книги из ГПНТБ / Плаксионов Н.П. Судовые турбинные установки учебник

H.П. ПЛАКСИОНОВ, А. Г. BEPETE

СУ Д О В Ы Е

ТУРБИННЫЕ

У С Т А Н О В К И

Издание второе, переработанное и дополненное

Утверждено Управлением учебных за­ ведений Министерства морского фло­ та в качестве учебника для учащихся мореходных школ ММФ и учебнокурсовых комбинатов пароходств

M О С К В А $ « Т Р А Н С П О Р Т » # 1 9 7 3

П Р Е Д И С Л О В И Е

Учебник «Судовые турбинные-установки» (второе из­ дание) соответствует учебной программе, утвержденной в 1972 г. по одноименному предмету для учащихся мореходных школ Министерст­ ва морского флота СССР. •

После выхода в свет первого издания учебника в 1967 г. под наз­ ванием «Машииист-турбинист морского флота» программа предмета была пересмотрена в связи с новыми требованиями к подготовке спе­ циалистов для морского флота. В новом издании более 30% мате­ риала полностью переработано, удалено описание устаревших кон­ струкций и рассмотрены современные; по-новому изложены темы, посвященные судовым валопроводам, движителям, управлению и ре­ гулированию паротурбинной установкой (ПТУ) и газотурбинной (ГТУ).

Современное развитие морского транспортного флота идет по пути роста водоизмещения судов, мощности их силовых установок, ком­ плексной автоматизации. Валовая вместимость судов советского мор­ ского флота превышает 16 млн. рег. т; из них 2,5 млн. т приходится на суда с пароэнергетическими установками. Отечественный флот по­ полняется новыми судами с мощными турбинными установками.

Успешно эксплуатируются паротурбинные установки на серийных танкерах типа «Варшава», «София», сухогрузных судах типа «Ленин­ ский комсомол»; газотурбинные установки — на газотурбоходе «Па­ рижская коммуна» и на морских судах с подводными крыльями. Пре­ дусмотрена эксплуатация серийных танкеров водоизмещением 180000?" с паротурбинными установками мощностью по 30 000 л. с.

Широкая автоматизация энергетических установок на серийных судах позволила сократить количество обслуживающего персонала. Экипажи морских судов работают вдали от судоремонтных баз, управ­ лений пароходств, учебных центров, обеспечивая длительную без­ аварийную и экономически целесообразную работу энергетической установки в сложных условиях морского плавания. Поэтому правиль­ ная техническая эксплуатация современных энергетических установок невозможна без хорошей подготовки экипажей судов. В частности, машинисты-турбинисты должны усвоить физическую сущность слож­ ных тепловых процессов, протекающих в турбине, хорошо знать уст­ ройство и правила эксплуатации турбины, обслуживающих систем и механизмов, изучить характерные неисправности, способы их преду­ преждения и устранения.

При подготовке машинистов серьезное внимание необходимо обра­ щать на практическое использование средств автоматики, их эксплу­ атацию, наладку, выявление неполадок в работе и способы устранения.

рете; главы V—X, X I I , X I I I написаны Н. П. Плаксионовым.

3

Часть первая

О С Н О В Ы Т Е О Р И И Т Е П Л О В О Г О П Р О Ц Е С С А Т У Р Б И Н Н Ы Х У С Т А Н О В О К

Глава I

ПРИНЦИП Д Е Й С Т В И Я ТУРБИН

§ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТУРБИН И ПРИМЕНЕНИЯ ИХ НА С У Д А Х МОРСКОГО ФЛОТА

Идея паровой турбины была известна в глубокой древ­ ности. Однако только в X I X в., в связи с создавшимися экономическими условиями, а также достижениями в области техники, наметился зна­ чительный сдвиг в деле конструктивного оформления паровой турбины как промышленного двигателя.

Лаваль сконструировал одноступенчатую активную турбину мощно­ стью 5 л. с. при частоте вращения 25 ООО обімин. В 1884 г. английский инженер Парсонс построил многоступенчатую реактивную турбину мощностью 10 л. с. при частоте вращения 17 000 об/мин.

Стремление снизить частоту вращения активных турбин, строив­ шихся первоначально одноступенчатыми, привело к появлению много­ ступенчатых турбин. В 1896 г. американский инженер Кертис сконстру­ ировал турбину с двумя и тремя ступенями скорости. В 1900 г. фран­ цузский профессор Рато предложил строить многоступенчатые актив­ ные турбины со ступенями давления. С этого времени развитие паровых турбин пошло исключительно быстрыми темпами.

Идея применения турбины в качестве главного судового двигателя связана с именем талантливого-изобретателя, инженера-механика рус­ ского флота Павла Дмитриевича Кузьминского, который в 1892 г. начал постройку опытной турбинной установки для быстроходного катера. Однако эта инициатива не была поддержана царским правитель­ ством. Через два года после первых опытов П. Д. Кузьминского подоб-

4

Ные работы были начаты Парсонсом. В І894—І896 гг. Парсонс устано^ вил на яхте «Турбнния» трехвальную турбинную установку. Испыта­ ния показали ряд преимуществ турбинного судового двигателя по сравнению с паровой поршневой машиной.

Первым турбинным судном в России была военная яхта «Ласточ­ ка» постройки 1904 г.

В начале применения паровых турбин на судне они непосредственно соединялись с гребными валами, поэтому турбины были громоздкими

итяжелыми, с небольшой частотой вращения. Стремление снизить вес

игабариты турбин привело к применению на судах высокооборотных

на Санктпетербургском металлическом заводе (ныне Ленинградский металлический завод — ЛМЗ) была построена первая в России турби­ на мощностью 200 квт. Мощные судовые турбины начал создавать в 1908 г. Балтийский завод. Однако турбостроение в царской России раз­ вивалось крайне медленно.

Только при Советской власти отечественное турбостроение заня­ ло в промышленности подобающее ему место. Великий план электри­ фикации Советского Союза и создание военно-морского флота требова­ ли широкого использования паровых турбин. В 1923 г. ЛМЗ возобно­ вил производство паровых' турбин, однако он не мог удовлетворить огромной потребности в них, поэтому в 1931—1933 гг. турбостроение было организовано на ленинградских Кировском и Невском машино­ строительных заводах. В Ленинграде же, на заводе «Северная судо­ строительная верфь» (ныне завод имени Жданова) впервые в СССР

было организовано специализированное производство зубчатых пере­ дач для судовых турбинных установок, стальных лопаток и других частей судового турбоагрегата.

В годы довоенных пятилеток были построены крупнейшие турбо­ строительные заводы; в послевоенные годы восстановлены и усовер­ шенствованы старые й сооружены новые заводы, которые в настоящее время изготавливают весьма совершенные паровые турбины, удовлет­ воряющие потребности народного хозяйства СССР, в том числе отече­ ственного морского флота.

На Харьковском турбогенераторном заводе (ХТГЗ) построен тур­ боагрегат мощностью 500 000 квт, а на Ленинградском металлическом заводе — мощностью 800 000 квт- В настоящее время на ЛМЗ строят турбоагрегаты мощностью 1 000 000 квт.

На базе достижений и перспектив развития стационарного турбо­ строения происходит дальнейшее совершенствование судовых турбин­ ных установок. На Кировском заводе изготовлена серия паровых тур­

мощностью 44 000 э. л. с. для атомохода «Ленин». В настоящее время Кировский завод строит еще более мощные турбины для крупнотоннаж­ ных танкеров типа «Крым».

5

Одновременно с развитием паровых турбин шло развитие и газойых. Немецкий инженер Штольц получил патент на ГТУ, которую он по­ строил в 1900—1904 гг. Установка была рассчитана на 200 л. с. Ново время испытаний оказалось, что мощности турбины едва хватает на привод компрессора, что объяснялось относительно низкими к. п. д. турбины и компрессора и невысокой температурой газа, поступающего в турбину. В 1892 г. П. Д. Кузьминский разработал проект, а затем построил ГТУ для катера. Однако испытания установки не были завер­ шены в связи со смертью изобретателя в 1900 г. В начале XX в. было построено несколько ГТУ, однако они были сложны и недостаточно надежны в эксплуатации.

Под руководством пионера советского газотурбостроения проф. В. М. Маковского в 1939 г. на ХТГЗ была построена ГТУ мощностью 1000 л. с. со сгоранием топлива при постоянном давлении. Война по­ мешала завершить испытания этой установки.

Для создания высокоэффективной ГТУ необходимо было повысить к. п. д. турбины и компрессора и поднять температуру газа перед тур­ биной. Эти проблемы были в значительной степени решены в последние 15—20 лет, благодаря чему газотурбостроение в настоящее время до­ стигло больших успехов. В авиации газотурбинные двигатели почти полностью вытеснили поршневые ДВС. Благодаря опыту в освоении авиационных газотурбинных двигателей в СССР и за рубежом, ГТУ находят все большее распространение в других отраслях народного хозяйства: в металлургической и газовой промышленностях, в энерге­ тике и на транспорте.

На ЛМЗ в 1957 г. была построена ГТУ мощностью 12 000 кет, ра­ ботающая на газе от подземного сжигания угля; в 1959 г. — ГТУ мощностью 25 000 кет для ГРЭС. В настоящее время ЛМЗ строит ГТУ мощностью до 100 000 кет.

ХТГЗ построил для ГРЭС ГТУ мощностью 50 000 кет. Началось строительство ГТУ мощностью 200 000 кет.

На Невском машиностроительном заводе имени В. И. Ленина осво­ ено серийное производство ГТУ мощностью до 25 000 кет для привода электрических генераторов и нагнетателей, используемых при подаче газа. На Кировском заводе в Ленинграде построена судовая ГТУ мощностью 13 000 л. с, установленная на сухогрузном судне «Париж­ ская коммуна» (типа «Ленинский комсомол»).

Турбостроение в СССР развивается бурными темпами, которые, со­ гласно директивам партии и правительства, будут увеличиваться и в последующие годы.

§ 2. ОСОБЕННОСТИ ТУРБИНЫ КАК ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Турбина (от латинского слова turbo — вихрь) являе­ тся тепловым ротативным двигателем, в котором потенциальная тепло­ вая энергия пара (газа)1 превращается в кинетическую, а последняя, в свою очередь, преобразуется в механическую работу вращения вала.

1 В дальнейшем слово газ опущено, однако все излагаемое относится как к пару, так н к газу.

6

Такое преобразование может осуществляться одновременно па одних и тех же подвижных частях турбины или же преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить на непод­ вижных частях турбины, а превращение кинетической энергии в ме­ ханическую работу — на подвижных. В первом случае турбина будет чисто реактивная, а во втором — чисто активная.

Наконец, превращение потенциальной энергии пара в кинетиче­ скую может быть осуществлено частично на неподвижных частях турби­ ны и частично на подвижных, т. е. турбина работает с некоторой степе­ нью реакции. Все современные паровые турбины действуют по этому принципу.

Турбины, которые используют для своего действия главным обра­ зом активный принцип, называют активными; турбины, использующие наполовину реактивный принцип, называют реактивными.

Рис. 1. Активный способ преобразования кинетической энергии в механическую работу

Примерами проявления активных сил являются: струя воды, на­ правленная из пожарного шланга, разбивающая оконное стекло; бро­ шенный камень или летящий снаряд, разбивающие при ударе преграду; ветер, производящий давление на паруса и заставляющий передвигать­ ся судно и т. п.

Для получения полезной работы при перемещении тела воздействие активной силы на тело должно быть таким, чтобы по возможности избе­ жать удара, так как на удар расходуется часть кинетической энергии. Расчетами и опытами доказано, что наибольшая сила при всех равных условиях получается, если поверхность тела имеет такую форму, чтобы направленная на него струя совершала поворот и меняла на­ правление своего движения на обратное.

Например, направим струю пара на поверхность тележки, приспо­ собленной для поднятия груза. Благодаря создаваемому паром давле­ нию тележка начинает перемещаться с некоторой скоростью и подни­ мать груз.

Если рабочая поверхность тележки имеет плоскую форму (рис. 1, а), струя пара разбивается при ударе и частицы ее разлетаются в разные стороны. При этом невозможно преобразовать всю кинетическую энер-

7

силы устраняются, а оставшиеся вращают оп­ рыскиватель.

Прототипом чисто активной турбины яв­ ляется колесо Бранка (рис. 3). Оно состоит из парового котла /, имею­ щего вид головы чело­ века, длинной трубки (сопла) 2 и горизонталь­ ного колеса 3 с лопастя­ ми. Пар, поступая из котла и расширяясь в трубке, приобретает зна­ чительную скорость и, попадая на лопасти ко­ леса, вращает послед­ нее.

Прототипом чисто реактивной турбины яв­ ляется шар Герона (рис. 4). В сосуде 1, яв­ ляющемся паровым кот­ лом, получаются водя­ ные пары. Через пусто­ телые полуоси 2 пар по­ ступает в шар 3, из ко­ торого он с некоторой скоростью вытекает че­ рез два отростка трубок

4 И 5, загнутых в проРис. 4. Шар Герона Александрийского

тивоположные стороны.

Реактивное действие струй вытекающего из сосуда пара является причиной возникновения сил давления на стенки трубки, которые дей­

раторы и вспомогательные механизмы; обслуживающие главные тур­ бины и котлы.

9