Во время работы турбины нагрузка постоянно меняется и рас­ход пара должен изменяться таким образом, чтобы турбина раз­вивала требуемую от нее мощность в пределах от нуля до номи­нальной.

Эффективная мощность паровой турбины

N_e = G_сек H_a?_е,

где G_сек — секундный расход пара, кг/сек; H_а— адиабатный тепло- перепад, кдж/кг (ккал/кг); ?_е — эффективный к. п. д. турбины.

Из приведенного выражения следует, что эффективная мощ­ность турбины зависит от секундного расхода пара, теплоперепада и эффективного к. п. д. Изменением одной из перечислепых вели­чии или их произведения можно регулировать работу турбины, т. е. изменять ее мощность. Наивыгоднейшим методом регулиро­вания, обеспечивающим возможное сохранение экономичности на различных длительных эксплуатационных режимах, является ме­тод, при котором изменяется только массовый расход пара G_сек, а эффективный к. п. д. и адиабатный теплоперепад остаются по­стоянными.

В зависимости от величины, подвергающейся изменению, суще­ствуют следующие способы регулирования мощности:

1)    дроссельное или качественное — изменяется располагаемый теплоперепад и расход пара;

2)     сопловое или количественное — изменяется секундный рас­ход пара;

3)  количественно-качественное или смешанное.

Дроссельное (или качественное) регулирование состоит в изме­нении открытия дроссельного клапана, установленного на глав­ном паропроводе перед турбиной. При номинальной мощности клапан открыт полностью. Для снижения мощности дроссельный клапан должен прикрываться и количество пропускаемого пара уменьшится. Одновременно с уменьшением расхода пара проис­ходит процесс дросселирования, т. е. давление за клапаном па­дает. Степень открытия клапана определяет степень дросселирова­ния пара и соответственно этому мощность турбины. Дросселиро­вание в клапане происходит при постоянной энтальпии пара, т. е. энтальпия сохраняет свое значение, которое она имеет на расчет­ном режиме. На s – i диаграмме процесс дросселирования изобра­жается следующим образом (рис. 52, а).

По начальным параметрам пара за регулирующим клапаном на расчетном режиме р₀ и t₀ находят на s - i диаграмме точку A₀, характеризующую состояние пара перед соплами первой ступени. От точки А₀ проводят адиабату до пересечения с конечным дав­лением р₁ в точке A_1t. Энтальпия пара в этой точке составляет i_1t и адиабатный теплоперепад H_а = i₀ — і_1t.

Пусть в результате прикрытия дроссельного клапана в целях уменьшения мощности давление пара перед соплами снизилось до величины p₀’. Так как процесс дросселирования происходит при постоянной энтальпии, то новое состояние пара перед соплами оп­ределится точкой А₀', которая находится на пересечении горизон­тальной прямой (изоэнтальпии) с изобарой p₀’. Тогда распола­гаемый теплоперепад при расширении пара до того же конечного давления р₁ будет равен

H_а’ = i₀ — і_1t‘.

В результате дросселирования в клапане адиабатный тепло­перепад уменьшится на величину

?H = H_a — H_a’.

Отсюда можно сделать вывод, что дроссельное регулирование приводит к потерям тепла, и следовательно, снижению экономич­ности на малых ходах. Поэтому в главных судовых турбинах в чи­стом виде его применяют редко. Чисто дроссельное регулирование используют во вспомогательных турбинах, предназначенных для работы с мало меняющейся нагрузкой.

Количественное (сопловое) регулирование заключается в том, что изменяют количество полностью открытых сопловых клапанов, в результате чего изменяется число работающих сопел, а следо­вательно, и расход пара. Давление пара перед работающими соп­лами остается неизменным. Таким образом, состояние пара перед этими соплами не меняется и располагаемый адиабатный тепло- перепад будет постоянным. При количественном регулировании качество пара не изменяется и экономичность работы турбины выше, чем при дроссельном. Однако это регулирование допускает значительные скачки в изменении массового расхода пара, так как в главных судовых турбинах сопловые клапаны вводят в действие одновременно группу сопел. Значит, количественное регулирова­ние не может обеспечить получение всех мощностей турбины, так как это ограничивается возможными комбинациями полного от­крытия сопловых клапанов, число которых составляет от двух до шести. Отсюда следует, что количественное регулирование в чи­стом виде можно осуществить только на определенных режимах работы турбины.

На всех промежуточных режимах приходится применять сме­шанное регулирование, т. е. количественно-качественное.

Смешанное регулирование применено на сухогрузах типа «Ле­нинский комсомол». Для управления и регулирования мощности ТЗА (рис. 52, б) предусмотрены маневровые клапаны переднего и заднего хода и три сопловых клапана 2, смонтированные в об­щей клапанной коробке, отлитой заодно с верхней трехкамерной сопловой коробкой 3. Нижняя сопловая коробка 4 однокамерная, содержит первую группу сопел, управляемую только маневровым клапаном 1. При полностью открытом маневровом клапане эти сопла обеспечивают нагрузку 50% от номинальной мощности. При открытом среднем сопловом клапане, вторая группа сопел увели­чивает мощность на 30%. Первый и третий клапаны обеспечивают дополнительное увеличение мощности соответственно на 20 и 10%. Таким образом, без применения дросселирования возможны ком­бинации, позволяющие развить (при достаточной простоте устрой­ства и управления) мощности в пределах 50 —110% от номиналь­ной с интервалами 10%.

Сопловые клапаны, устанавливаемые на группу сопел, пред­назначены для соплового регулирования турбины. По конструкции клапаны делятся на неуравновешенные и уравновешенные. У со­временных главных судовых турбин наибольшее применение имеют уравновешенные клапаны.

На рис. 53 показан общий вид соплового клапана. Открытие и закрытие его производится вручную, маховиком 13. При враще­нии маховика против часовой стрелки втулка 12, внутри которой имеется резьба, навертывается на шток 11. Благодаря направляю­щей шпонке 14 шток перемещается поступательно вверх. Вместе со штоком 11 движется соединенный с ним посредством разрезной втулки 10 шток клапана 3. Шток, перемещаясь, открывает вначале разгрузочный клапан 1 на величину а, после чего начинается подъем основного клапана 2 на величину б до упора. Величину открытия клапана указывает стрелка 15. В месте выхода штока из корпуса 5 имеется саль­никовое уплотнение, состоя­щее из уплотнительных ко­лец 4, распорной 7 и нажим­ной 8 втулок и фланца 9. Через распорную втулку и штуцер 6 производится от­сос просачивающегося через уплотнение штока пара в ка­меру холодильника эжек­тора концевых уплотнений турбины.

Маневровые клапаны предназначены для впуска пара в турбины переднего и заднего хода и регулирова­ния мощности ТЗА. На схеме автоматического ре­гулирования и защиты су­дового ТЗА (рис. 54) пока­заны маневровые (МК) кла­паны ПХ и ЗХ в одном блоке с быстрозапорным клапаном (БЗК). За манев­ровым клапаном ЗХ уста­новлен дополнительный за­порный клапан (ЗК) пред­отвращающий проникнове­ние пара через маневровый клапан ЗХ в турбину зад­него хода при работе ТЗА на передний ход; попадание пара приводит к резкому увеличению вентиляционных потерь в турбине ЗХ.

Маневровые и разобщи­тельный клапаны конструк­тивно сходны между собой и управляются вручную соответствующими махови­ками. Открытие клапана производится вращением маховика против часовой стрелки. Величина открытия определяется по положе­нию стрелки привода клапана на щите. Вращение маховика по­средством привода и конической передачи передается штоку, кото­рый связан со штоком клапана. При перемещении штока открывается вначале разгрузочный клапан, а затем основной. Во фланце клапана расположено сальниковое уплотнение штока, обо­рудованное двухступенчатым отсосом пара, чем предотвращается выход пара через штоки клапана в машинное отделение.

Для прекращения доступа пара при резком нарушении режима служит быстрозапорный клапан, который устанавливают на глав­ном паропроводе перед турбиной. Клапан поддерживается в от­крытом состоянии при помощи масла, поступающего через золот­ник 5 в камеру над поршнем. Масло, преодолевая усилия пружин, открывает клапан полностью до упора в штоке. Золотник получает импульс от регулятора скорости турбины. При повышении частоты вращения сверх номинальных под действием давления масла зо­лотник поднимается вверх, закрывая доступ маслу в камеру над поршнем и соединяя камеру со сливом. Вследствие этого клапан закроется до тех пор, пока золотник не вернется в среднее поло­жение посредством рычага 7 и пружины. При среднем положении золотника прекращается доступ силового масла и выход его из камеры над поршнем. Таким образом обеспечивается необходимое открытие клапана, отвечающее данному режиму. В аварийных случаях камера ускорителя 8 сообщается со сливом и под дейст­вием пружины золотник перемещается в крайнее верхнее поло­жение. При этом камера над поршнем соединяется со сливом. Одновременно прекращается доступ масла от насоса к золотнику, и быстрозапорный клапан под действием пружин закрывается.

Управление быстрозапорным клапаном производится вручную посредством маховика, для чего следует предварительно вывер­нуть болт 1 вниз до упора. Маховик для открытия клапана нужно вращать в сторону его закрытия (по часовой стрелке). Шток, вра­щаясь через коническую передачу при закрытом клапане, будет перемещать втулку 2 вниз, пока в ее вырез не попадет защелка 3. При таком взведенном положении втулки и вращении маховика против часовой стрелки клапан откроется. Аварийное закрытие клапана вручную производится посредством рычага 4, поворачи­вающего защелку втулки. Освобожденная втулка вместе со што­ком перемещается вверх и под действием пружины закрывает клапан. Для возврата втулки в прежнее положение маховик вра­щают в сторону закрытия клапана (по часовой стрелке) до тех пор, пока защелка своим срезом не войдет в паз втулки.

Предельные регуляторы являются составной частью системы автоматического регулирования и защиты судовых ГТЗА, обеспе­чивающей быстрое прекращение доступа пара в турбину. Си­стема автоматического регулирования поддерживает частоту вра­щения турбин в пределах 103—108% от полной при изменении на­грузки. В случае повышения частоты вращения в пределах 110— 114% вступает в действие выключатель предельной частоты вра­щения, ограничивающий доступ пара в турбину. Чрезмерное по­вышение частоты вращения, возможное при внезапном сбросе нагрузки вследствие, например, оголения винта, и остановка глав­ных турбин, особенно в штормовую погоду, опасны. Поэтому со­временные судовые турбины снабжают ограничивающими регуля­торами, не допускающими повышения их скорости до величины, при которой вступил бы в действие выключатель предельной ча­стоты вращения.

Регулятор скорости 19 предназначен для ограничения частоты вращения при плавном изменении нагрузки от 100% до нуля. Букса 20 регулятора имеет профильные дроссельные окна, подо­бранные с таким расчетом, чтобы давление масла, поступающего к золотнику 5, менялось по линейной зависимости от положения золотника 22 регулятора скорости. Положение золотника зависит от давления масла, поступающего от измерителя скорости 24, пред­ставляющего собой центробежный масляный насос. Рабочее колесо измерителя прикреп­ляется к ротору турбины специаль­ными болтами. В обойме измери­теля установлены сита 23, умень­шающие пульсацию импульсного масла. При повышении частоты вращения турбины давление им­пульсного масла в полости 21 по­высится, золотник регулирующего устройства быстрозапорного кла­пана поднимется и клапан при­кроется, уменьшив доступ пара в турбину. Настройка регулятора производится изменением натяже­ния пружины.

На рис. 55 показан центробеж­ный предельный выключатель-регу­лятор безопасности, предназначен­ный для аварийной остановки турбины при увеличении частоты вращения на 12—15% выше нормального. Регулятор безопасно­сти располагается в расточке конца вала 7 ротора турбины. В нормальном рабочем состоянии центробежная сила бойка 2 воспринимается пружиной 6- Подвижный конец пружины опи­рается на буртик бойка. При достижении предельной частоты вращения ротора боек, преодолевая усилие пружины, переме­стится от центра вала наружу и выведет из зацепления защелку 1 защитного устройства. Начальный натяг пружины устанавли­вается посредством регулировочных прокладок 4, которые распо­ложены между тарелкой 5 и упорным кольцом 3, ограничиваю­щим ход бойка. Импульс от регулятора безопасности через защитное устройство сообщается быстрозапорному клапану, кото­рый прекращает доступ пара в турбину.

Современные судовые турбины оборудуют выключателями пре­дельного сдвига ротора, масляными выключателями и вакуум-реле. Выключатели предельного сдвига ротора прекращают доступ пара в турбину при достижении минимального осевого зазора в проточной части турбин около 0,2 мм или при толщине баббита на упорных подушках упорного подшипника менее 0,2 мм; масля­ные выключатели — при снижении давления масла в маслопро­воде; вакуум-реле — при резком ухудшении вакуума в конденса­торе. Указанные выключатели воздействуют посредством переда­точного устройства на быстрозапорный клапан, прекращающий доступ пара в турбину. Совокупность выключателя, передаточного устройства и быстрозапорного клапана составляет систему защиты турбины и называется быстрозапорным устройством. В зависи­мости от конструкции выключателя и типа передачи быстрозапорные устройства подразделяются на механические, гидромехани­ческие и гидродинамические.

На рис. 56 показана принципиальная схема механического бы­строзапорпого устройства, состоящего из центробежного выключа­теля предельной частоты вращения, рычажной передачи и быстро- запорного клапана. Как уже указывалось, при превышении пре­дельной частоты вращения боек 1 центробежного выключателя перемещается от центра вала наружу и ударяет по плечу рычага 2, освобождая тем самым рычаг 3, который находится под воздейст­вием пружины 9. Поворот рычага вызывает перемещение тяги 8, которая через рычаг 7 повернет защелку 6, удерживающую втулку 5. Под действием пружины 4 втулка, освободившись от за­щелки, переместится и закроет полностью клапан. Для открытия клапана необходимо вращать маховик в сторону его закрытия (по часовой стрелке) до тех пор, пока защелка снова не войдет в прорезь втулки, после чего клапан открывают вращением махо­вика в сторону открытия (против часовой стрелки). Быстрозапорные устройства механического типа находят в основном примене­ние у вспомогательных турбин, где быстрозапорный клапан нахо­дится на небольшом расстоянии от вала турбины.

В состав гидромеханического быстрозапорпого устройства входят центробежный выключатель с расходящимися поршеньками и быстрозапорная захлопка, соединенные между собой гид­равлической передачей. При достижении предельной частоты вра­щения турбины поршеньки выключателя под действием центро­бежных сил расходятся, сообщив напорный маслопровод регули­рования со сливом, в результате чего упадет давление масла и быстрозапорная захлопка закроется и отключит турбину от глав­ного паропровода. Быстрозапорное устройство также обеспечивает отключение турбины при опасном осевом сдвиге ротора.

К достоинствам двухпоршпевого регулятора следует отнести его универсальность и надежность действия, к недостаткам — сложность устройства. Быстрозапорная захлопка, по сравнению с быстрозапорным клапаном, имеет небольшие габарит и вес и меньшие потери на дросселирование и протечки пара. Недостаток захлопки— возможность самопроизвольного закрытия при боль­ших вибрациях.

В гидродинамическом быстрозапорном устройстве вместо цен­тробежного выключателя устанавливают небольшой масляный на­сос, приводимый во вращение от вала турбины. Напор, создавае­мый насосом, пропорционален квадрату частоты вращения тур­бины. При превышении на 10—14% максимальной рабочей ча­стоты вращения давление масла преодолевает усилие пружины и закрывает быстрозапорный клапан. Гидродинамическое быстроза­порное устройство является более совершенным и находит наи­большее применение в судовых паротурбинных установках.

Система регулирования и защиты ГТЗА для серийных сухо­грузных судов показана на рис. 54. Система воздействует на быстрозапорный клапан, вызывая частичное прикрытие или быстрое полное закрытие его и объединена в общий маслопровод с систе­мой смазки подшипников. Масло из цистерны 34 через магнитный фильтр 33 подается одним из главных масляных электронасосов 32 через масляный фильтр 31 на систему регулирования и защиты и через маслоохладитель 30 и редукционный клапан 29 в систему смазки подшипников. Напорное масло с постоянным давлением 0,4—0,43 Мн/м², поддерживаемым редукционным клапаном, посту­пает к масляному выключателю 21, вакуум-реле 28, ускоритель­ному клапану 8 и далее через него к золотнику 5 регулирующего устройства 6 быстрозапорного клапана, откуда к поршню серво­мотора, удерживающего быстрозапорный клапан в открытом со­стоянии. Одновременно напорное масло подводится к защитному устройству 15 турбины и к блокам защиты от осевого сдвига 16— ТВД и 25 — ТНД. Из защитного устройства масло поступает к ма­сляному выключателю, откуда подается к ускорительному клапану и к трем затворам 9, 10 и 11 автоматических обратных клапанов отбора пара.

При нормальном режиме работы турбины ускорительный кла­пан прижат к седлу и слив масла из полости сервомотора быстро- запорного клапана перекрыт. Из бака 12 масло поступает в трубо­провод системы смазки, к измерителю скорости 24 и масляному выключателю под золотник III. При уменьшении уровня масла в напорном баке снижается давление ПОД золотником масляного выключателя и быстрозапорный клапан закрывается.

В случае увеличения частоты вращения турбины в пределах 103—108% номинальной золотник регулятора скорости 19 под дей­ствием возросшего давления перепускает масло под золотник ре­гулирующего устройства быстрозапорного клапана, прикрываю­щего подачу пара. При уменьшении частоты вращения золотник опустится и быстрозапорный клапан увеличит подачу пара в турбину.

Если частота вращения ТНД увеличится на 13—15% против нормальной, золотник I масляного выключателя под действием повышенного давления импульсного масла поднимется и пере­кроет доступ масла под астатический золотник IV. Перемещаясь вниз, золотник IV соединит полость над ускорительным клапаном и масляные полости автоматических клапанов отбора со сливом, вследствие чего быстрозапорный клапан закроется и прекратит подачу свежего пара в турбину. Одновременно закроются автома­тические клапаны отбора пара на регенеративный подогрев пита­тельной воды в водоподогревателях.

При увеличении частоты вращения ТВД до 115—117% оста­новка турбины произойдет так же и от автомата безопасности 18, освобождающего через защелку 17 золотник 14 защитного устрой­ства 15. Золотник, перемещаясь вправо, соединяет полости над ускорительным клапаном и полости автоматических клапанов от­бора со сливом, вследствие чего, как и описано выше, быстроза­порный клапан и клапаны отбора закрываются.

Таким же образом происходит работа масляного выключателя и прекращение доступа пара в турбину в результате действия зо­лотников: II — при аварийном осевом перемещении роторов тур­бин и падении вакуума в главном конденсаторе до 0,046 Мн/м²; III — при падении давления в линии смазки до 0,075 Мн/м². В эк­стренных случаях турбину можно остановить вручную посредст­вом рукоятки 4, быстрозапорного клапана, рукоятки 26 масляного выключателя или кнопки 13 защитного устройства. За последнее время ряд турбинных установок оборудован автоматизирован­ными системами регулирования и защиты, обеспечивающими авто­матически длительное поддержание заданной частоты вращения гребного вала в заданной полосе ходовых режимов судна. Такие устройства обычно сочетают с ограничительными и предельными регуляторами скорости, создавая единую систему управления и защиты ТЗА.

Основные тенденции развития систем регулирования и защиты определяются стремлением к полной автоматизации, процессов управления, регулирования и защиты.