения 70—200 об/мин.
Для того чтобы получить необходимую частоту вращения гребного вала (при высоких значениях частоты вращения паровых турбин), на судах используют передачи, которые можно разделить на три типа: гидравлические, электрические и механические (зубчатые). В современных турбинных установках гидравлические передачи не применяются.
Электрические передачи имеют большие удельную массу и габаритные размеры, сравнительно низкий КПД (85—94 %), для их изготовления требуется повышенный расход меди и других дефицитных материалов. Указанные недостатки не позволяют широко использовать электрические передачи на судах с главными паровыми турбинами.
Наибольшее распространение на судах получили зубчатые передачи, достигшие в настоящее время большого совершенства. Основными их преимуществами являются: высокий КПД (96—98,5 %); сравнительно небольшие масса и габариты; долговечность работы. Существенный недостаток — нереверсивность. Основными деталями зубчатой передачи (редуктора) являются: корпус, крышка, ведущие и ведомые колеса, опорные и упорные подшипники, устройства для смазки и вентиляции. Материалом для ведущих колес служит никелевая, хромомо-либденовая и другие высококачественные стали. Зубчатые колеса (ведущие и ведомые) размещаются в корпусе редуктора (который, как и фундамент, часто делают сварным) и смазываются под давлением 0,15—0,2 МПа. Зубья колес делают шевронными для более плавного зацепления и уравновешивания осевого усилия. Опорные подшипники редукторов практически не отличаются от опорных подшипников турбин.
Зубчатые передачи бывают одинарными (при передаточных числах менее 20) и двойными (при передаточных числах до 100). Передаточным числом называется отношение частоты вращения турбины к частоте вращения гребного вала.

В одинарной передаче (рисунок а) на гребной вал 1 работают две турбины переднего хода (ТПХ) 5 и 7 и одна турбина заднего хода (ТЗХ) 4. Для компенсации неточностей центровки ведущих колес 2 и роторов турбины устанавливаются эластичные муфты 3. Ведомое колесо 6 передает вращение гребному валу 1.
На рисунке б показана схема двойной передачи мощности от ТПХ 5 и 7 и ТЗХ 4 к гребному валу 1 при помощи зубчатой передачи, состоящей из ведущих 3 и ведомых 6 колес. Последние через промежуточные колеса приводят во вращение ведомое колесо 2, жестко закрепленное на гребном валу 1.

Рабочие и направляющие лопатки.

Лопатки являются ответственными деталями паровой турбины. Они подвергаются действию высоких температур пара, гидравлических ударов частиц воды, попадающих вместе с паром, центробежной силы и силы струи пара, стремящихся вырвать лопатки из гнезд крепления или изогнуть их.
По назначению лопатки делятся на рабочие и направляющие. Рабочие лопатки (подвижные) устанавливаются на роторе, направляющие (неподвижные)—в диафрагмах статора.
Профили лопаток активных и реактивных турбин отличаются друг от друга. У активных турбин профиль лопатки (поперечное сечение) почти симметричен, у реактивных — напоминает крыло самолета. Задняя сторона лопатки называется спинкой, грань лопатки со стороны входа пара — входной кромкой, со стороны выхода пара — выходной кромкой.
Лопатка состоит из корня, или хвостовой части, рабочей части и вершины. Хвостовой частью 5 лопатка крепится в роторе 6 или корпусе турбины. Рабочая часть 3 образует каналы, по которым проходит пар. Вершина лопатки с шипом 1 служит для крепления бандажа 2, соединяющего лопатки в пакеты по несколько штук в каждом. Высота лопаток судовых паровых турбин — от 10 мм (у турбин высокого давления) до 400 мм (у турбин низкого давления). Ширина лопаток принимается равной 14—60 мм. Количество лопаток в одном диске доходит до 700 шт. Лопатки паровых турбин изготавливают цельнокатаными, полуфрезерованными и фрезерованными. Производство фрезерованных лопаток очень дорого, так как до 85 % ценного металла при их изготовлении идет в стружку.
В последнее время осваивается производство лопаток с утолщенным хвостом способами горячей прокатки, штамповки и литья в специальные формы. Отходы металла при обработке таких лопаток составляют не более 10%. Метод прокатки и штамповки применяется пока для изготовления лопаток стационарных турбин, а метод литья используется только для лопаток газовых турбин.
Крепление лопаток в роторе производится разными способами, которые можно разделить на два основных вида: крепление погруженного типа и крепление верхового типа. В первом случае хвосты лопаток заводятся в специальные выточки в ободе диска или барабана, а во втором — надеваются сверху и закрепляются на соответствующем гребне диска. Обод диска в этом случае получается облегченным.

На рисунке выше показано крепление активных цельнотянутых лопаток погруженного типа активных турбин с Т-образными хвостами и промежуточным телом 4 между ними. Бандаж надевается на шипы лопаток, после чего шипы расклепываются.
При установке лопаток с хвостами погруженного типа их вводят в пазы ротора или корпуса через специальное уширение (колодец). Лопатки и промежуточные тела (вставки) поочередно заводят в колодец и прогоняют по окружности паза до надлежащего места. После установки всех лопаток и вставок уширение заделывается замками, количество которых в зависимости от диаметра ротора бывает до трех.

На рисунке а, показан замок для лопаток с Т-образным хвостом; на рисунке б — замок с расклиниванием. Замковые лопатки 1 и 2 своими выступами заходят под хвосты соседних лопаток. Их расклинивают замковой вставкой 3, изготовленной из меди или мягкой стали, которую в свою очередь раздают стальным клином 4, установленным на стальную подкладку 5.
На рисунке в дана конструкция замка с Т-образными и молотообразными хвостами. На дно замкового выреза ставят стальной клин 1, затем на его вершину устанавливают и осаживают замок 2, который в результате этого принимает форму замкового выреза.
На рисунке г показан замок, применяемый в реактивных турбинах для крепления лопаток, имеющих хвосты зубчикового типа. Замковый вырез в данном случае не делается. Лопатки вводят в паз, а затем поворачивают таким образом, чтобы их зубчики входили в соответствующие впадины паза. После набора всех лопаток они закрепляются замковой вставкой, состоящей из двух частей 1, раздвигаемых клином 2. Для удержания клина на месте выступы 3 замковой вставки расклиниваются, как показано на рисунке.
Материалом для изготовления лопаток паровых турбин служит специальная нержавеющая сталь с содержанием никеля 3,5—14% и хрома 12,5—16%. Вставки изготавливаются из углеродистых сталей марки 15 и 35.

Роторы турбин.

Вращающаяся часть турбины называется ротором. Роторы делятся на дисковые, барабанные и комбинированные. Они изготавливаются цельноковаными и составными. Цельнокованые применяются в быстроходных и работающих на пару с повышенными параметрами турбинах. Диаметр поковки ротора обычно не превышает 1 м. В активных турбинах роторы, как правило, дисковые.

На рисунке выше показан цельнокованый дисковый ротор активной быстроходной турбины. Внутри ротора имеется отверстие для проверки качества поковки и облегчения ее массы. Ротор имеет пять дисков 11 (ступеней давления) турбины переднего хода и один двухвенечный диск 8 турбины заднего хода. Между турбинами переднего и заднего хода установлено лабиринтовое уплотнение 10. Вершины дисков 8 и 11 имеют пазы для установки рабочих лопаток. На боковых поверхностях дисков сделаны канавки 9 и 12 для уравновешивающих грузов (при балансировке ротора).
На обоих концах вала, ротора (для предотвращения протечек пара из полостей турбин переднего и заднего хода) на шпонках 21 и 14 устанавливаются в нагретом состоянии втулки лабиринтового уплотнения 7 и 13, которые от осевого перемещения стопорятся гайками 6 и 20. Для предотвращения попадания масла в паровую полость и наоборот на валу ротора устанавливаются маслоотбойные и пароотражающие кольца 4 и 15, которые крепятся к нему винтами 5 и 16.
Для обеспечения нормальных осевых зазоров между лопатками турбины на одном конце ротора (при помощи шпонки 22) устанавливается гребень 3 упорного подшипника, который крепится втулкой 23 с вырезом 2 (для пальцевого ключа). Для контроля за положением ротора во время работы на конце вала (при помощи шпонки 24) установлено сигнальное устройство 1, крепящееся гайкой 25. На другом конце вала ротора (с помощью шпонки 17) посажена звездочка 18, крепящаяся гайкой 19.
В реактивных турбинах применяются барабанные роторы. По способу изготовления они могут быть также цельнокованые, полые, составные и сварные.
Роторы судовых паровых турбин могут быть жесткими и гибкими. Жесткие роторы работают с частотой вращения ниже критической не менее чем на 20—30 %, а гибкие — с частотой вращения, в 1,5—2 раза превышающей критическую.
Критической частотой вращения называется такая, при которой наступает резонанс от совпадения частоты вынужденных колебаний ротора с частотой собственных его колебаний. Во время резонанса ротор начинает вибрировать с увеличивающейся амплитудой колебаний, что может привести к его поломке.
В связи с тем, что главные паровые турбины должны надежно работать на различных режимах, их роторы делают жесткими. Роторы турбогенераторов и других вспомогательных механизмов могут быть жесткими и гибкими. В последнем случае при развитии скорости вращения ротора зона критической частоты вращения должна проходиться по возможности быстрее.

Статоры турбин.

Статор (корпус турбины) отделяет ее проточную часть от окружающей среды и служит для размещения неподвижных деталей сопел, направляющих лопаток, диафрагм, подшипников, уплотнений и т. д.
Корпуса турбин в основном отливаются из чугуна или стали, но могут быть выполнены и сварными. Они имеют горизонтальный разъем, однако при больших размерах корпуса для удобства монтажа делается и вертикальный разъем. Плоскости разъема тщательно пришабриваются друг к другу, их фланцы между собой крепятся болтами или шпильками, расположенными на близком расстоянии от стенок корпуса, что делается с целью уменьшения изгибающих усилий во фланцах.
Снаружи корпус турбины имеет ребра жесткости, пространство между которыми заполняется изоляционным материалом и покрывается тонким стальным кожухом. В качестве изоляционного материала используется асбестовая масса, совелитовые плиты или алюминиевая фольга.
Корпус турбины крепится к судовому фундаменту при помощи прочных лап, которые чаще всего отливаются со стульями. Крепление осуществляется таким образом, чтобы корпус имел возможность расширяться при нагревании, т. е. жестко закрепляется лишь один конец корпуса, все остальные места крепления должны допускать относительный сдвиг соединяемых частей. Подвижная опора имеет пришабренную скользящую поверхность, которую необходимо периодически смазывать графитовой смазкой.
Для наблюдения за расширением и перемещением корпуса относительно фундамента устанавливаются указатели его положения. Корпус турбины испытывает большие и сложные напряжения от различных усилий, поэтому материал и конструкция корпуса должны выбираться в зависимости от параметров пара и обладать достаточной прочностью. При температуре входящего пара до 230 С корпуса изготавливаются из чугуна марок СЧ—12—28; при температуре пара до 420 С из углеродистой стали 40; при температуре 400—470 С — из низколегированной стали с присадкой молибдена; при температуре около 500 С — из хромомолибденовой и хромоникилеванадиевой стали.
Корпус каждой турбины имеет впускную и выпускную полости. Закрытая впускная полость называется сопловой камерой, из нее пар поступает к соплам. Сопла первых ступеней турбин переднего и заднего хода обычно устанавливаются во вставных сопловых коробках при помощи болтов или шпилек.
Сопловые коробки в зависимости от параметров пара изготавливаются из углеродистой, хромоникелевой или молибденовой стали. Толщина их стенок составляет 20—25 мм. Крепление сопловых коробок в корпусе должно допускать их свободное расширение при нагревании.

На рисунке выше показана одна из конструкций сопловых коробок с небольшой степенью впуска. Пространство сопловой коробки состоит из трех камер 1, 2, 5. В дугообразный паз 8 устанавливается сопловый сегмент с тремя группами сопел и крепится заклепкой, пропущенной сквозь коробку и дугу. Сопловая коробка в сборе заводится внутрь корпуса и крепится к нему при помощи фланца 7 и шпилек. Отверстия 4 и 9 используются для установки манометра и термометра.
Во время работы свежий пар через клапанную коробку, крепящуюся к фланцу 6, и через отверстия 3 поступает к сопловым камерам. При помощи регулирующих сопловых клапанов, установленных на клапанной коробке, можно изменять количество пара, подводимого в сопловые камеры 1 и 5. Средняя камера 2 остается включенной постоянно на всех режимах работы турбины.
Сопловые сегменты бывают литые, кованые и составные фрезерованные. Литой сегмент показан на рисунке, а:

Недостаток таких сегментов — трудность чистоты обработки их внутренней поверхности, следствием являются большие потери на трение. Литые сопловые сегменты применяются в основном у вспомогательных турбин. В одном сегменте устанавливают от 2 до 30 (и более) сопел.
Составной фрезерованный сопловой сегмент показан на рисунке б. Он состоит из фрезерованных сопловых лопаток 1 и двух оправ: верхней 2 и нижней 3. Сопловые лопатки / при помощи шипов 4 вставляют в отверстия, сделанные в оправах, после чего шипы расклепывают. Кроме того, оправы и лопатку дополнительно скрепляют заклепками, проходящими через них.
В активных турбинах для того чтобы отделить одну ступень давления от другой, используют диафрагмы. В них размещают сопловые лопатки для последовательного расширения пара на ступенях. По способу изготовления и крепления сопловых лопаток диафрагмы разделяются на литые, наборные и сварные.
Для турбин, работающих с температурой пара до 275 С, диафрагмы отливают из высококачественного чугуна. Сопловые лопатки изготавливаются из листовой никелевой или хромоникелевой стали методом штамповки.
Диафрагмы бывают разъемные и неразъемные. Разъемные диафрагмы применяются обычно в главных турбинах. Они состоят из двух полудиафрагм; верхняя находится в крышке турбины, нижняя — в нижней половине корпуса. Сопла в диафрагме могут располагаться по всей окружности или на ее части. В первом случае осуществляется полный подвод пара, во втором — частичный или парциальный.

В последнее время широкое распространение получили сварные диафрагмы. Они состоят из полотна 2 (остова диафрагмы), сопловых лопаток 1, изготовленных из цельнотянутых стальных полос и заведенных одним концом во внутренний бандаж 3, другим —в наружный бандаж 4. Внутренний бандаж приваривается к полотну диафрагмы 2, а наружный — к ободу 5.
Преимущество сварных диафрагм — возможность использования в них профильных светлокатаных лопаток. Это уменьшает расход нержавеющей стали, удешевляет стоимость и сокращает время на их изготовление. На внутренних поверхностях обеих половин корпуса имеются специальные канавки для установки диафрагм. Между ободами диафрагм и корпусом должны быть осевые и радиальные зазоры, служащие для обеспечения свободного расширения диафрагм во время их нагревания.
Опорные подшипники главных турбин (для установки ротора) состоят из следующих основных деталей: корпуса, крышки, двух вкладышей и маслозапорного устройства. Корпус опорного подшипника (стул турбины) выполняется как самостоятельная конструкция или отливается заодно с корпусом турбины. Вкладыши подшипников, изготовленные из бронзы или углеродистой стали, заливаются баббитом Б-83. При монтаже вкладыша его внутренняя поверхность подгоняется по шейке вала при помощи шабровки. Между шейкой вала и вкладышем устанавливается масляный зазор, зависящий от диаметра вала, его частоты вращения и вязкости масла.
Во вспомогательных турбинах в качестве опорных подшипников часто применяются подшипники качения (роликовые и шариковые).
Опорные подшипники турбин в зависимости от их установки можно разделить на жесткие и самоустанавливающиеся. В отличие от цилиндрической наружной поверхности вкладышей жестких подшипников вкладыши самоустанавливающихся подшипников имеют сферическую наружную поверхность и устанавливаются в сферической расточке корпуса подшипника.
Прогиб вала, установленного в жестких подшипниках, вызывает повышенное давление на концевые участки вкладышей, что приводит к быстрому их износу. Самоустанавливающиеся подшипники при небольших изменениях положения оси вала ротора изменяют свое положение таким образом, что оси подшипника и вала совпадают.
Жесткие подшипники применяются преимущественно для коротких роторов с большим диаметром вала, самоустанавливающиеся— для длинных роторов с относительно небольшим диаметром вала.

Классификация турбин.

Судовые паровые турбины разделяются по следующим основным признакам:
1. По назначению — на главные и вспомогательные. Главные вращают гребной вал и делятся на турбины переднего и заднего хода, которые обычно располагаются в одном корпусе.
2. По принципу действия пара — на активные и реактивные. Активные турбины в свою очередь делятся на турбины со
ступенями давления, со ступенями скорости и комбинированные. Активные турбины применяются на судах в качестве главных и вспомогательных. Реактивные турбины устанавливаются в качестве турбин среднего и низкого давления (ТСД и ТНД) главного многокорпусного турбозубчатого агрегата.
3. По числу корпусов — однокорпусные и многокорпусные. Однокорпусные турбины устанавливаются в качестве главных и вспомогательных при электрической передаче (турбоэлектроагрегат). Многокорпусные турбины устанавливаются только в качестве главных. Они связаны последовательным протоком пара и объединены одной зубчатой передачей.
4. По числу протоков пара — однопроточные и двухпроточные. В однопроточных турбинах проток пара осуществляется в одном направлении, а у двухпроточных поток пара расходится в двух направлениях (это уменьшает высоту лопаток и диаметр турбины). Двухпроточные турбины могут быть как с расходящимися, так и сходящимися протоками пара и используются только как турбины низкого давления.

Многоступенчатые паровые турбины.

Для снижения частоты вращения и окружной скорости с одновременным сохранением (при большом теплоперепаде) высокого КПД в настоящее время строят многоступенчатые турбины со ступенями давления, ступенями скорости и комбинированные.
Принцип действия многоступенчатой турбины со ступенями давления заключается в том, что расширение пара, подводимого к турбине, от начального до конечного значения давления происходит в ряде последовательно расположенных ступеней.

В каждой из них используется небольшой перепад тепла и давления. На рисунке выше показана активная турбина с тремя ступенями давления. Корпус 5 разделен диафрагмами на три самостоятельные камеры. На валу 1 на шпонках жестко закреплены три диска 2, 3 и 4, имеющих рабочие лопатки 6, 8 и 10. Вал турбины вращается в опорных подшипниках, которые установлены на фундаменте турбины (на чертеже не показаны). При работе турбины свежий пар с давлением Р0 и скоростью С0 подводится к соплам 11 первой ступени, которые расположены в передней стенке корпуса. В соплах первой ступени пар расширяется, в результате давление его падает до значения Р1 а скорость возрастает до значения С1. Размеры и форма сопел 11 принимаются такими, чтобы в них происходило только частичное расширение подводимого пара. Попадая на рабочие лопатки 10, пар отдает им свою кинетическую энергию, в результате чего скорость его падает до значения С2. В связи с тем, что расширения пара на лопатках 10 не происходит, давление его по обе стороны диска остается одинаковым и в сопла 9 второй ступени пар поступает с параметрами Р1 и С2. В соплах второй ступени пар вновь расширяется от давления Р1 до давления Р2, и, поступая на рабочие лопатки 8, отдает им свою кинетическую энергию. Аналогичный процесс протекает и в третьей ступени. Пар в сопла 7 поступает с давлением Р1 и скоростью С2 и, расширяясь в них до давления Р2, приобретает скорость С1. Поступая на рабочие лопатки 6 диска третьей ступени, пар отдает им свою кинетическую энергию и со скоростью С2 через паровыпускной патрубок направляется в конденсатор.
Как видно из диаграммы, расширение пара от давления Р0 до давления Р2 осуществляется в три приема (ступени). Увеличение скорости пара в соплах и снижение ее на рабочих лопатках в каждой ступени примерно одинаковы. В связи с тем, что при расширении пара объем его возрастает, высота сопел и лопаток каждой следующей ступени (по ходу пара) увеличивается.
Многоступенчатые активные турбины со ступенями давления имеют высокий КПД при умеренных частотах вращения и широко используются в качестве главных судовых турбин на судах морского флота.
Турбины со ступенями давления подразделяются на активные и реактивные.
Турбины, состоящие только из реактивных ступеней, сейчас практически не строят, так как при высоких начальных параметрах пара в первых ступенях турбины с короткими лопатками и относительно большими  радиальными зазорами (по сравнению с высотой лопаток) возникают большие потери, что значительно снижает КПД турбины. Широкое распространение на судах в качестве двигателей для привода вспомогательных механизмов и в качестве турбин заднего хода получили многовенечные активные турбины со ступенями скорости. Принцип их действия заключается в том, что скорость (а следовательно, и кинетическая энергия), приобретенная паром при полном его расширении в соплах (до давления выпуска из турбины) используется на нескольких рядах рабочих лопаток, отделенных друг от друга направляющими лопатками.

На рисунке выше показана схема активной турбины с двумя ступенями скорости. В опорных подшипниках корпуса 4 вращается вал, на который жестко (на шпонке) насажен диск 5 с двумя ступенями скорости. Его называют двухвенечным диском Кертиса (по имени инженера, сконструировавшего эту турбину). Между двумя венцами рабочих лопаток в корпусе турбины 4 неподвижно устанавливается один ряд направляющих лопаток 2. Профиль рабочих и направляющих лопаток одинаков, но последние выгнуты в обратную сторону.
При работе турбины свежий пар с давлением Р0 и скоростью С0 поступает в сопла 6, расположенные в передней стенке турбины, где полностью расширяется до давления Р1. Скорость пара возрастает до величины С1. Попадая на первый ряд рабочих лопаток 1, пар отдает часть своей кинетической энергии, в результате чего скорость его падает до величины С2. С этой скоростью пар поступает на направляющие лопатки. Поскольку они неподвижны, работа на них не совершается и пар не расширяется (давление его не изменяется), а скорость его несколько уменьшается от С2 до С1 (из-за потерь на трение). Направляющие лопатки служат только для поворота струи пара (для подведения ее под нужным углом к следующему ряду рабочих лопаток). Попадая на второй ряд рабочих лопаток 3, пар отдает им свою кинетическую энергию, скорость его снижается с С2 до С1 и он по отводящему патрубку уходит в конденсатор. Давление пара на выходе из турбины Р2 равно давлению пара на выходе из сопел 4 (Р1 = Р2).
Встречаются колеса турбины с двумя, тремя и четырьмя ступенями скорости, но наиболее распространены двухвенечные диски Кертиса.
Турбины со ступенями скорости просты по устройству, имеют сравнительно малые массу, габариты и небольшую стоимость. Главный их недостаток — низкая экономичность при использовании в области низких давлений. Эффективный КПД турбины с двумя ступенями скорости составляет 0,55—0,65.
Наиболее часто диск с двумя ступенями скорости используют в качестве первой регулировочной ступени в турбинах высокого давления. Это уменьшает габариты и массу турбины, так как один двухвенечный диск заменяет в работе четыре одновенечных диска. Кроме того, двухвенечная регулировочная ступень обеспечивает устойчивый КПД турбины при изменении режимов ее работы.

Одноступенчатые паровые турбины.

Паровая турбина — это тепловой роторный двигатель, в котором работа совершается за счет двойного преобразования энергии пара. Вначале потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию самого пара, а затем происходит ее преобразование в механическую работу, передаваемую на вал турбины. В случае, когда преобразование потенциальной энергии в кинетическую осуществляется на неподвижных частях турбины, а превращение кинетической энергии в механическую работу — на подвижных, турбина будет чисто активной. Если же преобразование потенциальной энергии в кинетическую, а последней в механическую работу осуществляется одновременно на одних и тех же подвижных частях турбины, она будет чисто реактивной.
Схема одноступенчатой активной турбины, графики изменения абсолютной скорости и давления пара при протекании через турбину приведены на рисунке:

Основными элементами турбины являются диск 2 с лопатками 3, насаженный на вал 1. Вал установлен в подшипниках (на рисунке не показаны). Пар к лопаткам турбины подводится по соплам 4, которых может быть одно или несколько. Оси сопел расположены под некоторым углом к плоскости диска.
У активных турбин расширение пара происходит только в соплах. Принцип действия активной турбины заключается в следующем. Свежий пар с начальным давлением Р0 и скоростью С0 подводится в одно или несколько сопел 4, расположенных в корпусе 5, в которых он расширяется. При этом давление пара падает до P1, а скорость возрастает до С1. С этой скоростью пар поступает на рабочие лопатки 3, изменяет направление своего движения и отдает часть своей кинетической энергии, за счет чего приводится во вращение диск 2. Скорость пара на выходе с рабочих лопаток уменьшается до С2. Расширения пара на рабочих лопатках не происходит, поэтому его давление до и после диска остается постоянным P1 = P2.
Одноступенчатые активные турбины несложны по конструкции, однако широкого распространения на судах не получили из-за следующих основных недостатков: большой частоты вращения, низкого КПД (0,5—0,6) при значительных перепадах тепла и невозможности получения больших мощностей. На судах эти турбины применяются в основном для привода воздуходувок, генераторов и других вспомогательных механизмов малой мощности.
На практике применяют турбины, в которых пар расширяется и в неподвижных направляющих, и на рабочих лопатках,т. е. такие турбины работают по активно-реактивному принципу. Упрощенно их называют реактивными.
Принцип действия такой турбины можно рассмотреть по рисунку:

Свежий пар с давлением Р0 и скоростью С0 поступает на неподвижные направляющие лопатки 1, закрепленные в корпусе турбины, где он расширяется и параметры его изменяются. Давление падает до величины Р1, а скорость растет до значения С1. С этими параметрами пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками 2, которые устанавливаются несимметрично относительно оси ротора таким образом, что проходное сечение между двумя соседними лопатками постепенно сужается. Воздействуя на рабочие лопатки, пар отдает им приобретенную кинетическую энергию, в результате чего его давление и скорость падают до значений Р2 и С2.
Таким образом, в реактивной турбине благодаря суживающейся форме канала между рабочими лопатками происходит дополнительное расширение пара, что вызывает появление реактивной силы, действующей на каждую лопатку и, как следствие этого,— вращение ротора.
Одноступенчатые реактивные турбины на практике не используются.