Главная » Разное » Самая мощная паровая турбина в мире

Самая мощная паровая турбина в мире


как горячий пар превращается в электричество / Блог компании Toshiba / Хабр

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 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.

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

Классификация паровых турбин - Учебники для электростанций

Паровая турбина - это двигатель, в котором тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения.

В паровой турбине энергия пара преобразуется в кинетическую энергию за счет расширения через сопла, а кинетическая энергия образующейся струи, в свою очередь, преобразуется в силу, выполняющую работу с кольцами лопастей, установленных на вращающейся части.

Классификация паровых турбин

Паровые турбины классифицируются на основании многих факторов, таких как состояние выхлопа, конструкция ступени, расход пара, конструкция вала, типы привода и т. Д.

В нижеследующем списке представлена ​​подробная классификация паровых турбин.

На основе состояния выхлопа:
  • Конденсатор
  • Без конденсации
  • Автоматическая вытяжка
  • Смешанное давление
  • Регенеративная экстракция
  • Разогреть
На основе постановки:
На основе расхода пара:
  • Осевой поток
  • Радиальный поток
  • Смешанный поток
На основе этапов:
В зависимости от конструкции корпуса или вала:
  • Одинарный корпус
  • Тандемный кожух (два и более)
  • Поперечный состав
На основе параллельных ступеней выпуска:
По типу привода:
  • Генератор
  • Механический привод

Принцип действия паровой турбины

Паровая турбина развивает механическую работу за счет преобразования тепловой энергии в работу при расширении пара.Тепловая энергия преобразуется в два этапа. Пар расширяется в сопле и расширяется с высокой скоростью, преобразовывая имеющуюся тепловую энергию в энергию скорости. Пар с высокой скоростью ударяет по движущимся лопастям, преобразуя энергию скорости в работу.

Основные преимущества паровых турбин

  1. Экономичное производство пара с высокой температурой и давлением необходимо для снижения давления и использования его для различных целей. Это будет делать там паровая турбина, развивая мощность для запуска насоса и т. Д.
  2. Насос с приводом от турбины может работать в широком диапазоне скоростей с использованием системы регулятора турбины.
  3. Использование привода паровой турбины позволяет работать насосу с приводом независимо от электроэнергии или системы распределения.
  4. Турбина может использоваться как резервная приводная система.
  5. Система регулятора-регулятора паровой турбины и система отключения при превышении скорости по своей природе искробезопасны.
  6. Паровые турбины по своей природе являются самоограничивающимися в отношении развиваемой мощности.Специальные защитные устройства не требуются для предотвращения повреждения турбины из-за перегрузки.

Одноступенчатая турбина

В котором преобразование кинетической энергии в механическую работу происходит при однократном расширении пара в турбине. Ступень турбины состоит из стационарного набора лопаток, называемых соплами, и смежного с ним подвижного набора, называемого лопатками или лопатками ротора. Эти вращающиеся и неподвижные лопасти действуют вместе, позволяя потоку пара работать с ротором.

Многоступенчатая турбина

В котором преобразование энергии происходит при двух или более расширениях пара внутри турбины.

Импульсная турбина

В импульсной стадии пар расширяется только в неподвижных соплах, и кинетическая энергия передается вращающимся лопастям, когда пар сталкивается с лопатками, проходя через канал между лопатками. Давление пара постоянно, а скорость пара относительно ковша в каналах ковша уменьшается.

Стадия реакции

Пар расширяется как в неподвижных соплах, так и во вращающихся баках. Кинетическая энергия передается вращающимся лопастям за счет расширения пара в проходах между лопатками. Давление пара уменьшается по мере увеличения скорости пара относительно ковша в каналах ковша.

.

Технология паровых турбин | GE Steam Power

Поиск

span {text-overflow: ellipsis; display: inline-block; max-width: 90%; overflow: hidden; position: relative; padding-left: 4px} .addsearch-active-filters .item button {border: none; background : transparent; cursor: pointer; font-size: 14px; padding: 0 .5em} @media screen и (max-width: 480px) {. addsearch-active-filters .item {padding: 4px 6px; font-size: 14px } .addsearch-active-filters.кнопка элемента {font-size: 18px} .addsearch-active-filters .item button [data-clearall = true] {font-size: 16px; padding: 1px 6px; margin-left: 0}}. addsearch-filters-tabs кнопка, .addsearch-filters-tags кнопка {-webkit-appearance: none; -moz-appearance: none; margin: 0; padding: .5em 1.5em; display: inline-block; cursor: pointer; background: #fff} .addsearch-filters-tabs .tabs {display: block; text-align: left; display: -webkit-box; display: flex; -webkit-box-orient: horizontal; -webkit-box-direction: normal; flex- direction: row; flex-wrap: nowrap}.addsearch-filters-tabs .tabs button {border: 1px solid #dedede; border-right: 0; font-size: 16px; float: left} .addsearch-filters-tabs .tabs button.active {background-color: #eee } .addsearch-filters-tabs .tabs button: first-child {border-radius: 5px 0 0 5px} .addsearch-filters-tabs .tabs button: last-child {border-radius: 0 5px 5px 0; border-right : 1px solid #dedede} @media (max-width: 960px) {. Addsearch-filters-tabs .tabs {overflow-x: scroll; white-space: nowrap; padding: 0 0 10px} .addsearch-filters-tabs. кнопка вкладок {padding: 7px 15px; font-size: 14px}}.addsearch-filters-tabs .tabs: after {content: ""; visibility: hidden; display: block; height: 0; clear: both]]>

.

Производство электроэнергии с использованием паровых турбин

В основном пар получают из ископаемых источников топлива, три из которых показаны на диаграмме выше, но можно использовать любой удобный источник тепла.

  • Химическая трансформация

    • В установках, работающих на ископаемом топливе, пар получают путем сжигания топлива, в основном угля, но также нефти и газа в камере сгорания. В последнее время эти виды топлива были дополнены ограниченным количеством возобновляемого биотоплива и сельскохозяйственных отходов.

    Химический процесс горения топлива выделяет тепло за счет химического преобразования (окисления) топлива. Это никогда не может быть идеальным. Будут потери из-за примесей в топливе, неполного сгорания, потерь тепла и давления в камере сгорания и котле. Обычно эти потери составляют около 10% доступной энергии в топливе.

  • Атомная энергетика

    • Пар для приведения в действие турбины также может быть увеличен за счет улавливания тепла, выделяемого в результате управляемого ядерного деления.Более подробно это обсуждается в разделе «Атомная энергетика».

  • Солнечная энергия

    • Точно так же солнечная тепловая энергия может использоваться для повышения пара, хотя это встречается реже.

  • Геотермальная энергия

    • Выбросы пара из природных водоносных горизонтов также используются для питания паротурбинных электростанций.

  • Паровая турбина (тягач)

    Первые практические паровые турбины были изготовлены Густавом де Лавалем в 1882 году и Чарльзом Парсонсом в 1884 году.


    Схема паровой импульсной турбины де Лаваля 1882

    Пар входит с одной стороны ротора турбины через сопла, направляя на поверхность лопаток турбины, и выходит с противоположной стороны ротора. Воздействие пара на изогнутые лопатки турбины вызывает вращение ротора турбины.

    Скорость вращения 30 000 об / мин.

    Первоначальная турбина де Лаваля имела одноступенчатый ротор, который использовался в качестве испытательного стенда для испытания различных количеств и различных конструкций сопел.

    Подробнее о Густаве де Лавале

    Паровая реакционная турбина и электрический генератор на основе смеси Парсонса 1884

    (на переднем плане показана верхняя половина корпуса турбины)

    Турбина Парсонса была предшественницей современных паровых турбин.Он имел несколько ступеней и приводил в действие генератор собственной конструкции, установленный на том же валу и вырабатывающий 7,5 кВт электроэнергии.

    Скорость вращения 18000 об / мин

    Подробнее о Charles Parsons

    Авторские права на изображение - Музей науки / Библиотека изображений науки и общества

    Ротор паровой реактивной турбины Парсонса 1884

    Крошечные лопасти на секциях высокого давления ротора и статора имеют квадрат всего четверть дюйма (6 мм).Они были криволинейными в поперечном сечении с заостренной передней кромкой и утолщенной задней частью.

    Оригинальные образцы этих турбин хранятся в Музее науки в Лондоне и Немецком музее в Мюнхене.

    Авторские права на изображение - Музей науки / Библиотека изображений науки и общества


    • Принцип работы паровой турбины

      • Пар высокого давления подается через набор неподвижных сопел в статоре турбины к ротору турбины (рабочему колесу) и проходит вдоль оси машины через несколько рядов поочередно закрепленных и движущихся лопаток.От впускного отверстия для пара турбины к месту выпуска лопасти и полость турбины постепенно увеличиваются, чтобы обеспечить расширение пара.

      Лопатки статора на каждой ступени действуют как сопла, в которых пар расширяется и выходит с повышенной скоростью, но с более низким давлением. Когда высокоскоростной пар воздействует на движущиеся лопасти, он передает часть своей кинетической энергии движущимся лопастям.

      Существует два основных типа паровых турбин: импульсные и реактивные, конструкция лопаток которых регулирует скорость, направление и давление пара, проходящего через турбину.

      • Форсунки

        • Ключом к достижению высокого КПД как импульсных, так и реактивных турбин является конструкция сопел. Обычно они имеют сходящуюся-расходящуюся форму (песочные часы), которая увеличивает скорость входящего пара при одновременном снижении его давления.Увеличение скорости пара с помощью расширяющегося выходного отверстия сопла может показаться нелогичным, поскольку вода течет быстрее через суженную часть ручья или трубы, а сжатие конца шланга заставляет воду брызгать струей в течение длительного быстрая струя. Это происходит потому, что вода - несжимаемая жидкость. С другой стороны, пар - это газ, и его объем не фиксирован, а зависит от его температуры и давления. Таким образом, газовая динамика сильно отличается от гидродинамики, однако принцип сохранения энергии по-прежнему сохраняется для обеих жидкостей, а закон Бернулли указывает, что кинетическая энергия газа увеличивается по мере падения энергии давления.

        Эта конструкция расширяющегося сопла была открыта де Лавалем и в равной степени применима к соплам ракетных двигателей, рабочим телом которых является горячий выхлопной газ. См. Раздел «Ракетные сопла» для получения дополнительной информации об используемых принципах.

      • Импульсные турбины

        • Паровые форсунки в импульсной турбине направляются неподвижными соплами на лопасти ротора турбины в форме лопатки, где сила, действующая со стороны форсунок, заставляет ротор вращаться, в то же время скорость пара уменьшается, поскольку он передает свою кинетическую энергию. энергия к лезвиям.Лопасти, в свою очередь, изменяют направление потока пара, и это изменение количества движения соответствует увеличению количества движения ротора. (Декарт - Сохранение импульса). Полный перепад давления в ступени турбины происходит в неподвижных соплах статора, и при прохождении пара через лопасти ротора падение давления отсутствует, поскольку поперечное сечение камеры между лопатками постоянно. Поэтому импульсные турбины также известны как турбины постоянного давления.

        Паровые импульсные турбины обычно работают на чрезвычайно высоких оборотах 30 000 об.вечера. или более, и поэтому на них действуют огромные центробежные силы. Для большинства практических приложений скорость должна быть понижена. Помимо этого, конструкция относительно проста, и корпус турбины не обязательно должен быть устойчивым к давлению.

        В составной турбине следующий ряд неподвижных лопастей меняет направление пара на противоположное, прежде чем он перейдет ко второму ряду лопастей ротора.

      • Реакционные турбины

        • Как неподвижные, так и роторные лопатки реактивной турбины имеют форму, больше напоминающую аэродинамические крылья, расположенные так, что поперечное сечение лопаток уменьшается от впускной стороны к выпускной стороне лопастей.Это означает, что поперечное сечение паровых каналов между обоими наборами неподвижных лопаток и лопаток ротора увеличивается по всей ступени турбины. Таким образом, оба набора лопастей по существу образуют сопла, так что по мере прохождения пара через статор и ротор его давление уменьшается, вызывая увеличение его скорости. Ротор в основном представляет собой набор вращающихся сопел.

        Когда пар выходит в струе между каждой парой лопастей ротора, он создает реактивную силу на лопастях, которая, в свою очередь, создает вращающий момент на роторе турбины, как в паровом двигателе Героя.(Третий закон Ньютона - на каждое действие есть равное и противоположное противодействие)

        Реакционные турбины, как правило, намного эффективнее импульсных турбин и работают на более низких скоростях, что означает, что они не обязательно нуждаются в понижающей передаче. Однако они более сложные, и пар под высоким давлением делает их более уязвимыми к утечкам между ступенями.

      • Составная паровая турбина с

        • В составной турбине используется ряд ступеней турбины, в которых пар, выходящий из каждой ступени, подается в следующую ступень.Посредством соответствующей формы лопастей ротора и статора для образования сопел давление или скорость пара можно постепенно снижать по серии стадий, а не за одну стадию. Это позволяет использовать очень высокие давления и скорости пара, обеспечивая очень высокую выходную мощность турбины

        Компаундирование под давлением

        Для решения проблемы очень высокой скорости лопастей в одноступенчатых импульсных турбинах используется серия реактивных ступеней турбины.Давление пара падает на каждой ступени, поскольку он теряет свою энергию давления, в то время как скорость пара остается довольно постоянной, меняя направление при прохождении через каждую ступень. Поскольку давление пара падает с каждой ступенью турбины, объем пара соответственно увеличивается с каждой ступенью, так что в турбинах большой мощности лопатки и корпус турбины должны, в свою очередь, быть соответственно больше для каждой последующей ступени более низкого давления, чтобы приспособиться к этому более высокому давлению. объемный расход.

        Импульсные турбины также составлены аналогичным образом, однако в большинстве турбин используется комбинация импульсных и реактивных ступеней.

        Скоростной компаундирование
        Компаундирование скорости использует серию импульсных ступеней турбины. Входные сопла направляют высокоскоростной пар на первый набор движущихся лопастей, и, когда пар течет по лопасти, он передает часть своего импульса лопаткам, теряя некоторую скорость, передавая свою кинетическую энергию движущимся лопастям. При прохождении пара через неподвижные лопасти скорость пара не меняется.Таким образом, скорость пара уменьшается, когда он проходит через комплекты движущихся лопаток турбины, в то время как давление пара остается относительно постоянным в турбине.

  • Конденсатор

    • Отработанный пар из турбины низкого давления конденсируется в воду в конденсаторе, который отбирает скрытую теплоту парообразования из пара.Это приводит к уменьшению объема пара до нуля, что резко снижает давление до почти вакуума, тем самым увеличивая перепад давления в турбине, позволяя извлечь из пара максимальное количество энергии. Затем конденсат перекачивается обратно в котел в качестве питательной воды для повторного использования.

    Само собой разумеется, что конденсаторные системы нуждаются в постоянной и достаточной подаче охлаждающей воды, которая подается в отдельном контуре от градирни, которая охлаждает охлаждающую воду конденсатора за счет прямого контакта с воздухом и испарения части охлаждающей воды. в открытой башне.

    Водяной пар, выходящий из электростанций, испаряет охлаждающую воду, а не рабочую жидкость.

    Турбины с противодавлением, , часто используемые для выработки электроэнергии в перерабатывающих отраслях, не используют конденсаторы. Также называемые Атмосферные турбины или без конденсации, они не тратят впустую энергию пара, выходящего из выхлопа турбины, однако вместо этого она направляется для использования в приложениях, требующих большого количества тепла, таких как нефтеперерабатывающие заводы, целлюлозно-бумажные заводы. , опреснительные установки и установки централизованного теплоснабжения.Эти отрасли могут также использовать имеющийся пар для привода механических приводов насосов, вентиляторов и погрузочно-разгрузочных работ. Разумеется, котел и турбина должны быть рассчитаны на большую электрическую нагрузку, чтобы компенсировать мощность, отводимую для других целей.

  • Практические машины

    • Паровые турбины бывают разных конфигураций. Большие машины обычно построены с несколькими ступенями, чтобы максимизировать передачу энергии от пара.

    Для уменьшения осевых сил на подшипники ротора турбины пар может подаваться в турбину в средней точке вала, так что он течет в противоположных направлениях к каждому концу вала, таким образом уравновешивая осевую нагрузку.

    Выходной пар проходит через градирню, через которую пропускается охлаждающая вода для конденсации пара обратно в воду.

    Источник: Правительство Австралии

    .

    Выходная мощность турбины 1000 МВт или более типична для электростанций.

  • Паровая турбина как тепловой двигатель

    • Системы паровых турбин, по сути, являются тепловыми двигателями для преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем попеременного испарения и конденсации рабочего тела в процессе в замкнутой системе, известном как цикл Ренкина.Это обратимый термодинамический цикл, в котором тепло прикладывается к рабочему телу в испарителе, сначала для его испарения, а затем для повышения его температуры и давления. Затем высокотемпературный пар подается через тепловой двигатель, в данном случае турбину, где он передает свою энергию лопастям ротора, заставляя ротор вращаться из-за расширения пара при падении его давления и температуры. Пар, покидающий турбину, затем конденсируется и перекачивается обратно в жидкой форме в качестве сырья в испаритель.
    В этом случае рабочая жидкость - вода, а пар - пар, но принцип применим к другим рабочим жидкостям, таким как аммиак, который может использоваться в низкотемпературных приложениях, таких как геотермальные системы. Таким образом, рабочая жидкость в цикле Ренкина следует замкнутому контуру и постоянно используется повторно.
    Эффективность теплового двигателя определяется только разницей температур рабочего тела между входом и выходом двигателя (закон Карно).

    Карно показал, что максимальный доступный КПД = 1 - T c / T h , где T h - температура в градусах Кельвина рабочего тела в его самом горячем состоянии (после воздействия тепла) и T c - его температура в самом холодном состоянии (после удаления тепла).

    Для максимального повышения эффективности температура пара, подаваемого в турбину, может достигать 900 ° C, в то время как конденсатор используется на выходе из турбины для снижения температуры и давления пара до как можно более низкого значения. превратив его обратно в воду.Конденсатор является важным компонентом, необходимым для максимального повышения эффективности паровой машины за счет максимального увеличения разницы температур рабочей жидкости в машине.


    Используя закон Карно, для типичной паротурбинной системы с температурой пара на входе 543 ° C (816K) и температурой конденсированной воды 23 ° C (296K) максимальный теоретический КПД можно рассчитать следующим образом:

    КПД Карно = (816 - 296) / 816 = 64%

    Но это не учитывает потери тепла, трения и давления в системе.Более реалистичное значение КПД паровой турбины было бы около 50%

    Таким образом, тепловая машина несет ответственность за большую часть потерь при преобразовании энергии в системе.

    Примечание: Сюда входит только преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию на валу турбины. Он не включает потерю эффективности в камере сгорания и котле при преобразовании химической энергии топлива в тепловую энергию пара, а также не включает потери эффективности, возникающие в генераторе, если турбина используется для выработки электроэнергии.Принимая во внимание эти потери, общая эффективность преобразования химической энергии топлива угольных и мазутных электростанций в электрическую энергию обычно составляет около 33%.

    См. Также Гидравлические турбины, газовые турбины и тепловые двигатели

  • Электромеханическая передача энергии (генератор)
    Паровая турбина приводит в действие генератор для преобразования механической энергии в электрическую.Обычно это синхронная машина с вращающимся полем. Эти машины описаны более подробно в разделе «Генераторы».
    Эффективность преобразования энергии этих генераторов высокой мощности может достигать 98% или 99% для очень большой машины.

    • Примечание: Это означает, что генератор мощностью 1000 МВт должен рассеивать 20 МВт отработанного тепла, и для таких генераторов требуются специальные методы охлаждения.

    .

    Турбина | Британника

    Турбина , любое из различных устройств, преобразующих энергию потока жидкости в механическую энергию. Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему стационарных каналов или лопаток, которые чередуются с каналами, состоящими из лопастей, похожих на ребра, прикрепленных к ротору. Путем организации потока так, чтобы на лопасти ротора действовала касательная сила или крутящий момент, ротор вращается, и работа извлекается.

    Ветряные турбины возле Техачапи, Калифорния.

    © Greg Randles / Shutterstock.com

    Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер. Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслужить отдельное описание.

    Гидравлическая турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы в высоте между верхним водным резервуаром и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий трубопровод), для преобразования этого так называемого напора в работу.Водяные турбины - современные преемники простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.

    Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрогенераторами. Турбины приводятся в действие паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в атомном генераторе. Энергию, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии в турбине.Энтальпия отражает как тепловую, так и механическую энергию в процессе потока и определяется суммой внутренней тепловой энергии и произведением давления на объем. Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с увеличением температуры и давления парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.

    Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

    Для газовых турбин энергия, извлеченная из текучей среды, также может быть выражена в единицах изменения энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры в турбине.В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания. Большинство газотурбинных двигателей включает, по крайней мере, компрессор, камеру сгорания и турбину. Обычно они монтируются как единое целое и работают как законченный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать устройство в целом, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбиной.По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье двигатель внутреннего сгорания.

    Энергия ветра может быть извлечена ветровой турбиной для производства электроэнергии или для откачки воды из колодцев. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важным источником энергии с позднего средневековья до 19 века.

    Фред Лэндис

    Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реакционные турбины, обычно используемые для напора ниже примерно 450 метров и умеренного или высокого расхода.Эти два класса включают в себя основные типы, обычно используемые, а именно импульсные турбины Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсиса, пропеллера, Каплана и Дериаза. Турбины могут иметь горизонтальный или, чаще, вертикальный вал. Для каждого типа возможны широкие вариации конструкции для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

    Турбины импульсные

    В импульсной турбине потенциальная энергия или напор воды сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы.Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ковши, закрепленные на периферии бегунка, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.

    Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная водная струя попадает в лопатки турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется, оставляя желоб с обеих сторон. Колеса Пелтона подходят для высоких напоров, обычно выше 450 метров при относительно низком расходе воды.Для максимальной эффективности скорость конца рабочего колеса должна составлять примерно половину скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.

    Мощность одного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Для горизонтальных валов характерны двухструйные устройства. Иногда на одном валу устанавливаются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.

    Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждое сопло регулируется расположенным в центре наконечником или иглой аккуратной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.

    Правильная конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из сопла, остается практически неизменной независимо от отверстия, обеспечивая почти постоянный КПД в большей части рабочего диапазона.Нецелесообразно внезапно уменьшать поток воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидроудару) в подающем трубопроводе или водопроводе. Таких скачков можно избежать, добавив временное сопло для разлива, которое открывается при закрытии основного сопла, или, что чаще, частично вставляя отражающую пластину между струей и колесом, отклоняя и рассеивая часть энергии при медленном закрытии иглы.

    Другой тип импульсной турбины - турбина турго.Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает двигаться по единственному пути, выбрасывая его с другой стороны. Этот тип турбины использовался в установках среднего размера с умеренно высоким напором.

    Реакционные турбины

    В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочего колеса реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и расходов, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный впускной кожух, который включает регулирующие заслонки для регулирования расхода воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Впоследствии энергия воды отбирается в роторе.

    Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: турбины Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерные.В турбинах Каплана с неподвижными лопастями и турбинами с регулируемыми лопастями (названными в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана), по существу, существует осевой поток через машину. Турбины типа Фрэнсиса и Дериаза (в честь американского изобретателя британского происхождения Джеймса Б. Фрэнсиса и швейцарского инженера Поля Дериаза, соответственно) используют «смешанный поток», когда вода поступает радиально внутрь и выпускается в осевом направлении. Рабочие лопасти на турбинах Фрэнсиса и пропеллера состоят из неподвижных лопастей, в то время как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к ​​главному валу.

    .

    Смотрите также