Виды котлов на судах

Обновлено: 19.04.2024

Судовые паровые котлы: конспект лекций для студентов специальности 18.04.03 «Эксплуатация судовых энергетических установок» / М.Х. Садеков. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008. – с.

Представлена сжатая информация по дисциплине «Судовое вспомогательное энергетическое оборудование (судовые вспомогательные механизмы, системы и устройства)». Рассмотрен состав, назначение конструкции судовых устройств, а также их техническая эксплуатация.

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 18.04.03 «Эксплуатация судовых энергетических установок» очного и заочного обучения.

Работа рекомендована к изданию кафедрой «Эксплуатации судовых энергетических установок» (протокол № от ..08 г.).

В учебнике изложены основы теории и проектирования судовых паровых котлов, проанализированы физические процессы, происходящие в котле. Приведены схемы основных типов паровых котлов, конструкции их элементов и узлов. Даны основы теплового, гидравлического и прочностного расчетов паровых котлов, а также сведения об их испытаниях и эксплуатации.

Предназначен для учащихся судостроительных техникумов.

Намеченное решениями XXVII съезда КПСС развитие морского флота связано с обновлением и совершенствованием его состава, оснащением его высокопроизводительными экономичными судами. Экономические показатели транспортного судна существенно зависят от установленной на нем энергетической установки, обеспечивающей движение судна и снабжение необходимой энергией всех судовых потребителей. Затраты на изготовление и монтаж судовой энергетической установки (СЭУ) составляют 20–35% строительной стоимости судна, а затраты на ее эксплуатацию – 35–50% стоимости эксплуатации всего судна. Поэтому интенсификация работы СЭУ, экономия топлива и других энергетических и материальных ресурсов представляет собой важную народнохозяйственную задачу, в решении которой большая роль отводится совершенствованию котельных установок (КУ), входящих в состав различных СЭУ.

В учебном плане судостроительных техникумов курс «Судовые паровые котлы» является одним из первых среди специальных дисциплин, формирующих техников по судовым машинам и установкам. Учебник написан в соответствии с программой этого курса для специальности «Судовые машины и механизмы». Изучению данного курса предшествует освоение учащимися ряда общетехнических дисциплин, в числе которых «Высшая математика», «Физика», «Химия», «Техническая механика», «Техническая термодинамика и теплотехника».

В методике теплового расчета вспомогательного котла использованы материалы нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов, разработанного Центральным котлотурбинным институтом им. И.И. Ползунова и Всесоюзным теплотехническим институтом им. Ф.Э. Дзержинского.

Главы 1, 6, 7 и 8 написаны Б.В. Сударевым, гл. 2, 3 и 4 – Д.И. Волковым, гл. 5 – Д.И. Волковым и Г.И. Дмитриевым.

Отзывы и пожелания просьба направлять в издательство «Судостроение» по адресу: 191065, г. Ленинград, ул. Гоголя, 8.

Паровой котел служит для производства влажного или перегретого водяного пара при давлении, превышающем атмосферное. Температура выходящего из котла влажного пара равна температуре насыщения, а температура перегретого пара может быть значительно больше температуры насыщения.

Водяной пар на судне предназначен для различных целей. Например, в главных паросиловых установках он необходим для работы главных тепловых двигателей – паровых турбин, а также для нагревания воды, топлива и других сред в различных теплообменных аппаратах. На судах с дизельными и газотурбинными установками пар нужен турбогенераторам, вырабатывающим электроэнергию, а также для обогревания жилых помещений. Кроме того, пар необходим для хозяйственных нужд (камбуза и др.), для технологических установок по переработке рыбы и других продуктов моря. Водяной пар в паровом котле образуется в результате подвода теплоты к воде. Источником теплоты служат продукты сгорания органического топлива (дымовые газы).

Принципиальная схема котла показана на рис. 1.1, а, общий вид котлов разных типов – на рис. 1.1, б, в, г. Паровой котел (ПК) состоит из топки I и ряда рекуперативных теплообменников, расположенных за топкой: пароперегревателя II, испарителя III, водоподогревателя (экономайзера) IV и воздухоподогревателя V. В этих теплообменниках горячая среда (дымовые газы) отделена от холодной (пар, вода, воздух) непроницаемой твердой стенкой, то есть среды, обменивающиеся теплотой, не смешиваются друг с другом.

Назначение теплообменников следует из их названий: пароперегреватель – для перегрева пара, испаритель – для превращения воды в пар, экономайзер – для подогрева воды, а воздухоподогреватель – для подогрева воздуха. Испаритель представляет собой основную поверхность нагрева ПК, а теплообменники II, IV, V – дополнительную. Основную поверхность нагрева имеют все котлы. Она может быть скомпонована совместно с топкой (Рис. 1.1, б, в). Дополнительная поверхность нагрева у ряда котлов может частично (Рис. 1.1, б, г) или полностью отсутствовать (Рис. 1.1, в). Котлы, использующие теплоту отработавших газов дизелей и газотурбинных двигателей (ГТД), могут не иметь топки (Рис. 1.1, г).

Рис. 1.1. Принципиальная схема парового котла (а) и общий вид главного (б), вспомогательного (в) и утилизационного (г) котлов В – воздух; Т – топливо; ДГ – дымовые газы; ПП – перегретый пар; НП – насыщенный пар; ПВ – питательная вода

У паровых котлов можно выделить два независимых тракта: газовоздушный и пароводяной. Температура дымовых газов при движении через теплообменники II–V газовоздушного тракта снижается. Стрелками внутри теплообменников показано, что часть теплоты от газов в каждом из них отводится к нагреваемой среде, температура (энтальпия) которой при этом увеличивается.

На рис. 1.2 в координатах (s – удельная энтропия, Дж/(кг∙К); Т – абсолютная температура, К) изображен термодинамический цикл паротурбинной установки (ПТУ). Нижняя (х = 0, где х – степень сухости) и верхняя (х = 1) пограничные кривые соответствуют состояниям насыщения кипящей воды и сухого водяного пара при различных давлениях. Изобарный процесс 1–2–3–4 (; ) реализуется в пароводяном тракте котла. Он состоит из более простых процессов: подогрева питательной воды до состояния, близкого к состоянию насыщения при давлении в котле (линия 1–2); подогрева воды до кипения и образования влажного насыщенного пара, степень сухости которого близка к единице (линия 2–3); подсушки и перегрева пара (линия 3–4).

Рис. 1.2. Термодинамический цикл паротурбинной установки

Процессы превращения воды в перегретый пар происходят соответственно в экономайзере (линия 1–2), в испарительной поверхности нагрева (линия 2–3) и в пароперегревателе (линия 3–4) ПК.

Паровой котел – основной элемент судового энергетического комплекса, упрощенная схема которого приведена на рис. 1.3. Весь комплекс можно условно разделить на две установки: турбинную (машинную) и котельную. В состав турбинной установки входят главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА) 5 и вспомогательные турбоагрегаты (турбогенераторы) 4, главный 7 и вспомогательный 6 конденсаторы и обслуживающие их системы (на рис. 1.3 не показаны).

Котельная установка включает паровой котел 1 и обеспечивающие его работу системы:

– питательную, состоящую из подогревателей питательной воды (ППВ) 10, 13, 14, питательного насоса 12. трубопроводов 11 от паровых магистралей, конденсатных насосов 8, 9, измерительных приборов и арматуры;

– паровую, предназначенную для отвода пара потребителям по трубопроводам 2, 3 с арматурой и контрольно-измерительными приборами;

– топливную, состоящую из расходных цистерн 16, топливного насоса 15, топливных фильтров 17, подогревателя топлива 18, трубопроводов с измерительными приборами и арматурой;

– газовоздушную, включающую газоход 20, дымовую трубу (на схеме непоказана), вентилятор 19 с воздухоприемником, воздушные коробы и др.

Рис. 1.3. Принципиальная схема судового паротурбинного энергетического комплекса

Котельная установка оснащена также системами автоматического регулирования подачи воды, топлива и воздуха в котел, водоподготовки, дистанционного управления и защиты ПК, которые на схеме не показаны. Бóльшая часть пара поступает в главный турбозубчатый агрегат 5, остальная направляется к вспомогательному турбоагрегату 4.

Отработавший в турбине ГТЗА 5 пар поступает в главный конденсатор 7, где конденсируется и насосом 8 в виде конденсата (воды) нагнетается в ППВ 10. Сюда же насосом 9 подается конденсат от вспомогательного конденсатора 6, а также греющий пар (стрелки на трубопроводах 11) от отборов турбины ГТЗА 5. Вода в ППВ 10 смешивается с паром и нагревается до температуры кипения. Растворенные в ней газы удаляются в атмосферу, то есть смесительный подогреватель 10 служит также деаэратором питательной воды. Из подогревателя-деаэратора 10 питательным насосом 12 вода нагнетается в паровой котел 1 (через ППВ 13 и 14, обогреваемые паром из отборов турбины ГТЗА 5). Здесь теплота, выделившаяся при сжигании органического топлива, передается от дымовых газов к воде и пару. Топливо в топку котла 1 подается из расходной цистерны 16 насосом 15 через фильтры 17 и подогреватель топлива 18. Туда же вентилятором 19 из атмосферы подается воздух, а образующиеся при сгорании топлива дымовые газы отводятся (стрелка 20) в дымовую трубу.

Цикл ПТУ, изображенный на рис. 1.2, включает в себя процессы, происходящие не только в ПК, но и в других элементах СЭУ: 4–5 – адиабатное расширение пара в турбине; 5–6 – изобарно-изотермический процесс конденсации пара в конденсаторе; 6–7 – адиабатный процесс в насосах; 7–1 – изобарный процесс подогрева питательной воды в ППВ.

Термодинамическая эффективность цикла ПТУ в значительной степени зависит от параметров пара, производимого котлом.

Паровым котлом называют теплообменный аппарат, предназначенный для превращения воды в пар заданных параметров за счет тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

Принцип действия парового котла определяется сущностью рабочих процессов, происходящих в нем. Рабочие процессы в паровых котлах протекают в воздушно-газовом тракте, в пароводяном тракте, и тесно взаимосвязаны друг с другом.

Существует два основных источника получения тепла в паровом котле:

1.Непосредственное сжигание органического топлива в топке котла (основной способ). При этом образуется большой объем горячих продуктов сгорания (дымовых газов), которые являются теплоносителем, передающим теплоту нагреваемой и испаряемой воде и перегреваемому пару;
2.Использование теплоты отработавших газов других типов тепловых двигателей: дизельного двигателя или газотурбинной установки.

Судовые паровые котлы можно классифицировать по следующим признакам:

на главные , обеспечивающие паром главный двигатель (паровую турбину) и все потребители пара на ходу судна (корабля);
вспомогательные , обеспечивающие паром все потребители судна на стоянке при неработающих главных котлах, а также используемые для ввода в действие главных котлов. На судах с ГТУ и ДЭУ вспомогательные котлы работают и на ходовых режимах для обеспечения паром всех потребителей судна;

по способу использования:

на автономные , имеющие собственную топливную систему и систему подвода воздуха, и использующие для выработки пара теплоту продуктов сгорания, образующихся при сжигании органического топлива в топке;
утилизационные , использующие теплоту выхлопных газов ДЭУ или ГТУ;
комбинированные , в которых подогрев воды и ее испарение могут осуществляться как от собственной топливной и воздушной систем, так и от теплоты продуктов сгорания других типов ЭУ;

на водотрубные , в которых вода и пароводяная смесь движутся внутри труб, омываемых снаружи горячими газами;
огнетрубные , в которых горячие газы движутся внутри труб, омываемых снаружи водой;
комбинированные , имеющие в своем составе водотрубную и огнетрубную части;

по принципу организации движения воды и пароводяной смеси:

на котлы с естественной циркуляцией (ЕЦ) , в которых движение воды и пароводяной смеси по контуру циркуляции происходит за счет разности плотностей питательной воды и образующейся при испарении воды пароводяной смеси;
котлы с принудительной циркуляцией (ПЦ) , в которых движение воды и пароводяной смеси в контуре циркуляции происходит за счет работы специального циркуляционного насоса.

В свою очередь паровые котлы с ПЦ по кратности циркуляции делятся на котлы:

прямоточные;
с принудительной циркуляцией малой кратности (ПЦ МК);
с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ);

по способу организации движения воздуха:

на котлы с вентиляторным дутьем (открытым и закрытым), в топке которых топливо сгорает при давлении, незначительно превышающем атмосферное, а подача воздуха в топку осуществляется котельным вентилятором;
котлы с компрессорным наддувом (высоконапорные котлы), в топке которых топливо сгорает при давлении, существенно превышающем атмосферное: 0,2 ÷ 0,4 МПа (2 ÷ 4 кгс/см 2 ), а нагнетание воздуха в топку производится с помощью специального компрессорного агрегата;

по типу используемого топлива:

на котлы, работающие на твердом топливе (уголь и угольная пыль);
котлы, работающие на жидком топливе (мазуты, дизельное топливо);
котлы, работающие на газообразном топливе (природные и синтетические газы);

Для работы судовых и корабельных паровых котлов обычно применяется жидкое топливо: мазуты или (значительно реже) дизельные топлива. В исключительных случаях на судах-газовозах с ПТУ могут использоваться паровые котлы с газовым отоплением, работающие на перевозимом судном газе.

по расположению топочных устройств:

на котлы с однофронтовым отоплением, в которых топочные устройства располагаются на одном, переднем (со стороны обслуживания) фронте котла;
с двухфронтовым отоплением, в которых топочные устройства расположены на переднем и заднем фронтах котла;
с потолочным расположением топочных устройств;
с боковым расположением топочных устройств;

Судовые паровые котлы также могут классифицироваться и по другим признакам, характеризующим их конструктивные особенности:

по типу применяемых поверхностей нагрева: испарительных пучков труб, экономайзера, воздухоподогревателя и пароперегревателя;
по наличию или отсутствию хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров и воздухоподогревателей);
по взаимному размещению поверхностей нагрева;
по количеству коллекторов;
по организации топочного процесса, и др.

Как правило, в состав КТЭУ входит несколько котлоагрегатов. Один или несколько котлоагрегатов, обеспечивающих выработку пара заданных параметров, вместе с обслуживающими их системами, вспомогательными механизмами и устройствами, называются судовой котельной установкой.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

На судах различного назначения неотъемлемым и важным ресурсом является водяной пар, который служит для разных целей. Если на судне предусмотрена паросиловая установка, то пар необходим для вращения паровых турбин валопровода судна и, как следствие, передачи энергии движителю.

Если на судах установлены дизельные или газотурбинные двигатели, то пар требуется для выработки электроэнергии в турбогенераторах, а также для целей отопления и бытовых хозяйственных нужд. За производство водяного пара отвечает паровой котёл, который производит перегретый и влажный водяной пар под давлением.

Принцип работы заключается в подведении тепла, полученного путём сгорания органического топлива, к воде и образовании пара.

Судовые котлы классифицируются по следующим характеристикам:

Обтекание теплообменника горячими газами (водотрубные, огнетрубные, комбинированные);
Назначение (главные, вспомогательные);
Способ циркуляции воды (естественная, принудительная);
Тяга и дутьё (естественная или принудительная тяга и дутьё);
Вид топлива (жидкое, твёрдое, газообразное);
Параметры пара (низкого давления – до 150 кН/кв.м., среднего давления – от 160 до 280 кН/кв.м., высокого давления – от 610 до 1000 кН/кв.м.)

Со структурой судового парового котла можно ознакомиться на рисунке 1, где указаны схемы судовых котлов разных типов.
Основные части парового котла это топка (I) и несколько рекуперативных теплообменников, находящихся за ней: пароперегреватель (II), испаритель (III), водоподогреватель (IV) и воздухоподогреватель (V). Конструкция котла судового подразумевает разделение горячих дымовых газов и холодных пара, воздуха и воды герметичной перегородкой для того, чтобы среды обменивались теплотой, не смешиваясь.
Функция пароперегревателя заключена в его названии, испаритель образует пар из воды,водо- и воздухоподогреватели соответственно названию. Основная нагреваемая поверхность это испаритель, а остальные теплообменники представляют собой дополнительную.

Узлы и системы котельной установки:

паровой котёл;
питательная система, включающая подогреватели воды, насоса, трубопрово¬дов, из¬мерительных приборов и арматуры;
паровую систему для раздачи пара потребителям;
топливную систему;
газовоздушную систему (газоход, дымовая труба, вентилятор, воздушные коробы и др.)

Помимо прочего котельная установка снабжена системами автоматического регулирования подачи воды, топлива и воздуха в котёл, системами водоподготовки, защиты парового котла.
Если на корабле установлен утилизационный котёл, то благодаря использованию теплоты исходящих газов – утилизации – обеспечиваются технологические процессы, не связанные с движением судна.

Подготовка котельной к работе

Удостовериться в наличии необходимого количества воды и проверить топку на отсутствие мазута. Также нужна вентиляция топки, чтобы избежать воспламенения накопившихся газов. При подаче топлива в топку розжиг его осуществляется электрическим запалом или от горящего источника.

Пар распределять следует медленно для равномерного прогревания частей котла. Перед подъёмом пара нужно убедиться, что воздушный клапан открыт. Во время подогрева воды и подъёма пара проверяется герметичность люков, лазов и крышек. Включают подпиточные насосы, запускают автоматические котельные установки с включением топливного насоса, вентилятора и подачей тока к зажигающим электродам.
По достижению давления пара 1 кг/кв.см. закрывают воздушные краны и продувают водоуказательные приборы. После достижения паром давления 3 кг/кв.см. обследуют фланцы и лазы, обжимая их гайки. При давлении 5 кг/кв.см. включается подпитка водой и продувка.

При давлении в половину рабочего убеждаются в состоянии предохранительных клапанов. После чего ожидается подъём пара, время от розжига топлива до его первого появления занимает от трети до половины общего времени подъёма. Когда давление достигает рабочих параметров снова осматриваются клапаны, манометры и приборы.

Эксплутационные особенности

Важным условием бесперебойной работы котельных агрегатов является обеспечение достаточного уровня воды иначе недостаток воды чреват пережогом теплообменников и поломкой и снижением срока службы.

Необходимо постоянно контролировать уровень воды в тёплом ящике, работу подпиточных насосов, работу автоматического управления подпиткой. Если температура воды вырастает более, чем на 50° С, то это грозит выходом из строя насоса подачи из-за заполнения его паром. Заполнение котла выше нормы приводит к нестабильной работе паровых механизмов.

В случае использования газового оборудования избежать перегрев воды способно автоматическое газовое регулирование.

Процесс горения топлива

Качество горения в топочной камере осуществляется путём регулярного наблюдения в оборудованный глазок или при помощи газоанализатора.Чтобы обеспечить правильный теплотехнический процесс горения, следует добиться верного соотношения подаваемых в топку топлива и воздуха определённого давления.

Поставщики топлива обязаны предоставить сертификаты, составленные по результатам лабораторного анализа. Форсунки нужно очищать от отложений и нагара 3 раза в сутки при непрерывной работе. Если горение прекращается, то мгновенно закрывается клапан подачи топлива, чтобы оно не скапливалось в топке, что небезопасно.

Прекращение работы котла

При остановке котельной установки нужно выключить систему автоматического управления, прекратить подачу топлива, воздуха и воды. При ручном управлении сначала отключаются форсунки топливный насос, дутьё и подпитка водой. Затем стравливается пар и продувание. Из остывшего котла удаляется вода. Перекрывается запорная арматура и из трубопроводов удаляются вода, воздух и пар.

Очистка котла

В случае несоблюдения требований по водоподготовке на теплообменниках могут образовываться большие объёмы накипи спустя первые 1000 часов работы, что влияет на теплопотери, перегреву и необходимости механической и химической чисток. Процедуры проводятся при условии стоянки судна обеспеченной якорными и швартовными устройствами.
Механическая чистка выполняется кирками, скребками и электроинструментом. Также могут использоваться металлические щётки.
Химическая чистка подразумевает щелочение котла или промывка кислотными средствами. Щелочение это процесс заполнения водотрубного котла выше нормы водным раствором средства против накипи и при давлении в 2 Бар проведение верхней и нижней продувки. Продолжительность процедуры до 10 часов.
Практическая очистка дымогарных и водогрейных труб от сажи выполняется банником.

Производители

Когда дело доходит до модернизации котельных установок на судах, то перед покупателем открывается широкий выбор мировых производителей котлов (Германия, Италия, Корея). На российском рынке популярностью пользуется отечественный котёл марки КОАВ (КВС)-200 - водогрейная автоматизированная тепловая установка предназначенная для обслуживания судовых закрытых систем отопления. Его теплопроизводительность 200 Гкал/час, рабочее давление 0,18 Мпа.

Нормы и правила

Обслуживание судовых паровых котлов регулируется Правилами технической эксплуатации судовых паровых котлов Министерства морского флота. Согласно Правилам использование корабельных котлов должно производиться с учётом максимальной теплопроизводительности, без нанесения ущерба их техническому состоянию, обеспечивая безопасную работу и наименьший расход топлива.

Правильная организация труда и следование Правилам технической эксплуатации судовых котлов играет главную роль в выполнении вышеупомянутых требований. Нарушение Правил чревато авариями и нестабильной работой.

Судовым котлом называется герметичный агрегат, в котором за счёт тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива, происходит превращение котельной воды в пар с давлением выше атмосферного.

Котёл является сложным теплообменным аппаратом, в котором происходят физические явления, связанные с процессами теплообмена и циркуляции воды, пара и пароводяной смеси. Теплообмен в котлах происходит тремя способами: тепловым излучением, конвекцией и теплопроводностью. Совместное действие этих способов называется теплопередачей. Теплообмен осуществляется через стенки труб и камер, являющихся поверхностями нагрева. Горизонтальные и вертикальные котлы зависят от основных поверхностей нагрева и расположения трубок.

КЛАССИФИКАЦИЯ КОТЛОВ.

Судовые котлы подразделяются на паровые и водогрейные, которые могут быть автономные, утилизационные и комбинированные.

Паровые - вырабатывают пар (влажный или насыщенный), Р=0,2-1,5 МПа

Водогрейные - нагревают воду до 90-120°С, при давлении до Р=2,5 кг/см².

Автономные - имеют отдельную топку и их режим работы не зависит от ГД.

Утилизационные - работают за счёт тепловой энергии отработавших газов ДВС, температура которых составляет 400-600°С. Их режим работы полностью зависит от работы ГД.

Комбинированные - содержат в одном корпусе автономный и утилизационный контуры.

Все судовые котлы классифицируются по следующим основным признакам:

1. По расположению:

• горизонтальные, вертикальные – зависят от основных поверхностей нагрева и расположения трубок.

2. По признаку обтекания горячими газами котельных труб:

• огнетрубные - внутри дымогарных трубок находятся горячие газы, а нагреваемая вода снаружи;

• водотрубные - внутри водогрейных трубок находится вода, а горячие газы нагревают её снаружи;

3. По назначению:

4. По принципу циркуляции воды:

• с естественной циркуляцией;

• с принудительной циркуляцией.

5. По принципу тяги и воздушного дутья:

• с естественной тягой - свежий воздух подаётся в топку под действием разности плотностей;

• с искусственной тягой - воздух в топку подаётся электрическим вентилятором;

На современных теплоходах котельная установка состоит из вспомогательного и утилизационного котлов. Утилизационные котлы работают только в ходовом режиме судна, когда за счет теплоты уходящих газов от главного двигателя в котле вырабатывается пар, необходимый для общесудовых и технических нужд. Это значит, что на ходу можно не включать вспомогательный хотел, что повышает кпд. установки.

Вспомогательные котлы по сравнению с главными конструктивно более простые. Они имеют небольшую паропроизводительность и вырабатывают пар с небольшими параметрами.

Утилизационные котлы бывает огнетрубными и водотрубными с естественной и принудительной циркуляцией. Огнетрубный утилизационный (рис. 9, а) сварной конструкции состоит из цилиндрического

Рис. 9 Типы утилизационных котлов

корпуса 2, верхней 3 и нижней I трубных досок, в которых закрепляются дымогарные трубы. Для внутреннего осмотра и очистки предусмотрены лючки 5. На корпусе имеется приварыши под арматуру.

Примером водотрубного утилизационного котла может служить котел, представленный на рис. 9. Котел двухколлекторный, вертикальный. Пароводяной коллектор 9соединен с водяным коллектором 7 водогрейными трубами 6 и 8. Трубы 6 являются подъемными, а трубы 8 - опускными. Отработавшие газы от главного двигателя подводятся к патрубку 5, омывают поверхности нагрева и через скорогасительную камеру 10 уходят в дымоход I. Для улучшения омывания труб пучка 6 газами в пучке установлена перегородка 2. Котел оборудован заслонками 4 и газонаправляещим щитом 3, служащими для направления части выпускных газов двигателя через поверхность нагрева котла или мимо нее в зависимости от потребностей в паре.

Вопросы для самопроверки

1. Какие конструктивные схемы пароперегревателей получили наибольшее распространение в судовых котлах?

2. Для чего служат продольные и поперечные перегородки в коллекторе петлевого пароперегревателя?

3. Каково назначение экономайзера котла?

4. Какой тип экономайзера применяется в судовых котлах?

5. Какие теплоносители могут быть в воздухоподогревателях в качестве греющих?

6. Какие воздухоподогреватели получили наибольшее распространение в котлах?

7. С какой целью стены котла выполняют двойными?

8. Для чего некоторые опоры котла делают подвижными, другие – неподвижными?

9. Сколько питательных клапанов устанавливается на котле и почему?

10. Сколько водоуказательных приборов должно быть на котле и почему?

11. Сколько предохранительных клапанов устанавливается на пароводяном барабане?

12. Где устанавливаются клапаны верхнего и нижнего продувания котла?

13. Когда пользуются клапаном для выпуска воздуха из котла и когда он устанавливается?

14. Каково назначение опускных труб в котле?

15. Какие устройства необходимы для обеспечения сгорания топлива в котле?

16. Каково назначение экранов в топке?

17. Каково назначение клапанов продувания?

18. Каково назначение сажеобдувочного устройства?

19. Каково назначение газового воздухоподогревателя?

20. Каково назначение пароперегревателя?

21. Назовите хвостовые поверхности котла.

22. Какие котлы устанавливаются на судне с дизельной установкой?

23. В чем особенность вспомогательных котлов?

24. В чем особенность утилизационного котла?

25. Какое топливо является наиболее распространенным в современных котельных установках?

26. Какой водой питается котел?

27. С какой целью осуществляется продувание котла?

Практическое занятие №7

УСТРОЙСТВО ПАРОВЫХ ТУРБИН

Турбина является тепловым ротационным двигателем, в котором тепловая потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала, т.е. происходит двойное превращение энергии.

Рис. 1 Устройство простейшей турбины

Устройство простейшей турбины показано на рис. 1. Пар поступает из котла в неподвижный направляющий аппарат 4, так называемое сопло, и в нем расширяется; при этом потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, и на выходе из сопла пар приобретает значительную скорость. С этой скоростью пар поступает в каналы между рабочими лопатками 3, закрепленными на диске 2. Диск насажен на вал 1 турбины. Изогнутые поверхности рабочих лопаток изменяют направление потока пара, при этом пар за счет центробежных сил давит на их поверхности. Под действием этого давления возникает окружная сила, направленная по касательной к окружности, которая вращает диск, т.е. совершает механическую работу. Таким образом, между лопатками вращающегося диска происходит преобразование кинетической энергии пара в механическую работу.

В турбинах обычно устанавливают не одно сопло, а несколько. Совокупность неподвижных направляющих аппаратов (сопел) и рабочих лопаток, закрепленных на вращающемся диске, в которых происходит рассмотренный процесс, называется ступенью турбины.

Простейшие турбины, имеющие одну ступень, называются одноступенчатыми, а турбины, имеющие много ступеней - многоступенчатыми.

Турбины по принципу работы рабочего тела разделяются на две основные группы: турбины, в которых расширение рабочего тела происходит только в неподвижных соплах, а на рабочих лопатках используется лишь кинетическая энергия рабочего тела, называются активными; турбины, в которых расширение рабочего тела происходит в направляющей аппарате, и в каналах между рабочими лопатками, называются реактивными.

Направляющий аппарат, исходя из его конструкции, называется: в активной ступени - сопловой аппарат или сопла; в реактивной ступени - направляющие лопатки.

Сопла первой ступени активной турбины крепятся по окружности к корпусу турбины и размещаются на части длины окружности; сопла последующих ступеней монтируются в неподвижных диафрагмах и размещаются на всей длине окружности.

Направляющие лопатки реактивных ступеней размещаются по всей длине окружности и крепятся в пазах неподвижного корпуса турбины.

В активных турбинах рабочие лопатки крепятся на диске, насаженном на вал турбины. Облопаченный диск называют рабочим колесом. В реактивной турбине рабочими колесами служит барабан, в пазах которого закреплены рабочие лопатки всех ступеней.

Комплекс рабочих лопаток вместе с валом (дисками или барабаном), т.е. всех вращающихся частей турбины, называется ротором. Комплекс сопел, направляющих лопаток и других неподвижных частей вместе с корпусом турбины, в котором они закреплены, называется статором. Профилем лопатки называется поперечное сечение лопатки цилиндрической поверхностью.

На рис. 2 показана активная ступень и реактивная ступень с профилем направляющего аппарата и рабочих лопаток. В верхней части рис. 2 представлены графики изменения давления пара и абсолютной скорости пара.

Рис.2 Принцип действия активной (а) и реактивной (б) турбин.

СИЛЫ, ДЕЙСТВУЩИЕ НА РАБОЧУЮ ЛОПАТКУ

Рассмотрим силы, действующие на рабочие лопатки активной и реактивной турбины (рис.3). На рис.3 показана полукруглая лопатка активной турбины, на которую струя пара вступает по касательной к поверхности лопатки. В своем движении струя пара огибает поверхность лопатки, вращающейся со скоростью U, и, изменяя направление движения, уходит с лопатки. При этом центробежные

силы частиц пара (на рис. 3, д показаны только три частицы а, б, в),

Рис. 3 Силы, действующие на рабочую лопатку активной (а) и реактивной (б) турбин

Приложенные к поверхности лопатки, и создают движущую лопатку силу Р. центробежные силы Р можно разложить на составляющие: Ра – направленные горизонтально (по оси турбин) и Ри, направленной вертикально по касательной к окружности (по направлению движения лопатки). Вследствие симметричной формы профиля лопатки горизонтальные силы Ра взаимно уравновешиваются. Вертикальные силы Ри дают в сумме силу Р, которая заставляет лопатку перемещаться. Под действием результирующих сил Р всех лопаток, омываемых паром, вращается диск турбины.

На рис. 36 показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины. Попадая из направляющего канала I в рабочий канал 2, струя изменяет направление течения, вследствие чего возникают центробежные силы частиц пара (активное действие струи) которые выражаются силой Ракт. Так как в рабочем канале пар расширяется, возникает реактивная сила Рреактнаправление которой зависит от формы лопатки. Сложив силы Ракти Рреакт , получим равнодействующую силу Р, вращающую рабочую лопатку (окружная составляющая). Кроме того разность давления пара Р1 у входа на

рабочие лопатки и Р2у выхода с них вызываем появление дополнительной осевой силы Ра , действующей на лопатку вдоль оси ротора. Силы Рв обоих случаях дают результирующую силу Ррез. Силы Р в обоих случаях направлены в сторону выпуклости рабочей лопатки и вращают ротор всегда в одну и ту же сторону. Отсюда можно сделать важный вывод: турбина - двигатель нереверсивный.

В настоящее время одноступенчатые турбины применяются редко. В целях снижения окружной скорости и, и частоты вращения ротора турбины делают многоступенчатыми. Они делятся на турбины со ступенями скорости (только активные) и со ступенями давления (активные и реактивные). Многоступенчатая турбина представляет собой комплекс отдельных ступеней, расположенных последовательно одна за другой, рабочие лопатки которых связаны с одним роторам. Ввиду того, что удельный объем пара по мере его расширения в ступенях турбины возрастает, то площадь проходного сечения в каналах сопел и рабочих лопаток должна увеличиваться, что практически связано с возрастанием высоты сопел и рабочих лопаток турбины по ходу пара от ступени к ступени.

На рабочих лопатках любой турбины изменяется (из-за поворота) направление движения пара. Поэтому перед каждым новым рядом рабочих лопаток в многоступенчатой турбине требуется развернуть струю пара к первоначальному направлению. Эту функцию выполняют неподвижные направляющие лопатки, находящиеся между рабочими. Они крепятся либо в корпусе и крышке турбины в статоре - реактивные турбины, либо в специальных неподвижных перегородках, называемых диафрагмами - активные турбины.

В ступенях реактивных турбин вследствие расширения пара и на рабочих лопатках получается разность давлений по обе стороны лопаток, создающая осевое усилие. Для его уменьшения применяют общий барабан вместо отдельных дисков для каждого ряда рабочих лопаток, как в активных турбинах (рис. 4), Оставшееся осевое усилие увеличивается от давления пара на кольцевую торцевую поверхность "б" уступа ступенчатого барабана. Для уравновешивания осевого давления в реактивных турбинах со стороны впуска пара устанавливают разгрузочный поршень (думмис) I, диаметром большим диаметра барабана. Со стороны паровпускного канала "а" на кольцевую часть "в" - поршня I действует пар высокого давления. Пространство с другой стороны

Рис. 4 Многоступенчатая реактивная турбина

поршня соединено трубой 2 с выпускным патрубком. Вследствие разности давлений с обеих сторон поршня I создается осевое давление, направленное в сторону, противоположную осевому давлению на рабочих лопатках. Остающаяся неуравновешенной часть осевого давления воспринимается упорным подшипником, нагрузка на который при отсутствии думмиса была бы очень велика.

Таким образом, для активной турбины с точки зрения конструкции характерны дисковые роторы и наличие диафрагм, в которые вмонтированы сопла, для реактивной турбины характерны барабанные роторы, в пазах которых закреплены рабочие лопатки, а направляющие лопатки вмонтированы в корпус.

КОНСТРУКЦИИ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Основными узлами каждой турбины являются ротор и статор. Статор представляет собой всю неподвижную часть турбины, т.е. корпус и находящиеся в нем сопловые коробки, диафрагмы, лабиринтовые

уплотнения, опорные и упорные подшипники. Корпус турбины выполняется литым или сварным и имеет сложную конфигурацию. Для удобства выемки и установки ротора корпус имеет всегда горизонтальный разъем 3 (рис. 5), разделяющий его на две половики: нижнюю - собственно корпус II и верхнюю - крышку 5

Рис.5 Общий вид корпуса ГТЗА

Каждую половину изготавливают из двух или нескольких частей, скрепленных вертикальным фланцевым соединением I. Крышка и нижняя половина корпуса в плоскости разъема соединяются друг с

другом болтами. Горизонтальные фланцы корпуса и крышки обрабатывают фрезеровкой и между ними прокладки не ставят, чтобы не менять радиальные зазоры в турбине. На нижней половине корпуса имеются по концам стулья (носовой 7 и кормовой 17), где расположены опорные 8 и упорные 12 подшипники. Корпус опорными стульями расположен на раме 10. Чтобы дать возможность корпусу расширяться в процессе прогрева турбины, стул 7- носового подшипника имеет гибкую опору 13. Кормовой стул 17 приварен к нижней половине корпуса и жестко закреплен на продольной раме 10. В верхнюю и нижнюю половины корпуса имеются патрубки: 2 - подвод пара к турбине; 14 - отвод пара в конденсатор; 6- подвод масла к опорным и упорному подшипникам; 9- слив масла из носового стула; 18 - слив масла из кормового стула.

СОПЛА И РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ ТУРБИНЫ

Сопла первых ступеней объединяется в так называемые сопловые сегменты, которые обычно устанавливаются и закрепляются во вставных сопловых коробках чаще с помощью болтов, а сами коробки крепятся в корпусе турбины 2. На рис. 6, а сопловая коробка I имеет три группы сопел I, П, Ш, образованных сопловыми сегментами, со своими сопловыми каналами а, б, в. По конструкции сопловые сегменты подразделяются на литые, сборные, наборные из фрезерованных сопел и сварные. На рис. 6, б (вид А) представлен разрез соплового сегмента. Индивидуальные фрезерованные сопла 4 привариваются к кольцевой обойме 3, образуя сегмент, а обойма закрепляется в сопловой коробке I.

Мощность турбины зависит от двух параметров: расхода пара через турбину и располагаемого теплоперепада пара перед турбиной. Согласно этому, известны два способа регулирования мощности турбины: сопловое (количественное) и дроссельное (качественное).

При дроссельном регулировании, изменяя проходное сечение для пара за счет закрытия маневрового клапана 19 (см. рис. 5), изменяются параметры пара перед турбиной, т.е. располагаемый теплоперепад, что приводит к уменьшению мощности турбины.

При сопловом регулировании (см. рис. 6) пар к группам сопел I, П, Ш, поступает через клапаны а, б, в, каждый из которых открывает доступ пара к своей группе сопел. Для уменьшения расхода пара (а значит мощности турбины) некоторые клапаны закрывают, выключая, таким образом, часть сопел.

Рис. 6 Сопловая коробка ТВД

Вопросы для самопроверки

1. Как преобразуется потенциальная энергия пара во вращательное движение ротора турбины?

2. Как устроен ротор простейшей активной турбины?

3. Из чего состоит ступень турбины?

4. Каков принцип работы активных и реактивных турбин?

5. Где монтируются сопла первой ступени и сопла последующих ступеней активных турбин?

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: