Как работает турбина: принцип действия и устройство паровых и газовых машин

Турбина работает так: поток пара или горячего газа с высокой скоростью ударяет по лопаткам рабочего колеса и заставляет его вращаться. Вал турбины соединён с генератором, который превращает это вращение в электрический ток. По такому принципу работают паровые турбины тепловых и атомных электростанций, газовые турбины электростанций и авиационных двигателей, гидротурбины ГЭС. Разница только в рабочем теле: пар, горячий газ или вода.

Устройство паровой турбины

Паровая турбина состоит из нескольких ключевых элементов. Корпус (цилиндр) удерживает давление пара внутри и служит опорой для подшипников. Ротор — это вал с насаженными на него дисками рабочих лопаток. Между дисками ротора в корпусе закреплены диафрагмы со статорными (направляющими) лопатками. Вместе одна ступень статорных и одна ступень рабочих лопаток образуют ступень турбины.

Пар под давлением 10–25 МПа и температурой 540–600 °C поступает в первую ступень. В каналах между неподвижными статорными лопатками пар ускоряется: давление падает, а скорость вырастает до 500–700 м/с. Этот скоростной поток ударяет по рабочим лопаткам ротора и передаёт им импульс, заставляя вращаться. Давление и температура пара ступень за ступенью снижаются. В мощных турбинах число ступеней достигает 30–50.

После прохождения через все ступени отработанный пар с давлением около 3–10 кПа и температурой 30–40 °C поступает в конденсатор, где охлаждается водой и снова превращается в жидкость. Этот конденсат насос возвращает в котёл на повторный нагрев. Замкнутый цикл повторяется непрерывно. КПД современных паровых турбин достигает 40–45%, а в парогазовых установках комбинированного цикла совокупный КПД превышает 60%.

Газовая турбина: как она отличается

Газовая турбина работает по разомкнутому циклу: воздух засасывается снаружи, сжимается компрессором в 15–35 раз, смешивается с топливом (природным газом или жидким топливом) и сжигается в камере сгорания. Температура газов на выходе из камеры сгорания достигает 1200–1600 °C. Этот раскалённый поток направляется в турбину, где расширяется и вращает ротор. Часть мощности турбины уходит на привод компрессора (обычно 40–50%), остальное снимается с вала для полезной работы.

Лопатки турбины в зоне высоких температур охлаждаются воздухом, который прокачивается через каналы внутри лопаток. Без охлаждения металл не выдержал бы и нескольких секунд при таких температурах. Современные жаропрочные никелевые сплавы выдерживают до 900–950 °C без охлаждения, а с охлаждением лопатки работают при газовой температуре 1400–1600 °C.

Запуск газовой турбины занимает 5–10 минут, тогда как паровой блок выходит на полную мощность за 6–8 часов. Поэтому газовые турбины используют для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме.

Турбины на атомных электростанциях

На атомных электростанциях пар вырабатывается в парогенераторах или непосредственно в реакторе. Параметры пара на АЭС несколько скромнее, чем на угольных ТЭС: давление около 6–7 МПа, температура 270–285 °C у реакторов типа ВВЭР. Из-за насыщенного пара пониженных параметров турбины АЭС крупнее: при той же электрической мощности они занимают больше места. Типичный турбоагрегат энергоблока мощностью 1000 МВт имеет длину машинного зала около 50–60 метров.

Производство турбин в России

Отечественное турбиностроение сосредоточено на нескольких крупных предприятиях. Санкт-Петербургский завод турбинных лопаток поставляет комплектующие, а основные турбоагрегаты для тепловой и атомной генерации производят в Санкт-Петербурге и Екатеринбурге. Установленная мощность электростанций, работающих на паровых и газовых турбинах отечественного производства, составляет сотни гигаватт и обеспечивает подавляющую долю выработки электроэнергии в стране.