Принцип действия паровой турбины

Паровые турбины

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока – прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция – место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор – похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название – статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней – пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15-22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки – 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным -нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда – низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема – при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью – в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится – в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы – то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского – первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке году забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу – «автоматизировала» две ступки

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко – технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью – это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.


Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba – путь длиной в век

Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм – именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах – для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Читайте также:  Автоматика для твердотопливного котла

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина – это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели – это «домашняя» история, ветряки – затратная и маломощная, ГЭС – очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали – новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты

Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия – немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета – ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.


Российская ПТМ-30 – самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы – паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.


Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

Паровые турбины

Паровые турбины – принцип работы

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

Паровые турбины специального назначения

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

  • Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.
  • Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.
  • Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.
  • Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Паровая турбина

Что такое тепловой двигатель

В любом тепловом двигателе должны присутствовать следующие части: рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Рис. 1. Схема теплового двигателя

Нагреватель, разогретый до температуры T1, передает теплоту Q1 рабочему телу (пару), которое производит работу А (вращает турбину или приводит в движение поршень ДВС). Часть тепла поглощается холодильником, температура которого Т2

На наземном транспорте паровые турбины практически не применяются, т.к. для создания холодильника пришлось бы вместе с полезными грузами перевозить большой объем воды в качества “балласта”, что привело бы к значительному увеличению размеров автомобилей, их веса, расхода топлива и т.д. Понятно, что на морских и речных судах нет необходимости возить с собой огромный запас воды для охлаждения, поэтому паровые турбины, начиная с XIX века, обеспечивают работу главных двигателей морских транспортных средств.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600 0 С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Читайте также:  Газовая автоматика евросит 630 устройство

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что паровая турбина — это один из типов тепловых двигателей, в которых внутренняя энергия насыщенного пара, нагретого до высокой температуры, переходит сначала в механическую (кинетическую) энергию, а потом может быть преобразована в электрическую энергию. Паровые турбины применяются на большинстве тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях для генерации электроэнергии, а также на морских и речных судах в качестве основных двигателей.

Паровые турбины

ПАРОВАЯ ТУРБИНА – это паровой двигатель, в котором лопатки ротора вращаются под действием струи пара и вырабатывают электрическую энергию. Компания «АГТ» предлагает паровые турбины с разными тепловыми циклами и составом, для применения во всех сферах промышленности: металлургическая, нефтеперерабатывающая, химическая промышленность, коммунальное хозяйство, на электростанциях, работающих на биомассе, на утилизационных станциях.

Содержание

Принцип работы паровых турбин

Паровые турбины имеют следующий принцип работы: в паровом котле образуется пар и далее проходит через лопатки турбины под высоким давлением. В результате происходит вращение установки, которая производит механическую энергию. Эта энергия поступает в генератор и используется для выработки электричества. Мощность системы будет зависеть от того, какой перепад давления пара образуется на входе и выходе оборудования. Компания «АГТ» подберет паровую турбину исходя из принципа работы вашего предприятия и поставленных задач.

Чтобы паровая турбина была эффективной и работала с минимальными потерями, пар должен подаваться с высокой температурой и давлением. Поэтому к котельному оборудованию предъявляются повышенные требования. Преимущества данной технологии производства электроэнергии заключаются в том, что есть возможность использовать любой спектр топлива, в том числе и твердое. Однако стоит учесть, что твердое топливо и нефтяные фракции способны снизить экологические показатели системы.

Кодмощностьскоростьдавление на входетемпература на входедавление на выхлоперасход пара
кВтоб/минМПаСМПаТ/Н
М20132-75030000.5-2.35225-3300.15-0.33.54-13.86
М21250-100030002.0-2.45260-3900.2-0.984.76-33
М30300-70030000.7-1.1270-3300.15-0.35.88-15.26
М321000-250030002.35-4.0390-4500.78-0.9823.36-43.7
М40250-125030000.8-1.0250-3300.15-0.554.6-21.5
М601000-200030002.35-4.0390-4450.297-0.78517.41-31-32
М701000-250030000.6-1.27260-3000.2-0.523.2-48.8
М51А750-15001500-65002.35-3.43390-4350.294-0.989.6-30
Т43000-60003000-60003.434350.294-1.5727.27-118.7
Конденсационная паровая турбина
КодМощностьСкоростьДавление на входеТемпература на входеДавление на выхлоперасход пара
кВтоб/минМПаСМПаТ/Н
М8015005600-300013000.01038.8
Q0215006500-15002.35-0.23900.01038.4
Q0330005600-30002.35-0.23900.010316.1

Преимущества паровых турбин:

Одно из преимуществ паровых турбин, что можно использовать разные виды топлива, для получения пара. Ведь главная задача – это обеспечение его бесперебойной подачи, согласно ТУ. Компания «АГТ» поможет подобрать паровую турбину по вашему техническому заданию. Паровые турбины заслуженно заняли свое место в российской промышленности, их хорошая эффективность определяется следующими преимуществами:

  • широкий выбор теплоносителя;
  • использование различных видов топлива: твердого, газообразного, жидкого;
  • большой диапазон мощностей;
  • высокая мощность;
  • долгий ресурс установки.

Состав паровых турбин

На самом деле основной состав паровых турбин примерно одинаковый на всех моделях. Паровая турбина состоит из корпуса, лопатки ротора и сопла. Пар проводится по трубопроводам к оборудованию из внешнего источника. Проходя через сопла, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Через специально спрофилированные лопатки из сопел вырывается пар и начинает вращать ротор. Вытекая с большой скоростью под углом к плоскости лопаток, пар приводит их в движение.

В некоторых конструкциях паровая турбина имеет сопловой аппарат, состоящий из ряда неподвижных лопаток. Они расположены радиально и искривлены в направлении поступающего потока.

Специалисты проектируют паровые турбины таким образом, чтобы они находились на одном валу с потребляющим энергию устройством. От прочности материалов, из которых изготовлены лопатки и диск, зависит скорость вращения рабочего колеса. Многоступенчатые турбины позволяют более эффективно преобразовывать энергию пара..Специалисты «АГТ» проектируют паровые турбины таким образом, чтобы они находились на одном валу с потребляющим энергию устройством. От прочности материалов, из которых изготовлены лопатки и диск, зависит скорость вращения рабочего колеса. Многоступенчатые турбины позволяют более эффективно преобразовывать энергию пара.

Тепловые циклы паровых турби

  • Экологически чистый цикл Ранкина. Пар поступает в установку от внешнего источника. В этой ситуации между ступенями нет дополнительного прогрева и отмечаются потери тепла;
  • Цикл с промежуточным подогревом. Пройдя первые ступени, пар направляется в теплообменник для дополнительного подогрева. Далее он возвращается в оборудование, где и происходит окончательное расширение. При повышении температуры рабочего тела значительно повышается экономичность;
  • Цикл с промежуточным отбором, утилизацией тепла отработанного пара. При выходе из турбины пар имеет значительное количество тепловой энергии, которая рассеивается в конденсаторе. Некоторую часть энергии можно отобрать на промежуточных ступенях, а часть – при конденсации. Эту энергию можно использовать для технологических процессов.

Необходимо обратить внимание и на конструкцию. Так как именно тут происходит расширение рабочего тела, необходим большой диаметр для пропуска увеличенного объемного расхода. Увеличение диаметра паровой турбины определено максимальными допустимыми напряжениями, которые обусловлены центробежными нагрузками.

Применение паровых турбин

Паровые турбины с небольшой мощностью успешно применяются во всех сферах промышленности. Успешно используются на предприятиях с когенерационным циклом в составе электростанций, для получения не только электрической, но и тепловой энергии, а так же на утилизационных станциях, использующих тепловую энергию технологических процессов. В настоящее время набирает популярность применение паровых турбин на возобновляемых источниках энергии. Компания «АГТ» спроектирует турбину, согласна вашего применения.

Паровые турбины вращаясь с большой скоростью, обеспечивает высокий КПД. На тепловых электростанциях располагают электрогенераторы со скоростью вращения от 1500 до 6500 об/мин. На валу паровой турбины могут быть установлены вентиляторы, насосы, центрифуги, нагнетатели. В качестве понижающего редуктора может быть установлено низкоскоростное оборудование.

Нужна более подробная информация – паровые турбины?

Москва + 7 (499) 704-24-48
Санкт-Петербург + 7 (812) 389-23-48
Ростов на Дону + 7 (863) 303-48-46
Казань + 7 (843) 202-37-55
Красноярск + 7 (3919) 89-80-89
Челябинск + 7 (351) 240-80-89
Краснодар + 7 (8612) 05-69-05
Калининград + 7 (4012) 65-80-99
Самара + 7 (846) 300-23-73
Новосибирск + 7 (383) 207-88-90
Екатеринбург + 7 (343) 226-02-11

Принцип действия активной и реактивной ступеней турбины. Преобразование энергии пара

Турбинной ступенью называется совокупность неподвижного ряда сопловых (направляющих) лопаток, в каналах которых происходит расширение и ускорение потока пара (преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию движущейся струи пара), и следующего за ним подвижного вращающегося ряда рабочих лопаток, в которых кинетическая энергия движущегося потока пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Простейшая одноступенчатая активная турбина (рис. 42.а) состоит из ряда неподвижных сопловых лопаток, образующих сужающиеся каналы – сопла в дозвуковых турбинах, и сужающе-расширяющиеся сопла – в сверхзвуковых турбинах. В каналах соплового аппарата потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом происходит расширение пара и он с большой скоростью поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. Так как каналы рабочих лопаток активной турбины имеют постоянное (по ходу движения пара) проходное сечение, то расширения пара в них не происходит. В каналах рабочих лопаток пар только изменяет направление движения, оказывая силовое воздействие на рабочие лопатки, закрепленные на диске. Усилие, развиваемое паром на рабочих лопатках, через диск передается на вал турбины, приводя его во вращение. Вал турбины вращается в подшипниках, установленных в корпусе. Корпус турбины образует замкнутое пространство, организуя движение пара и препятствуя его рассеянию в окружающую среду. Пройдя ряд сопловых и рабочих лопаток, отработавший пар покидает корпус турбины, и через выхлопной патрубок поступает в главный конденсатор (у конденсационных турбин) или в магистраль отработавшего пара (у противодавленческих турбин). Каналы рабочих и сопловых лопаток составляют проточную часть турбины.

Принцип действия реактивной турбины (рис. 42.б) несколько иной. На пустотелый вал насажены пустотелые спицы, заканчивающиеся в радиальных направлениях соплами. Пар поступает по валу и спицам к соплам, разгоняется в них до больших скоростей, и при истечении через сопла оказывает реактивное воздействие на спицы, приводя во вращение вал.

Описанная конструкция реактивной турбины из-за огромной частоты вращения на практике не применяется. Наибольшее распространение в судовых паротурбинных установках нашли реактивные турбины, использующие рассмотренный выше принцип работы, но схожие по своему устройству с активными турбинами. В таких реактивных турбинах расширение пара осуществляется как в направляющем аппарате, так и на рабочих лопатках.

Активная турбинная ступень

В активной турбине (рис. 43) свежий пар с начальными параметрами: давлением p , температурой t и абсолютной скоростью c , подводится к сопловому аппарату (сечение 0). В каналах соплового аппарата происходит расширение пара, в результате чего скорость потока пара на выходе из сопл (сечение 1) увеличивается до значения c 1 , а давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. В каналах рабочих лопаток происходит изменение направления движения потока пара без его расширения. Абсолютная скорость пара на выходе из каналов рабочих лопаток (сечение 2) уменьшается до величины выходной скорости c2 , а давление пара остается равным значению p1 . В результате обтекания рабочих лопаток и поворота потока пара возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки в сторону выпуклой, передающаяся через диск на вал и создающая крутящий момент на валу турбины. Диск турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

На диаграмме i – s начальным параметрам пара на входе в сопловый аппарат соответствует точка A . Теоретически (без учета потерь) процесс расширения пара в сопловом аппарате от давления p до давления p1 протекает изоэнтропно. Параметрам пара после соплового аппарата при изоэнтропном расширении соответствует точка АНt , а сам процесс расширения выглядит как вертикальная линия A – AНt .

Разность значений энтальпии в начальной и конечной точках при изоэнтропном расширении пара представляет собой располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад в сопловом аппарате –hai . В реальных условиях при движении пара через проточную часть турбины неизбежны потери энергии. Процесс расширения пара в этом случае не является изоэнтропным, а точка, характеризующая действительные параметры пара за соплами – АН , смещается вправо по изобаре p1 на величину потерь энергии в сопловом аппарате – qН.

Читайте также:  Автоматическая печь на пеллетах

В каналах рабочих лопаток активной турбины расширения пара не происходит, поэтому значения давлений пара на входе в каналы рабочих лопаток и на выходе из них одинаковы. На диаграмме i – s действительные параметры пара на выходе из рабочих лопаток обозначены точкой АР , а процесс, протекающий изобарно в каналах рабочих лопаток – линией AH – AP. Точка АР отстоит от точки АН на величину потерь энергии – qР .

Пар, выходящий из каналов рабочих лопаток, обладает конечной скоростью c2 и уносит с собой некоторую часть кинетической энергии. Эта энергия пара не используется в турбине и называется потерей с выходной скоростью – qA . Действительные параметры пара на выходе из турбины характеризуются точкой Aa .

Весь располагаемый теплоперепад ha , срабатываемый в активной турбине, полностью срабатывается в сопловом аппарате: ha = haH.

Реактивная турбинная ступень

В реактивной турбине (рис. 44) свежий пар с начальными параметрами: p , t , и абсолютной скоростью c, подводится к направляющему аппарату (сечение 0). В сужающихся каналах направляющего аппарата происходит расширение пара, в результате чего на выходе из него (сечение 1) скорость потока пара увеличивается до значения c1, а его давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает к рабочим лопаткам турбины. В реактивной турбине рабочие лопатки образуют сужающиеся каналы, в результате чего в них происходит дальнейшее расширение пара. При этом на выходе из лопаток (сечение 2) давление пара снижается до величины p2 , а скорость потока пара – до значения c2. При обтекании потоком пара рабочих лопаток и повороте потока на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Вместе с тем, при расширении и ускорении потока пара, в каналах рабочих лопаток возникает дополнительная реактивная сила, воздействующая на них в том же направлении. Суммарное усилие, действующее на рабочие лопатки, передается валу турбины и создает на нем крутящий момент. Ротор турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

Теоретический процесс расширения пара в реактивной турбине протекает изоэнтропно и изображается на диаграмме i – s в виде вертикальной линии Ао – А2t(рис. 44). Линия Ao – A1t на диаграмме изображает теоретический процесс расширения пара в каналах направляющего аппарата. При расширении пара в направляющем аппарате срабатывается теплоперепад – hai. Фактически процесс расширения пара в направляющем аппарате протекает по линии A – AH, а точка AI характеризует действительные параметры пара на выходе из направляющего аппарата. Точка AÍ отстоит от теоретической A1t на величину потерь – qÍ . Дальнейший процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток начинается из точки AÍ , и при изоэнтропийном расширении выглядит как вертикальная линия AH – Apt . При расширении пара в каналах рабочих лопаток срабатывается теплоперепад had . Фактически процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток протекает по линии Ah – Ap , а точка AР характеризует действительные параметры пара за выходной кромкой рабочих лопаток. Точка AР отстоит от теоретической AРt на величину потерь – qÐ . По аналогии с активной турбиной, в реактивной также имеют место потери с выходной скоростью – q , при этом действительные параметры пара за реактивной турбиной описываются состоянием рабочего тела в точке A .

В отличие от активной, в реактивной турбине весь располагаемый теплоперепад – hà срабатывается частично в направляющем аппарате – hàÍ , частично на рабочих лопатках – hàÐ .

Степенью реактивности турбинной ступени – p называется отношение величины изоэнтропийного теплоперепада на рабочих лопатках к сумме располагаемых изоэнтропийных теплоперепадов на направляющих и рабочих лопатках, которая примерно равна располагаемому теплоперепаду всей турбинной ступени:

Таким образом, чем больше степень расширения пара в каналах рабочих лопаток, тем больше степень реактивности турбинной ступени:

P = 0 – для чисто активных турбин (расширение пара происходит только в сопловом (направляющем) аппарате: haD = 0; ha = haI

P = 0,5 – для чисто реактивных степеней (расширение пара происходит в равной степени в направляющем аппарате и рабочих лопатках: haI = haD).

В настоящее время в турбостроении чисто активные ступени не применяются ввиду сложности подвода пара к рабочим лопаткам (пар должен поступать перпендикулярно плоскости лопаток). В действительности активные турбины всегда имеют некоторую степень реактивности – p = 0,03 ÷ 0,2 , что позволяет снизить величину потерь энергии в турбинной ступени. Поэтому когда речь идет об активных и реактивных турбинах, в большей степени имеют ввиду конструктивные отличия в исполнении проточных частей этих типов паровых турбин.

Литература

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

Принцип действия судовых паровых турбин

Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и постоянной частотой вращения. Рабочим телом в паровой турбине является водяной перегретый пар, поступающий из парогенератора.

Принцип действия паровой турбины (рис. 44) заключается в следующем. Свежий пар, поступающий из парогенератора по трубопроводу, направляется на неподвижные направляющие сопла 1, имея определенный запас потенциальной энергии. Вытекая из сопла, пар расширяется и, так как давление его уменьшается, приобретает большую скорость. С этой скоростью пар поступает на рабочие лопатки 2, расположенные на цилиндрической части колеса или диска 3, закрепленного на валу 4 турбины. Струя пара, вытекающего из сопла, создавая давление на рабочие лопатки, заставляет колесо турбины вместе с валом вращаться и совершать механическую работу.

Таким образом, в паровой турбине происходит двойное превращение энергии: первоначально тепловая энергия пара в направляющем аппарате превращается в кинетическую энергию.

Кинетической называется энергия движения тела; в нашем случае этим телом является пар. Кинетическая энергия пара на лопатках турбины превращается в механическую работу вращения ротора.

В зависимости от способа преобразования энергии пара на рабочих лопатках турбины разделяются на активные и реактивные. В активных турбинах пар расширяется только в направляющих аппаратах (соплах), а на рабочих лопатках используется лишь кинетическая энергия пара. В реактивных турбинах расширение пара происходит как в направляющем аппарате (соплах), так и на рабочих лопатках.

На рис. 45 показана схема активной паровой одноступенчатой турбины, у которой ротор состоит из вала 1 и диска 3 с рабочими лопатками 4. В переднее днище корпуса 2 турбины вставлены одно или несколько сопел 5, к которым подводится пар. Сопла и лопатки, по которым протекает пар, называются проточной частью турбины. Оси сопел расположены под небольшим углом а (рис. 45, б) к направлению вращения лопаток, представляющих собой изогнутые в виде желоба пластины с утолщением к середине (см. нижнюю правую часть рис. 45, б). На рис. 45, а (вверху) показана диаграмма изменения давления р и скорости с пара в различных местах проточной части турбины. Из диаграммы видно, что пар подходит к соплам с начальным давлением р0; при расширении пара в соплах давление его уменьшается до р1 и остается постоянным на лопатках и в корпусе до выхода из турбины. Скорость пара до сопел свх вследствие расширения пара при протекании его по соплам увеличивается до с1. С этой скоростью пар поступает в образованные рабочими лопатками криволинейные каналы. Изменение направления течения пара вызывает возникновение на рабочих лопатках силы, вращающей ротор. Вследствие преобразования части кинетической энергии пара в механическую работу, а также затраты части энергии на преодоление вредных сопротивлений скорость пара с1 по мере протекания его по рабочим лопаткам постепенно уменьшается до с2. С этой скоростью пар и оставляет рабочие лопатки.

Таким образом, основные характерные особенности активной турбины заключаются в следующем:
— увеличение скорости пара происходит только в сопле или в направляющем аппарате благодаря их особой форме;
— при выходе из сопла пар с большой скоростью протекает по криволинейным каналам между рабочими лопатками колеса; скорость его при этом уменьшается, а давление остается неизменным вследствие того, что каналы имеют постоянное сечение и пар в них не расширяется. Следовательно, в активной турбине давление пара при входе на рабочие лопатки и выходе с них одинаково.

Активные турбины легко отличить от реактивных по профилю рабочих лопаток (рис. 46).


Рис. 46. Профиль рабочих и направляющих лопаток активной турбины.


Рис. 47. Профиль рабочих и направляющих лопаток реактивной турбины.

В реактивных турбинах форма каналов между рабочими лопатками (рис. 47) дает возможность пару расширяться не только в направляющих аппаратах (соплах), но и при проходе через эти каналы. Сечение каналов между рабочими лопатками в реактивных турбинах различное: на выходе пара оно меньше, чем на входе. Поэтому скорость пара на выходе из рабочих лопаток получается большей, чем на входе, вследствие чего возникает реактивная сила, действующая на лопатки в сторону, противоположную движению струи пара, выходящей с лопаток.

Таким образом, реактивная турбина характеризуется следующими особенностями:
— расширение пара происходит не только в соплах, но и на рабочих лопатках;
— входные сечения каналов между рабочими лопатками больше, чем на выходе.

Для наиболее выгодного и удобного использования энергии пара при относительно небольшой частоте вращения делают турбины с многодисковыми роторами, у которых каждый отдельный диск ротора работает на определенном давлении или скорости пара. Такие многоступенчатые турбины делятся на турбины со ступенями давления и со ступенями скорости.

Турбины со ступенями скорости бывают только активные, а турбины со ступенями давления — и активные и реактивные. Название «турбина со ступенями скорости» объясняется ступенчатым понижением скорости пара на рабочих лопатках. Число ступеней скорости определяется по числу венцов рабочих лопаток, в которых происходит превращение кинетической энергии в механическую работу. Турбины со ступенями скорости применяют в качестве двигателей для вспомогательных механизмов, а также в качестве регулировочной ступени главной турбины. Назначение регулировочной ступени заключается в том, чтобы количественно регулировать впуск пара в турбину и наиболее полно использовать его тепловую энергию в начале проточной части турбины с целью получения более высокого КПД. Регулирование впуска пара производится при помощи нескольких групп сопел, каждая из которых имеет сопловые клапаны.

В турбинах со ступенями давления пар не имеет возможности расширяться в одном направляющем аппарате от начального до конечного давления; этот перепад давления разделен на несколько частей по числу ступеней давления. При этом преобразование давления пара в скорость происходит последовательно в нескольких направляющих аппаратах, разделенных рабочими колесами. Таким образом, турбина со ступенями давления как бы состоит из нескольких элементарных (простых) турбин, каждая из которых в свою очередь состоит из неподвижных направляющих аппаратов и подвижных рабочих колес.

Ссылка на основную публикацию