ПАРОВАЯ ТУРБИНА • Большая российская энциклопедия

Паровая турбина: строение, принцип работы

В состав теплового двигателя входят:

  • статор с клапанами;
  • стальной цилиндр;
  • рабочие колёса;
  • лопатки аэродинамической конфигурации;
  • сопла или направляющие лопатки.

Принцип действия паровой турбины заключается в преобразовании потенциальной энергии горячего пара в кинетическую. Последняя трансформируется в механическую энергию, заставляя вал агрегата вращаться.

Из парогенератора или котла горячий водяной пар по

Из парогенератора или котла горячий водяной пар поступает на направляющие лопатки турбины. Газ вырывается из пустот между направляющими лопатками и направляется к рабочему колесу. Из-за возникновения разности давления между поверхностями лопастей создаётся подъёмная сила, которая заставляет их вращаться вместе с валом. Размеры лопаток постепенно увеличиваются, что объясняется падением давления и кинетической энергии пара.

Используемые на электростанциях паровые турбины состоят из ряда степеней высокого, среднего и низкого давления объединённых общим валом. Конец вала присоединяется к генератору.

Между ступенями агрегата обычно устанавливаются паровые котлы, нагревающие его. Процесс называют вторичным нагревом пара. Между секциями также могут устанавливаться неподвижные лопатки, уменьшающие площадь потока пара, а значит, его скорость возрастает вместе с кинетической энергией в соответствии со вторым законом термодинамики.

​Из-за расширения горячего газа в систему он подаё

​Из-за расширения горячего газа в систему он подаётся по узкому паропроводу, а выводится – по трубе большого диаметра. Чтобы скорость потока не превысила критического значения, и ему было куда расширяться, увеличивают проточную площадь. В строение турбины при проектировании закладывается увеличение размера лопаток с каждой секцией.

К особенностям работы таких агрегатов относят:

  • проблематичность управления скоростью вращения в широких пределах;
  • вращение в одном направлении;
  • отсутствие вибраций и толчков, присущих двигателям с поршнем;
  • возможность построения огромных агрегатов мощностью миллионы киловатт.

Видео

Как работает активная турбина

Устройство и принцип действия паровой турбины активного типа заключается в следующем.

Свежий пар с определенными значениями давления и скорости передается в сопло, где происходит его расширение также до определенного показателя давления. Естественно, что вместе с этим параметром, будет увеличиваться и скорость струи. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей — лопаток. Воздействуя на эти элементы, струя рабочего вещества заставляет вращаться диск, а также вал, на котором он закреплен.

Далее, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже другим значением скорости, которое обязательно будет ниже, чем перед этими элементами. Это происходит из-за того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Здесь также важно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Однако важно то, что на входе и на выходе из этих элементов данный параметр имеет одинаковое значение. Это обусловлено тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей своей длине, а также внутри этих деталей не происходит добавочного расширения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, имеется специальный патрубок.

История


Турбоход Turbinia на испытаниях. 1897 год.

При современных мощностях XX века паровая машина как главный судовой двигатель уже не могла обеспечить нужную мощность и экономичность, установки получались громоздкими и малоэффективными. Настало время этому двигателю передать эстафету турбине и двигателям внутреннего сгорания.


Turbinia в Музее Открытий. 1897 год.

Турбина в качестве главного двигателя первый раз была использована на судне Turbinia. Корабль имел водоизмещение 45 тонн и был спущен на воду в Англии конструктором Чарлзом Парсонсом. Многоступенчатая паротурбинная установка включала в себя паровые котлы и три турбины, соединенных напрямую с гребным валом. Каждый гребной вал имел три винта. Общая мощность турбин составляла 2000 л.с. при 200 оборотов в минуту. В ходе проведения ходовых испытаний в 1896 году турбоход развил скорость 34,5 узла. В настоящее время судно находится в Музее Открытий в Ньюкасле, а её турбина — в Лондонском Музее науки.


Яхта-миноносец «Ласточка».

В России первым турбинным судном была яхта-миноносец «Ласточка» (1904 г.). Это бывшее английское опытное судно Carolina, построенное в 1904—1905 гг., было куплено Морведом для обучения персонала и производства опытов с турбоагрегатами. Корабль имел две силовые установки по 1000 л.с. каждая и при водоизмещении 140 тонн развивал максимальную скорость хода 18,5 узлов.


Линкор Bismarck.

Во время Второй мировой войны паровая турбина использовалась как главная энергетическая установка. На гордости Германии — линкоре Bismarck были установлены 3 турбозубчатых агрегата мощностью 46000 л.с. каждая. Корабль со стандартным водоизмещением 41700 т. развивал скорость около 30 узлов.


Линкор Tirpitz.

На втором корабле этой серии (Tizpitz), который британцы прозвали «Гитлеровская зверюга», стояли три турбины Brown Boveri & Cie. Скорость хода была 30,8 узлов при водоизмещении 45474 тонны.


Японский линкор Yamato.

На крупнейшем линкоре в истории флота — японском «Ямато» были установлены 4 ТЗА Kampon. При водоизмещении 63200 тонн корабль развивал скорость 27,5 узлов.


Линкор «Севастополь».

На «Севастополе», линкоре русского и советского флота, стояло десять турбин Парсонса общей мощностью 32000 л.с, что обеспечивало кораблю скорость хода около 22 узлов.


«Адмирал флота Советского Союза Кузнецов».

В настоящее время паровые турбины отошли на второй план. Но их эксплуатация на некоторых судах продолжается. Например, на тяжелом авианесущем крейсере «Адмирал флота Советского Союза Кузнецов» стоят 4 паровые турбины по 50 тыс. л.с. каждая. Максимально допустимая скорость составляла 29 .

Устройство и принцип действия

непосредственно сам котел, электрический генераторПо своим конструктивным особенностям, котельные установки обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые принято считать определяющими — непосредственно сам котел, электрический генератор и турбина. Последние два составляющих образуют кинетическую связь между собой, а одной из разновидностей подобных систем является турбинный электрогенератор парового типа.

Если смотреть более глобально, то подобные установки представляют собой полноценные тепловые электростанции, пусть и меньших габаритов. Благодаря своей работе, они способны обеспечивать электричеством не только гражданские объекты, но и крупные промышленные отрасли.

Сам же принцип действия паровых электрических генераторов сводится к следующий основным моментам:

  • Специальное оборудование производит нагрев воды до оптимальных значений, при которых она испаряется, образуя пар.
  • Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
  • В результате мы получаем сначала кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. Затем кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрический генератор, входящий в конструкцию таких паровых установок, является определяющим. Это объясняется тем, что именно электрогенераторы осуществляют переход механической энергии в электрическую.

Это описание одной установки парового типа. Если требуется выделение большего количества энергии, то используется совокупность нескольких установок, объединенных вместе.

Подобное решение должно приниматься строго индивидуально, в зависимости от типов объекта, а также параметров требуемой мощности энергии. Только при таком грамотном подходе можно избежать убыточности в данном вопросе.

Классификация паровых турбин

По прин­ци­пу дей­ст­вия вы­де­ля­ют ак­тив­ные тур­би­ны и ре­ак­тив­ные тур­би­ны. По ко­ли­че­ст­ву сту­пе­ней П. т. под­раз­де­ля­ют на од­но­сту­пен­ча­тые и мно­го­сту­пен­ча­тые тур­би­ны. В од­но­сту­пен­ча­той П. т. не уда­ёт­ся дос­та­точ­но пол­но ис­поль­зо­вать энер­гию па­ра, по­это­му совр. П. т. стро­ят мно­го­сту­пен­ча­ты­ми. По на­прав­ле­нию по­то­ка ра­бо­че­го те­ла вы­де­ля­ют осе­вые (ак­си­аль­ные) П. т. (на­прав­ле­ние по­то­ка сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем оси ро­то­ра, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип П. т., ис­поль­зуе­мых для при­во­да элек­тро­ге­не­ра­то­ров) и ра­ди­аль­ные П. т. (по­ток осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ра­ди­аль­ном на­прав­ле­нии ли­бо от оси ро­то­ра к пе­ри­фе­рии дис­ков, ли­бо на­обо­рот – от пе­ри­фе­рии к оси). В за­ви­си­мо­сти от дав­ле­ния па­ра П. т. бы­ва­ют: низ­ко­го (не вы­ше 0,9 МПа), сред­не­го (не вы­ше 4 МПа), вы­со­ко­го (9–14 МПа) и сверх­кри­тич. дав­ле­ния (24 МПа и бо­лее).

В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра те­п­ло­во­го про­цес­са П. т. под­раз­де­ля­ют на 3 груп­пы: кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны, те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные и спец. на­зна­че­ния.

Те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т. слу­жат для од­но­врем. по­лу­че­ния элек­трич. и те­п­ло­вой энер­гии. Осн. ко­неч­ный про­дукт та­ких П. т. – те­п­ло­та. ТЭС, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны те­п­ло­фи­ка­ци­он­ные П. т., на­зы­ва­ют­ся те­п­ло­элек­тро­цен­тра­ля­ми. К те­п­ло­фи­ка­ци­он­ным П. т. от­но­сят­ся тур­би­ны с про­ти­во­дав­ле­ни­ем, с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром па­ра, а так­же с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем. У тур­бин с про­ти­во­дав­ле­ни­ем от­сут­ст­ву­ет кон­ден­са­тор. От­ра­бо­тав­ший пар, имею­щий дав­ле­ние вы­ше ат­мо­сфер­но­го, по­сту­па­ет в спец. сбор­ный кол­лек­тор, от­ку­да на­прав­ля­ет­ся к те­п­ло­вым по­тре­би­те­лям для тех­но­ло­гич. це­лей (вар­ка, суш­ка, ото­пле­ние и др.). В тур­би­нах с ре­гу­ли­руе­мым от­бо­ром часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а ос­таль­ной пар идёт в кон­ден­са­тор. Дав­ле­ние от­би­рае­мо­го па­ра на всех ре­жи­мах ра­бо­ты тур­бо­аг­ре­га­та ав­то­ма­ти­че­ски под­дер­жи­ва­ет­ся по­сто­ян­ным или же ре­гу­ли­ру­ет­ся в за­дан­ных пре­де­лах, с тем что­бы по­тре­би­тель по­лу­чал пар оп­ре­де­лён­но­го ка­че­ст­ва. Су­ще­ст­ву­ет два ви­да те­п­ло­вых по­тре­би­те­лей: про­мыш­лен­ные, где тре­бу­ет­ся пар с дав­ле­ни­ем до 1,3–1,5 МПа (про­из­водств. от­бор), и ото­пи­тель­ные, с дав­ле­ни­ем 0,05–0,25 МПа (те­п­ло­фи­ка­ци­он­ный от­бор). Ес­ли тре­бу­ет­ся пар как про­из­вод­ст­вен­но­го, так и ото­пит. на­зна­че­ния, то в од­ной тур­би­не мо­гут быть осу­ще­ст­в­ле­ны два ре­гу­ли­руе­мых от­бо­ра; ме­сто от­бо­ра (сту­пень тур­би­ны) вы­би­ра­ют в за­ви­си­мо­сти от нуж­ных па­ра­мет­ров па­ра. У тур­бин с от­бо­ром и про­ти­во­дав­ле­ни­ем часть па­ра от­во­дит­ся из пер­вой или вто­рой про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней, а весь от­ра­бо­тав­ший пар на­прав­ля­ет­ся из вы­пу­ск­но­го пат­руб­ка в ото­пит. сис­те­му или к се­те­вым по­до­гре­ва­те­лям.

П. т. спе­ци­аль­но­го на­зна­че­ния обыч­но ра­бо­та­ют на от­брос­ном те­п­ле ме­тал­лур­гич., ма­ши­но­стро­ит. и хи­мич. пред­при­ятий. К ним от­но­сят­ся П. т. «мя­то­го па­ра», с про­ме­жу­точ­ным под­во­дом па­ра (тур­би­ны двух дав­ле­ний) и пред­вклю­чён­ные. П. т. «мя­то­го па­ра» ис­поль­зу­ют от­ра­бо­тав­ший пар низ­ко­го дав­ле­ния по­сле тех­но­ло­гич. про­цес­сов (пар порш­не­вых ма­шин, па­ро­вых мо­ло­тов и прес­сов), ко­то­рый по к.-л. при­чи­нам не мо­жет быть ис­поль­зо­ван для ото­пит. или тех­но­ло­гич. нужд. Дав­ле­ние та­ко­го па­ра обыч­но несколько вы­ше ат­мо­сфер­но­го, и он на­прав­ля­ет­ся в спец. кон­ден­сац. тур­би­ну (тур­би­ну «мя­то­го па­ра»). П. т. двух дав­ле­ний ра­бо­та­ют как на све­жем, так и на от­ра­бо­тав­шем па­ре па­ро­вых ме­ха­низ­мов, под­во­ди­мом в од­ну из про­ме­жу­точ­ных сту­пе­ней. Пред­вклю­чён­ные П. т. пред­став­ля­ют со­бой тур­би­ны с вы­со­ким на­чаль­ным дав­ле­ни­ем и вы­со­ким про­ти­во­дав­ле­ни­ем; весь от­ра­бо­тав­ший пар этих П. т. на­прав­ля­ют да­лее в обыч­ные кон­ден­са­ци­он­ные тур­би­ны.

Пароводяная циркуляционная система судовой паротурбинной установки

Схема пароводяной циркуляционной системы судовой паротурбинной установки.

На схеме Пароводяной циркуляционной системы судовой паротурбинной установки топливо поступает в парогенератор, где вступает в реакцию окисления с кислородом воздуха. Горячие продукты сгорания конвекцией и излучением нагревает питательную воду в трубках, превращая ее в пар. Получившийся пар высокого давления поступает в турбину, где приводит в движение ротор турбины, а через редуктор приводится в движение и гребной вал. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе. Охлаждающей средой в конденсаторе служит морская вода, которая подается циркуляционными насосами. Охлажденный до нужной температуры конденсат с помощью конденсатного насоса закачивается в подогреватель низкого давления. Греющей средой в нем служит часть пара, отобранного из турбины. Подогретый до нужной температуры конденсат закачивается питательным насосом обратно в парогенератор, замыкая цикл.

Конструкция сопла

Через сопло проходит пар. В первых конструкциях, когда еще не были полностью изучены свойства расширения пара, сконструировать рационально работающую конструкцию с высоким КПД было невозможно.

Основная причина — сопло, которое применялось изначально, по всей длине было одинаковое по диаметру. Это повлекло то, что носитель, переходя в парообразное состояние, проходил через трубу и попадал в пространство с низким давлением. Его не хватало для нормальной работы турбины.

При этом во время выхода из этого сопла пар клубился из-за атмосферных расширений. Эти недостатки получилось исправить, когда изменили устройство трубы. Теперь пар в начале своего прохождения попадал в зауженную часть сопла, а на окончании оно постепенно увеличивалось в диаметре. Это позволило избавиться от клубов пара, поскольку они значительно понижали скорость.

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок насыщенного пара, которые имеются лишь на тех объектах, где используется водяной теплоноситель. Здесь стоит отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, характеризуются низкими показателями. Это вынуждает пропускать большее количество рабочего вещества, чтобы добиться нужного результата. Кроме того, из-за этого образуется повышенная влажность, которая быстро нарастает по ступеням турбины. Это привело к тому, что на таких объектах приходится использовать внутритурбинные и внешние влагоулавливающие устройства.

Из-за высокой влажности используемого пара снижается коэффициент полезного действия, а также довольно быстро развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать данной проблемы, приходится использовать различные методы укрепления поверхности. К таким способам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на других объектах удается использовать простейшее устройство паровых турбин, то на АЭС нужно не только думать о защите от коррозии, но и об отводе влаги.

Наиболее эффективным способом отвода лишней влаги из турбины стал отбор пара. Отбор вещества осуществляется на регенеративные подогреватели. Тут важно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступени расширения, то необходимость в разработке дополнительных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также можно добавить, что допустимые пределы влажности пара основываются на диаметре лопатки, а также на скорости вращения.

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 (остр

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.

Разновидности турбин

Современные паровые двигатели в основном применяются на тепловых электрических станциях (ТЭС) для выработки электроэнергии. Под действием пара турбина вращает мощный генератор, который вырабатывает электричество. Мощность одной установки может быть равна 1 ГВт. Существует три группы механизмов: конденсационные, теплофикационные, специального назначения.

Конденсационные установки

Эти механизмы отличаются превращением максимального значения тепловой энергии в кинетическую. Их конструкция содержит конденсатор, в который поступает отработанный пар. Устройства могут быть стационарными и передвижными.

В стационарных паровых двигателях турбина и электрогенератор расположены на одном валу. Такие устройства называются турбогенераторами, а устанавливаются они в конденсационных электрических станциях (КЭС). В них тепловая энергия расходуется:

  • на выработку электроэнергии;
  • для отопления ближайших населенных пунктов;
  • на собственные нужды КЭС.

Обычно на таких станциях устанавливаются мощные турбогенераторы, которые отличаются экономичностью и более дешевой электроэнергией.

В зависимости от цели использования паровые турбины делятся на базовые и пиковые. Первые несут постоянную нагрузку, а пиковые предназначены для временной выработки требуемой мощности.

Теплофикационные устройства

Основное назначение этих механизмов — выработка тепловой энергии. Получение электрической энергии здесь играет второстепенную роль. Станции, на которых устанавливается такой вид паровых устройств, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). В таких турбинах установлены механизмы:

  • противодавления;
  • контролируемого отбора пара;
  • комплексного действия.

В устройствах с противодавлением весь отработанный пар поступает для обогрева. В этом случае выработка электроэнергии зависит от потребности производства. Поэтому такой механизм обычно работает параллельно с конденсационной турбиной и электросетью, которые покрывают дефицит электроэнергии.

В устройствах с контролируемым отбором некоторое количество пара забирается от промежуточных ступеней, а оставшаяся часть поступает в конденсатор. В комплексных устройствах необходимый объем пара отбирается из ступеней турбины, а остальное количество идет в отопительную систему.

Механизмы специального назначения

Такие устройства чаще всего используются на металлургическом, машиностроительном и химическом производствах. К специальным относятся механизмы дросселированного пара, двух давлений и предварительно включенные.

Дросселированные турбины функционируют на отработанном паре поршневых устройств, паровых молотов и прессов. Устройства двух давлений используют свежий и отработанный пар, который подводится к одной из ступеней.

К предварительно включенным механизмам относятся турбины с высоким стартовым давлением. Такие устройства необходимы при переоборудовании электростанций для работы с паровыми котлами высокого давления.

К специальным механизмам относятся и приводные агрегаты для мощных устройств. Сюда входят насосы энергетических блоков электростанций, двигатели газокомпрессорных установок и другие механизмы. Обычно такие турбины изготовляются по специальным заказам.

Теги

Adblock
detector