Паровая турбина принцип работы

Паровая турбина: устройство, рабочий принцип, важные элементы

Конструкция этого аппарата описывается еще в учебниках 8 класса по физике. Про устройство паровой турбины говорится в книгах так. Этот вид турбины — это вид мотора, в котором пар либо же воздух который нагрелся способен вращать двигательный вал без взаимные действия с поршнем, шатуном или коленчатым валом.

Короткое описание устройства

Коротко устройство паровой турбины можно описать так. На важный элемент, другими словами вал, крепится диск, к которому фиксируются лопатки. Около данных компонентов также размещаются такие части, как трубы-сопла. Через них и происходит подача пара из котла. При прохождении пара сквозь сопло он оказывает определенное давление на лопатки, и также диск всей установки. Собственно это действие приводит во вращение диск турбины одновременно с лопатками.

Сейчас в подобных агрегатах очень часто применяется несколько дисков, которые насаживаются на один вал. При подобном устройстве паровой турбины происходит следующее. Энергия пара, проходя через каждую лопатку каждого диска, будет отдавать часть собственной энергии таким элементам. Основное использование паровые турбины нашли на атомных, и также тепловых электростанциях, где они соединяются с валом электротока. Частота вращения вала паровой турбины может достигать 3000 оборотов за минуту. Данного значения хватает для подходящей работы генераторов электротока.

паровой

Если говорить о применении данных агрегатов, то необходимо упомянуть, что они удачно используются на кораблях и суднах. Но из-за устройства паровой турбины, например, из-за причины того, что нужно приличное количество воды для работы турбины, ее работа на сухопутных и воздушных средствах передвижения не представляется возможной.

Устройство сопла турбины. На что оно оказывает влияние

Одним из очень важных компонентов для работы устройства стало сопло, сквозь которое и выполняется прохождение пара.

В наиболее раннем устройстве паровой турбины, когда еще до конца не были изучены подобные вещи, как увеличение пара, выстроить правильно функционирующий аппарат с большим коэффициентом полезного действия было проблематично. Причина заключалась в том, что сопло, которое применялось сначала, имело аналогичный диаметр по всей собственной длине. А это влекло за собой то, что пар, проходя через трубу и попадая в пространство с небольшим давлением, чем изнутри, терял давление и увеличивал собственную скорость, но исключительно до конкретного значения. Если говорить о насыщении сухого пара, то его давление на выходе из трубки не может быть меньше, чем 0,58 от начального давления. Этот показатель называют критическим давлением. Опираясь на этом значении, можно получить и предельную скорость движения пара, которую называют также критичной скоростью, а ее значение для перегретого пара равно 0,546 от начального давления.

паровой

Этих параметров оказалось мало для хорошего функционирования турбины. К тому же при выходе из сопла этой формы пар начинал клубиться из-за увеличения в атмосфере. Все данные недостатки получилось убрать, когда устройство паровой турбины, ее сопла, было изменено. В начале отбора труба была не широкой, поэтапно расширяясь к концу. Главная характерная черта, которая стала основным фактором, — это то, что с подобной формой стало возможным привести давление у конца сопла к давлению внешней среды после трубы. Это решило проблематику с клубами пара, которые сильно снижали скорость, и также получилось достигнуть сверхкритических значений для данного параметра, и также давления.

Устройство паровой турбины и рабочий принцип

Тут главное сказать про то, что паровая турбина применяет два разных рабочего принципа, которые зависят от ее устройства.

Первый принцип называют энергичными турбинами. В данном случае, есть в виду устройства, у которых увеличения пара выполняется только в недвигающихся соплах, и также до поступления его на рабочие лопатки.

Устройство паровой турбины и рабочий принцип второго типа называют реактивным. К подобным агрегатам относят те, у которых увеличение пара происходит не только до вступления его на рабочие лопатки, но и во время прохождения между такими. Еще подобного рода устройства называют работающими на реакции. Если падения тепла в соплах составляет ориентировочно половину от всего теплопадения, то турбину называют также реактивной.

паровой

Если рассматривать устройство паровой турбины и ее важных элементов, то необходимо обратить собственное внимание на следующее. Изнутри турбины происходит этот процесс: струйка жидкости, которая направляется на лопатку, будет оказывать на нее давление, какое будет зависеть от этих параметров, как расход, скорость при входе, и также при выходе на поверхность, форма поверхности лопатки, угол направления струйки в отношении к такой поверхности. Тут нужно отметить, что при подобной работе абсолютно не нужно делать таким образом, чтобы водный поток бил о лопатку. Напротив, в устройствах паровых агрегатов этого принято остерегаться, и очень часто выполняют таким образом, чтобы струйка медленно обтекала лопатку.

Энергичная работа

Каково устройство паровой турбины, работающей на подобном принципе. Тут за основу позаимствован закон про то, что любое тело, обладающее даже небольшой скоростью, как правило имеет высокую кинетическую энергию, если двигается с высокой скоростью. Но тут тут же нужно предусматривать, что эта энергия в сжатые сроки исчезает, если скорость тела начнет падать. В этом случае, есть два вида формирования событий, если струйка пара ударится о ровную поверхность, которая будет перпендикулярна ее движению.

Первый вариант — удар происходит о неподвижную поверхность. В этом случае вся кинетическая энергия, которой обладало тело, отчасти превратится в энергию тепла, а остальная часть израсходуется на то, чтобы выбросить частицы жидкости в обратном направлении, и также назад. Естественно, что никакой полезной работы исполнено при этом не будет.

Другой вариант — поверхность может передвигаться. В этом случае некоторая часть энергии уйдет на то, чтобы переместить платформу с места, а остальная по прежнему будет затрачена напрасно.

В устройстве паровой турбины и принципе действия, он называется энергичным, применяется собственно другой вариант. Естественно, необходимо понимать, что во время работы агрегата нужно добиться того, чтобы энергитический расход на бесполезную работу был небольшим. Еще одно главное условие состоит в том, что нужно направить струю пара поэтому, чтобы она не повреждала лопатки при ударе. Добиться выполнения данного условия можно только при конкретной форме поверхности.

струйка пара

Путем испытаний и расчетов было обнаружено, что самой лучшей поверхностью для работы со струями пара считается та, которая сумеет обеспечить плавный поворот, после которого движение рабочего вещества будет перенаправлено в противоположную сторону от начальной. Иначе говоря нужно дать лопаткам форму полукруга. В этом случае, сталкиваясь с препятствием, самая большая часть кинетической энергии будет передаваться механическом устройству, вынуждая его вращаться. Потери же сведутся до минимума.

Как не прекращает работу энергичная турбина

Устройство и рабочий принцип паровой турбины энергичного типа состоит в следующем.

Свежий пар с конкретными значениями давления и скорости подается в сопло, где происходит его увеличение также до конкретного показателя давления. Естественно, что вместе с таким параметром, будет становиться больше и скорость струйки. С увеличенным значением скорости, поток пара доходит до механических частей — лопаток. Действуя на такие элементы, струйка рабочего вещества заставляет вращаться диск, и также вал, на котором он закреплен.

Дальше, при выходе из лопаток, поток пара обладает уже иным значением скорости, которое в первую очередь окажется ниже, чем перед такими элементами. Это происходит в виду того, что часть кинетической энергии преобразовалась в механическую. Тут также нужно отметить, что во время прохождения по лопаткам значение давления меняется. Но важно то, что при входе и на выходе из таких элементов этот показатель имеет одинаковое значение. Это вызвано тем, что каналы между лопатками обладают одинаковым сечением по всей собственной длине, и также изнутри данных деталей не случается добавочного увеличения пара. Для того чтобы выпустить пар, который уже отработал, есть специализированный отрезок трубы.

Паровая турбина

Устройство которое работает механически турбины

Устройство и работа паровой турбины с точки зрения механики смотрятся так.

Аппарат состоит из трех цилиндров, любой из них собой представляет статор, имеющий неподвижный корпус, и также крутящийся ротор. Отдельно размещенные роторы соединяются муфтами. Цепочка, которая собирается из индивидуальных роторов цилиндров, и также из генератора и возбудителя, именуется валопроводом. Длина такого устройства при высоком значении составляющих элементов (сейчас — это не более 5 генераторов) — 80 метров.

Дальше, устройство и работа паровой турбины смотрятся так. Валопровод делает круговое движение в подобных элементах, как опорные подшипники скольжения вкладышей. Вращение происходит на тонкой масляной пленке, железной же части таких вкладышей вал при вращении не касается. На данное время все роторы конструкции располагаются на 2-ух опорных подшипниках.

В большинстве случаев между роторами, принадлежащими к ЦВД и ЦСД, есть только один общий опорный подшипник. Весь пар, который становится шире в турбине, заставляет любой из роторов исполнять круговое движение. Вся мощность, которая формируется каждым из роторов, складуется на полумуфте в общее значение и там может достигать собственного самого большого показателя.

паровой турбины

Более того, любой компронент находится под влиянием осевого усилия. Эти усилия суммируются, а их максимальное значение, другими словами общая осевая нагрузка, подается с гребня на упорные участки. Данные детали ставятся в корпусе упорного подшипника.

Устройство ротора турбины

Каждый ротор помещается в корпус цилиндра. Показатели давления на данное время они могут достигать 300 МПа, так что корпус этих устройств делается двустенным. Это способствует сделать меньше разница давления на любой из них, что дает возможность уменьшать толщину любой из них. Еще, это способствует облегчить процесс затяжки соединений фланцевого типа, и также даст вам возможность турбине если понадобится быстро поменять показатель собственной мощности.

Необходимым считается наличие горизонтального разъема, предназначенного для легкого процесса процесса установки вовнутрь корпуса, и также должен давать быстрый доступ к уже установленному ротору, Во время проведения ревизии или ремонта. Когда выполняется яркий процесс установки турбины, то все плоскости разъемов нижних корпусов устанавливаются особым образом. Чтобы облегчить эту операцию, в большинстве случаев считают, что все горизонтальные плоскости соединены в одну общую.

Когда в последующем приходит период процесса установки валоповоротного устройства паровой турбины, то его помещают в уже имеющийся горизонтальный разъем, что обеспечивает его центровку. Это нужно для того, во избежание ударения ротора о статор при вращении. Подобный недостаток может привести к довольно серьезной аварии на объекте. В виду того, что пар изнутри турбины отличается очень большой температурой, а вращение ротора происходит на масляных пленках, температура масла должна быть не больше чем 100 градусов по шкале Цельсия. Это значение подойдет как по требованиям пожаробезопасности, так и отвечает наличию конкретных смазочных параметров у материала. Для того чтобы достигнуть подобных показателей, вкладыши подшипников выносятся за корпус цилиндра. Их размещают в специализированных точках — опорах.

турбина

Паровые установки на атомных станциях

Устройство паровой турбины на АЭС можно рассматривать на примере установок сочного пара, которые есть исключительно на тех объектах, где применяется водяной тепловой носитель. Тут нужно отметить, что начальные характеристики паровых турбин на атомных станциях, отличаются невысокими показателями. Это принуждает пропускать приличное количество рабочего вещества, чтобы достигнуть необходимого результата. Более того, благодаря этому образуется высокая влажность, которая быстро увеличивается по ступеням турбины. Это стало причиной того, что на подобных объектах необходимо применять внутритурбинные и наружные влагоулавливающие устройства.

Из-за большой влажности применяемого пара уменьшается КПД, и также достаточно оперативно развивается эрозийный износ проточных частей. Для того чтобы избежать этой проблемы, необходимо применять разные способы укрепления поверхности. К этим методам относятся хромирование, закаливание, электроискровая обработка и т. д. Если на иных объектах получается задействовать самое простое устройство паровых турбин, то на АЭС необходимо не только думать про защиту от ржавчины, но и про отвод влаги.

Наиболее прекрасным способом отвода избыточной влажности из турбины стал отбор пара. Отбор вещества выполняется на регенеративные подогреватели. Тут нужно отметить, что если такие отборы установлены после каждой ступеньки увеличения, то необходимость в создании добавочных внутритурбинных влагоулавливателей отпадает. Также добавить можно, что возможные пределы влаги пара основываются на диаметре лопатки, и также на частоты вращения.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Самым лучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, считается то, что она не просит какого-нибудь соединения с валом генератора который работает от электричества. Также данное устройство прекрасно справлялось с перегрузками, и его легко можно было настраивать по скорости вращения. КПД у подобных агрегатов также довольно высок, что в комбинировании с другими хорошими качествами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрогенераторами. Таким же считается и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти устройства с точки зрения конструкции, то они почти что ничем не выделяются. Как и паровая турбина, газовая считается машиной лопаточного типа. Плюс ко всему, в двоих агрегатах вращение ротора достигается благодаря тому, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Значительное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом считается пар перегретый, а в газовой установке — это газ, который очень часто получен при сжигании каких-нибудь продуктов, либо считается смесью пара и воздуха. Еще одно отличие состоит в том, что для образования таких рабочих веществ нужно иметь различное оборудование дополнительного характера. Подобным образом, выходит, что сами по себе турбины аналогичные, но установки, образовывающиеся на объектах вокруг них, очень сильно выделяются.

Паровая турбина с влагой

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в собственной книге, выпущенной в первой половине 60-ых годов двадцатого века. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, и также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая расположена в котле, имеет три среды — вода, пар и конденсат. Эти три вещества создают между собой некий закрытый цикл. Тут нужно отметить, что в такой обстановке во время изменения теряется достаточно небольшое кол-во пара и жидкости. Чтобы возместить маленькие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство. В этом агрегате жидкость подвергается влиянию разных химикатов, главное предназначение которых в удалении лишних примесей из воды.

Рабочий принцип в данных установках следующий:

  • Пар, который уже отработал и обладает уменьшенным давлением и температурой, проникает из турбины в конденсатор.
  • При прохождении данного участка пути есть приличное количество трубок, по которой постоянно качается охлаждающая вода с помощью насоса. Очень часто эта жидкость берется из рек, озер или водоемов.
  • В момент соприкасания с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще больше, чем в трубах.
  • Весь конденсат который скопился регулярно поступает в конденсатор, откуда он постоянно откачивается насосом. После чего жидкость подается в деаэратор.
  • Из такого элемента вода опять поступает в паровой котел, где преобразуется в пар, и процесс начинается в первую очередь.

Помимо важных элементов и обычного рабочего принципа, есть пара добавочных агрегатов, например как турбонаддув и подогреватель.

Рабочий принцип паровой турбины

Критическое давление и опасная скорость

Первые попытки изобретателей еще не изучивших процесса увеличения пара, выстроить промышленно пригодную паровую турбину натолкнулись на следующее затруднение: оказывается, что если сосуд, в котором находится пар под давлением, снабдить нерасширяющейся трубкой (соплом) цилиндрической либо другой формы (рис. 4), через какую произойдет истечение пара в пространство с небольшим давлением, то пар в данной трубке будет терять давление и покупать скорость, но исключительно до конкретного предела; в случае сухого сочного пара у выхода из трубки давление его не может быть меньше 0,58 начального давления. Это давление именуется критическим давлением. Исходя из этого этому давлению мы получаем и определенную предельную скорость прошествия, которая именуется критичной скоростью. Для перегретого пара критическое давление равно 0,546 от начального давления.

турбина
паровой

Подобным образом, если в нашем сосуде находится сухой сочный пар при давлении р0=10 ата, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получаем давление

другими словами мы применяем для превращения в скоростной напор перепад давлений, равный только

Дальше, вышедши из устья сопла, пар, расширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его по направлению оси сопла практически не случится. Стало быть, пользоваться цилиндрическим (нерасширяющимся)соплом лучше лишь тогда, когда первое давление пара не будет больше ориентировочно двойного давления в пространстве, куда он вытекает; к примеру, при выпуске пара в атмосферу рабочее давление перед соплом не должно быть больше 1,8 ата.

Если отношение давлений перед и за трубкой больше 1,8, то для полнейшего изменения энергии давления в скоростную энергию необходимо, чтобы трубка (сопло) имела после узкого сечения расширяющуюся часть (рис. 5).

Характерная черта расширяющегося сопла состоит в том, что давление пара у выхода из сопла может быть увеличено до давления среды, в которую он вытекает. При данных условиях пар вытекает из сопла с сверхкритической скоростью и идет ровной струёй, вся энергия которой может быть применена на лопатках турбины. Расширяющееся сопло позволяет применять любые перепады давлений, полностью преобразовываю в границах данного перепада давлений возможную энергию пара в кинетическую.

Два рабочего принципа пара в турбине

Из вышесказанного вытекает, что, применяя увеличение пара в турбине, мы можем получить механическую работу, равноценную располагаемому перепаду тепла за вычетом потерь. Процесс изменения энергии тепла в механическую работу может происходить разным образом в зависимости от типа турбины.

Турбины, у которых увеличение пара происходит только в недвигающихся соплах до вступления его на рабочие лопатки, именуется энергичными турбинами.

Турбины, у которых увеличение пара происходит не только до вступления его на рабочие (двигающиеся) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинами, работающими с реакцией. Если теплопадение в соплах составляет ориентировочно половину общего теплопадения (или меньше), турбину называют реактивной.

Струйка жидкости, направленная на лопатку, оказывает на нее давление, которое зависит от жидкостного расхода, скорости ее при входе на поверхность и при выходе с нее, формы поверхности лопатки, угла направления струйки относительно этой поверхности и разности давлений жидкости перед и за лопаткой. При этом вовсе не потребуется, чтобы струйка ударяла о лопатку; наоборот, этого необходимо всегда остерегаться и стремиться к тому, чтобы поток не ударял о лопатку, а медленно ее обтекал.

А дело все в том, что при обтекании паром лопаток, также как при обтекании воздухом крыла самолета, с двух сторон поверхности лопатки образуется различное давление: с вогнутой стороны давление всегда больше, чем с выпуклой. Благодаря этому выходит сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны; она заставляет лопатки передвигаться и выполнять работу. Отцом русской авиации" профессором Н. Е. Жуковским установлены ключевые законы для определения "подъемной силы" крыла самолета, обтекаемого воздухом; использование таких законов способствует конструкторам современных турбин создавать самые лучшие профиля лопаток, обеспечивающие малые потери.

Но при элементарном изучении изменения энергии в турбине и конструкций турбин удобнее и нагляднее разграничивать и рассматривать очень оживленные и реактивные ступеньки и происходящие в них процессы. При этом часто вводятся еще некоторые упрощения; в особенности, поток пара в соплах и между лопатками рассматривается во многих случаях как некоторая непрерывная струйка несжимаемой жидкости, имеющая равные скорости и давления в самой разной точке входного или выходного сечения.

Ниже рассмотрим детальнее, как работают энергичная и реактивная ступеньки турбины.

Энергичный принцип

Так как кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату скорости его движения, то даже тела с наиболее небольшой массой, но двигающиеся с высокими скоростями обладают большой кинетической энергетикой. С другой стороны, кинетическая энергия достаточно быстро уменьшается при уменьшении скорости движения тела. Согласно закону сохранения энергии всякое тело, двигающееся с некоторой скоростью и задержанное в собственном движении должно отдать при этом всю ту энергию, которую необходимо было потратить, чтобы сообщить ему скорость, с которой оно двигалось.

При ударе струйки о ровную поверхность, перпендикулярную направлению движения струйки, можно предположить два допустимых случая:

а) Поверхность закреплена неподвижно; тогда кинетическая энергия задержанной в собственном движении струйки отчасти превратится в энергию тепла, а отчасти будет расходоваться на отбрасывание частиц жидкости по сторонам и в обратном направлении, на образование вихрей в струя и на разрушение поверхности. Никакой полезной работы при этом не будет совершено вследствии неподвижности поверхности.

б) Поверхность может передвигаться (рис 6,а); тогда кинетическая энергия отчасти превратится в работу перемещения поверхности, которую можно полезно задействовать, а отчасти будет затрачена бесполезно (как и при неподвижной поверхности).

Паровая турбина
Паровая турбина

Понятно, что в паровой турбине потеря энергии, другими словами та часть энергии, которая не преобразуется в полезную работу, должна быть небольшой; более того, струйка пара не должна повреждать поверхностей лопаток, на которые она направлена. Достичь этого при ударном действии струйки нельзя; фурма лопаток турбины должна быть подобрана такой, чтобы струйка пара, выходящая из сопла, медленно вступала на лопатки и передавала им самую большую предполагаемую часть собственной энергии.

Путем расчета и опытов было обнаружено, что поверхности тела, на которую направлена струйка, следует дать такую форму, чтобы направленная на него струйка совершала поворот и меняла направление собственного движения на прямо противоположное (рис. 6,б).

Законы механики так объясняют взаимное действие между струёй и объектом. На предмет (лопатку) действует со стороны двигающейся криволинейно струйки центробежная сила; она распределена по поверхности лопатки, оказывает на нее давление и заставляет передвигаться и выполнять работу.

На (рис. 7) показана полукруглая лопатка. Предположим, что на нее направлена струйка пара. Каждая частичка пара действует на лопатку с силой, равной центробежной силе и направленной по нормали к поверхности лопатки, другими словами по линии, объединяющей центр А полуокружности лопатки с центром тяжести частицы. Рассмотрим три такие частицы а, b, и с. Центробежные силы Р, появляющиеся от частиц а и с, по законам механики можно разложить на силы Р1, напралвенные вертикально, и на силы Р2, направлены в горизонтальном положении. Вертикальные силы Р1 направлены во обоюдно разные стороны и, будучи равными по величине, обоюдно уничтожаются, другими словами не оказывают воздействия на движение лопатки.

Горизонтальные силы Р2 становятся тем больше, чем ближе частичка расположена к точке В, в которой Р2=Р1, а Р1=0. Сумма сил Р2 собой представляет ту силу, которая заставляет передвигаться лопатку вправо; умножив эту силу на путь, пройденный лопаткой, мы получаем полезную работу, совершенную струёй пара. При каких условиях эта работа будет максимально небольшой, мы будем рассматривать ниже

В работе струйка в большинстве случаев направлена под определенным углом к направлению движения лопаток (рис. 8). Профиля лопаток не могут представить собой полуокружностей; они появляются частями кривых и прямых линий таким образом, чтобы было обеспечено безударное вступление струйки пара и высокое применение ее скорости.

Процесс работы энергичной турбины

Свежий пар с давлением р0 и скоростью с0 поступает в сопло 4 и становится шире в нем до давления р1; при этом скорость струйки пара увеличивается до величины с1. С этой скоростью струйка подходит к рабочим лопаткам 3 и, действуя на лопатки, заставляет диск 2 и вал 1 вращаться, производя механическую работу.

По выходе из рабочих лопаток струйка имеет скорость с2 (выходную скорость) меньшую, чем с1, так как кинетическая энергия превращается в механическую работу. Хотя давление в разных местах криволинейного канала, образованного рабочими лопатками, неравномерно, но на входе в канал и при выходе из него оно одинаково, так как каналы между лопатками имеют одинаковое сечение по длине и в них не случается добавочного увеличения пара.

Отработавший пар с давлением р2=р1 уходит из турбины через патрубок выпускного типа 6.

Подобным образом, мы видим, что энергичная турбина имеет следующую специфическую особенность: Падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и при выходе с них одинаково.

Нужная скорость на окружности турбинного диска

Несложно сообразить, что если лопатка (рис. 7) двигается под воздействием какой-нибудь внешней силы с такой же самой скоростью, что и направленная на нее струйка пара, то она не оказывает струя какого-нибудь сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии. Такое же явление выйдет, если скорость лопатки будет побольше скорости струйки; в данном случае лопатка просто уйдет вперед, обгоняя струю.

Вообразим сейчас, что лопатка закреплена в неподвижном состоянии; тогда струйка пара, направленная на изогнутую поверхность лопатки, не совершит работы ее передвижения, а переменит направление собственного движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила, если не считать маленьких потерь на трение о поверхность лопатки; стало быть, кинетическая энергия струйки остается неиспользованной.

Рассмотрим сейчас такой пример: допустим, что скорость подтекания струйки пара равна 500 м/сек, м скорость лопатки равна 250 м/сек; в данном случае струйка вступит на лопатку с относительной скоростью в 250 м/сек и, изменив направление собственного движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/сек относительно лопатки.

Но так как лопатка двигается вперед со скоростью 250 м/сек, то скорость обратного движения струйки равна и противоположна в направлении скорости лопатки и в отношении к какой-нибудь неподвижной точке пространства будет равна нулю.

Из сказанного можно создать тот вывод, что для полнейшего применения кинетической энергии пара скорость движения лопатки энергичной турбины должна быть в несколько раз меньше скорости прошествия струйки пара из сопла.

Скорость прошествия пара из сопла, как мы уже рассказывали, зависит от разности его начальной и конечной энтальпии. Чем больше перепад тепла при расширении пара, тем выше скорость его прошествия. Современные котельни строятся для давлений 35-90 ата и выше (до 300 ата), выпускают же отработавший в турбине пар в большинстве случаев в конденсатор, где давление держат возможно более невысоким. Если бы подходящий теплоперепад был применен сразу для получения скорости, ее значения превосходили бы 1000 м/сек; к примеру, при расширении сочного пара от сравнительно низкого давления 10 ата до давления, равного 0,1 ата (в конденсаторе), скорость прошествия может достигать 1167 м/сек, другими словами будет намного больше скорости полета пули, выпущенной из винтовки. При использовании перегретого пара скорости прошествия получаются еще большими, так как становятся больше располагаемые перепады тепла.

Для наивыгоднейшего применения кинетической энергии пара скорость u на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали, только в несколько раз меньше скорости с1 прошествия пара из сопла. Так, для скорости прошествия пара с1=1200 м/сек скорость u на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/сек. Такую высокую окружную скорость выполнить в турбине пока нереально, так как еще не существует материалов, могущих выдерживать большие напряжения от центробежной силы, развивающиеся при окружных скоростях, существенно превышающих 400 м/сек. Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/с1 вызывает крепкое снижение к.п.д. турбины.

Подобным образом, в одноступенчатой турбине можно применять с прекрасным к.п.д. лишь относительно небольшие теплопадения.

В турбинах с маленькими затратами и большими скоростями пара необходимо использовать диски малого диаметра для того, чтобы не получить очень низкими рабочие лопатки. К тому же диски небольшого диаметра легче сделать хорошего качества. Однако при малых диаметрах диска и больших окружных скоростях выходит большим количество оборотов.

Большинство же приводимых турбинами машин (резервные электростанции, насосы и т.п.) просит числа оборотов порядка 3000 оборотов в минуту и ниже, а значит, высокооборотной турбиной и вращаемой ею машиной приходится вводить понизительную зубчатую передачу (редуктор); при этом размеры передачи часто превышают размеры самой турбины, а к.п.д. установки понижается за счёт механических потерь в редукторе.

На электрических станциях зубчатые редукторы практически не используются, однако они нашли повсеместное использование на кораблях, так как для гребных винтов нужно очень невысокое количество оборотов (от 100 до 500 оборотов в минуту), а турбина с подобным числом оборотов вышла бы огромных размеров.

Низкий к.п.д. и определенные конструктивные трудности ограничивают мощность одноступенчатых турбин величиной 500-800 квт.

Одноступенчатые турбины, однако очень просты и надежны в работе, и они часто используются для привода добавочных механизмов, экономность которых не имеет весомого значения.

Увеличения экономности турбины, работающей при большом теплопадении с умеренными окружными скоростями, можно достичь путем:

1) использования ступенек давления;

2) использования ступенек скорости.

Ступеньки давления

Идея ступенек давления состоит в следующем: взамен того чтобы вести увеличение пара от давления в котле до противодавления в один прием, можно поделить данный процесс на части или ступеньки, применяя в каждой ступеньки маленькие перепады давлений. Такие устройства примененное для водяной турбины, нарисовано на (рис. 10), рассмотрим его детально.

паровой турбины

Как видно из чертежа, водный уровень в бачке на 500 м выше сопла 1; при этом скорость прошествия воды из сопла будет равна ориентировочно 100 м/сек, и наивыгоднейшая скорость на окружности колеса турбины должна равняться 100/2=50 м/сек, зачем необходимо 2000 оборотов в минуту при диаметре колеса 0,5 м.

Если же мы водонапор разделим на 4-ре части таким образом, чтобы сопла 2,3,4 и 5 питались каждое из бачка, в котором водный уровень стоит на высоте, в 4 раза меньшей, другими словами 125 м, то скорость прошествия из данных сопел будет уже не 100 м/сек, а исключительно 50 м/сек, и колеса, насаженные на общий вал, должны будут вращаться с окружной скоростью 50/2=25 м/сек, другими словами делать только 1000 оборотов в минуту это при том же диаметре. Кол-во работы, которое мы при этом приобретаем, будет тем же самым, если не считать несколько тяжелые потери на трение в другом варианте.

Аналогичным же образом паровую турбину с несколькими ступенями давления можно рассматривать как которая состоит из нескольких одноступенчатых турбин, скреплённых постепенно, причем все диски сидят на общем валу, а пар, сработав в первой турбине часть располагаемого перепада давлений, переходит во вторую, потом в третью и т.д. до той поры, пока давление его не сравняется с противодавлением атмосферы или конденсатора.

Турбина с числом ступенек равно 9 станет иметь наивыгоднейшую окружную скорость в 3 раза, а турбина с 16 ступенями в 4 раза меньшую, чем одноступенчатая турбина, применяющая тот же перепад тепла.

На (рис. 11), изображающем схематический разрез энергичной турбины с тремя ступенями давления, видно, что корпус турбины поделен диафрагмами (перегородками) на три отделmные камеры. Пар может проникать из одной камеры в следующую лишь через сопла , находящиеся в диафрагмах по их окружности. Увеличение пара происходит так: пар большого давления подводят из паропровода в кольцевую камеру 1, по окружности которой есть ряд сопел 2. В соплах 2 происходит определённое понижение давления, и по выходе из сопел пар приобретает известную скорость, энергию которой и перепад лопатками 3 первого диска. За лопатками 3 пар имеет маленькую скорость, но пройдя через сопла 4, снова несколько становится шире и приобретает высокую скорость, которую и передает лопаткам 5. То же самое происходит и в следующей ступеньки, в которой увеличение ведут до давления в пространстве 6, соединенном с атмосферой или конденсатором.

струйка пара

Весь данный процесс легко проследить по нанесённым сверху (рис. 11) кривым, определяющим давления и скорости пара перед и за соплами и за рабочими лопатками. Сопоставив эти кривые с имеющимися на (рис. 8), мы увидим, что процесс работы одноступенчатой турбины тут повторяется 3 раза, по числу ступенек давления; при этом давление в каждой следующей ступеньки понижается, а скорости прошествия ориентировочно такие же. Последнее достигается выбором необходимых размеров сопле.

При значительном числе ступенек перепады давлений в каждой ступеньки получаются маленькими и скорости прошествия пара ниже критичной; благодаря этому использование расширяющихся сопел в многоступенчатых турбинах стало уже необязательным; в современных турбинах, в основном, используют лишь суживающиеся сопла. Этому помогает рассмотренная ниже возможность увеличения пара в косом срезе суживающихся сопел до давления ниже критического.

Перепад тепла между ступенями турбины распределяют порой поровну, чаще же принимают очень высокие перепады в первой и последних ступенях; это позволяет, с одной стороны, уменьшить давление и температуру в корпусе турбины за счёт срабатывания большого перепада давлений в первой ступеньки, а со второй,- получить меньшую высоту лопаток в последних ступенях за счёт высоких скоростей протекания пара.

Падения давления по ступеням всегда получаются неодинаковыми: В первые ступенях давление падает резко, в последних же несущественно.

Как пример ниже приведена таблица распределения давлений по ступеням энергичной турбины с 13 ступенями давления, работающей свежим паром давлением 28 ата, температура пара= 400 о С и с противодавлением в конденсаторе= 0,05 ата

При этом перепады тепла составляют от 16,2 ккал/кг В первые ступенях до 32 ккал/кг в последней ступеньки.

Паровая турбина: рабочий принцип 3 разновидностей агрегата

турбина

Паровая турбина приносит в наши дома свет и тепло Паровая турбина – это тепловой мотор, который видоизменяет энергию тепла из пара в энергию механическую вращения вала. При помощи паропровода нагретый свежий пар, поступая из котла, подходит к паровой турбине, после этого большая часть высвобожденной энергии тепла преобразуется в механическую работу.

Работа паровой турбины

В турбинной установке находящейся в котле, три среды: вода, пар, и также конденсат создают такой себе закрытый цикл. В процессе изменения, при этом, теряется лишь минимальное количество пара и воды. Это кол-во воды регулярно восполняется добавкой в установку сырой воды, которая проходит заранее через фильтр для очистки воды. Там вода обрабатывается химическими составами, нужными для убирания находящихся в водной массе, не необходимых примесей.

Рабочий принцип:

  • Отработавший пар с достаточно-таки пониженными давлением и температурой проникает из турбины в конденсатор.
  • Там он встречает на пути систему разных трубок, по которой постоянно прокачивается при помощи насоса циркуляционного охлаждающая вода. Берут ее в основном из рек, озер или водоемов.
  • Соприкасаясь с холодной поверхностью трубка конденсатора, выработавший пар конденсируется, превращаясь таким образом, в воду (конденсат).
  • Постоянно откачиваясь из конденсатора специализированным насосом, конденсат через подогреватель проникает в деаэратор.
  • Оттуда насос передает его в паровой котел.

В установке есть также турбонаддув и подогреватель. Его функцией считается необходимость сообщить конденсату добавочное кол-во тепла. Современные паротурбинные установки в основном оснащены несколькими подогревателями. К тому же, для подогрева питательной жидкости нужна, в основном, теплота от пара, который отбирается из промежуточных ступенек самой турбины в границах 15-30% от совокупного расхода пара. Это даёт прекрасное увеличение КПД установки.

Современная паровая электростанция в действии

Тепло, отработанного в турбине пара поступает в конденсатор через трубки. Кол-во высвобождаемого тепла велико, и, поэтому, охлаждающая вода должна быть нагрета несущественно. В виду этого, расход у мощных паротурбинных установок весьма велик. Порой он может достигать до 20000 м3/час. Тем более если мощность станции 100000 кВт. В данных случаях охлаждающая подается вода циркулярным насосам из речки и после выполнения собственной функции сливается опять в реку, только ниже места забора.

паровой турбины

Действие крепкой струйки пара на лопасти приводит вал во вращение в паровых турбинах

В паровых турбинах строение такое, что возможная энергия пара, пройдя процесс расширении в соплах, превращается в кинетическую энергию, способную перемещаться с высокой скоростью. Мощная струйка пара подается на изогнутые лопатки, которые закреплены по окружности диска, насаженного на вал. Действие крепкой струйки пара на лопасти и приводит вал во вращение.

Чтобы изменить энергию пара в кинетическую, необходимо обеспечить ему свободный выход из парогенератора, в котором он находится, по соплу, в пространство. Плюс ко всему, давление пара нужно больше, чем давление того самого пространства. Необходимо знать, что пар будет выходить с очень большой скоростью.

Скорость выхода пара из сопла зависит от подобных факторов:

  • От температуры и давления до увеличения;
  • Какое давление есть в пространстве, в которое он вытекает;
  • Форма сопла, по которому вытекает пар, также оказывает влияние на скорость.

Вал турбины должен соединяться с валом самой рабочей машины. Какой она будет, зависит от области, в которой применяется рабочая машина. Это может быть энергетика, металлургия, приводы турбогенераторов, воздуходувные машины, нагнетатели воздуха, насосы, водный и ЖД транспорт.

Устройство паровой турбины

Паротурбинная установка – считается главным типом двигателей на современных тепловых и атомных электрических станциях, которые вырабатывают 85 – 90% электрической энергии, потребляемой по всему миру.

паровой турбины

Вид и устройство паротурбинной установки

Паровые турбины выделяются большой быстроходностью. Она в основном равна 3000 об. мин., и имеют при этом сравнительно небольшие размеры и массу. В сегодняшней промышленности сегодня выпускают турбоагрегаты разных мощностей, даже такие, где в одном агрегате при высокой экономности более тысячи милионов ватт.

Изобретен этот аппарат издревле. В его создании участвовали многие ученые мужи. В Российской Федерации основоположником строительства паровых турбин в большинстве случаев считают Поликарпа Залесова, который внедрял данные строения в Алтайском крае в начале девятнадцатого столетия.

Паровые турбины разделяют на:

  • Конденсационные;
  • Теплофикационные;
  • Специализированного назначения;
  • Оживленные;
  • Реактивные;
  • Активно-раективные.

Самая популярная – конденсационная турбина – не прекращает работу с выпуском отработанного пара в конденсатор с глубоким вакуумом. От промежуточных ступенек ее турбин, в основном, берется определенное количество пара в целях регенерации. Основное назначение конденсационных установок – выработка электрической энергии.

Строение паровой турбины

Паровые турбины возводят в качестве неподвижных конструкций, которые применяют по большей части на фабричных силовых установках или электрических станциях, и транспортных, нужных для работы судовых котлов.

независимо от рабочего принципа, сущность происходящих действий останется неизменной – струйка пара, вытекающая из сопла, будет направляться на лопатки диска, имеющегося на валу, и тот приводится в действие.

Паровые турбины отличают по следующим свойствам:

  • Оборотам;
  • Количеству корпусов;
  • Направлению движения струйки пара;
  • Числу валов;
  • Размещению конденсационной установки;
  • Практичности.

Паровые турбины предоставляют долгую производство механической энергии при температуре охлаждающей их воды до 330 С Цельсия. Также турбины должны исполнять продолжительную хорошую работу с нагрузкой номинальной от 30 до 100%. Что нужно для регулирования распределения электрической нагрузки. Самые популярные конденсационные турбины обязаны давать долгое действие при температуре выхлопного процесса до 700 С.

Паровая электростанция: специфики работы установки

Система регулирования работы турбины при резком сбросе мощности и отключении ТГ от сети, должна лимитировать быстрый заброс скорости вращения ее ротора, и не позволить срабатывания датчика безопасности. Работа турбины не исключают вероятность мгновенного сброса электронапряжения до нуля. Также турбины должны предоставляет возможность возобновить нагрузку до исходной, или любой иной цифры в регулировочном диапазоне, при скорости не меньше 10% от номинальной мощности за секунду.

паровой

Паровые турбины применяют по большей части на фабричных силовых установках или электрических станциях

Обязательные рабочие режимы:

  • С отключенным подогревателем большого давления;
  • С нагрузкой в рамках своих нужд в границах 40 минут после сброса;
  • На холостом ходу 15 минут после сброса электро- нагрузки;
  • Для проведения проверки на холостом ходу 20 часов после пуска турбины;
  • Служебный срок рабочих турбин между ремонтами обязан быть не меньше 4 лет;
  • Новые агрегаты имеют гарантию в пять лет;
  • Период работы на отказ у паровой турбины не меньше 6000 часов;
  • Показатель готовности у установки не меньше 0,98.

Паровая турбина имеет служебный срок больше тридцати лет. Как исключение из правил лишь быстроизнашивающиеся детали и детали.

Паровая турбина (видео)

Паровая турбина собственными руками – аппарат, который считается сердцем почти что любой электрические станции, действует по принципу превращения энергии из паровой в механическую. Однако такую машину вполне можно создать и дома. Разумеется это будет мини-устройство, и быстрее всего ваша рукодельная турбина будет газовая или воздушная, однако данная модель также пригодится в обиходе как и паровая турбина для ТЭЦ. Правильно разработанные схема, чертеж и рисунок смогут помочь вам достигнуть хорошего результата от самоделки.

Паровые турбины. Учебное видео по теплоэнергетике


от admin