Паровая турбина

Вы уже познакомились с самым распространенным видом теплового двигателя – двигателем внутреннего сгорания. Следующий вид, который мы рассмотрим – это турбина.

Турбины бывают газовые, паровые и гидравлические. Рабочим телом паровой турбины является пар. У газовой турбины же рабочим телом являются газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины.

Для изучения мы выберем паровую турбину. В данном уроке вы узнаете, как она устроена, ее принцип действия, историю создания и применение в жизни.

Устройство и работа паровой турбины

Турбина – это тепловой двигатель, в котором пар или газ, нагретый до высокой температуры, вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

Схема простейшего варианта паровой турбины представлена на рисунке 1.

Диск 4 насажен на вал 5. На ободе диска закреплены лопатки 2. Около лопаток располагаются трубы – сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла.

Принцип действия паровой турбины достаточно прост. Из сопел вырываются струи пара и оказывают на лопатки значительное давление. Таким образом струи пара приводят диск турбины в быстрое движение. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию.

В настоящее время в турбинах устанавливают несколько дисков сразу, насаженных на один общий вал. Так пар будет проходить через все лопатки дисков, при этом отдавая каждому часть своей энергии.

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 frac<км><ч>$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.

Рисунок 3. “Турбиния” в музее Newcastle’s Discovery Museum

Применение паровых турбин

Современные паровые турбины широко используются во многих сферах.

Например, на электростанциях генератор электрического тока зачастую соединяют с турбиной. Такие турбины могут вращаться, выполняя до 3000 оборотов в минуту. Это позволяет использовать их для приведения в движение генераторов тока.

Также тепловые турбины устанавливают на тепловых электростанциях. В 2017 году на Уральском турбинном заводе была выпущена паровая турбина, электрическая мощность которой достигает $335 space МВт$, а тепловая нагрузка – $385 frac<Гкал><ч>$ (рисунок 4). Этого достаточно, чтобы обеспечить теплом более 100 000 квартир.

Рисунок 4. Энергетическая паровая турбина Т-295

Паровые турбины стоят и на различных заводах. На производстве данные турбины функционируют на отработавшем паре, позволяя получить из практически “отходов производства” полезную энергию. Используют их и на кораблях в качестве главного или вспомогательного двигателя.

Одной из самых мощных паровых турбин в мире на сегодняшний день является турбина Siemens SST5-9000 (рисунок 5). Ее мощностью составляет $1900 space МВт$. Спрос на такие мощности очень мал, так как реализовать такой потенциал можно только на атомных электростанциях.

Рисунок 5. Турбина Siemens SST5-9000

На сухопутном и воздушном транспорте паровые турбины не используют, потому что для их функционирования необходимо большое количество пара, а следовательно, и жидкости.

Паровая турбина — принцип действия, описание работы и устройство

Кратко устройство и строение паровой турбины выглядит следующим образом. На вал крепится диск, куда закрепляются лопатки. Возле этих элементов также находятся трубы сопла, через которые подается пар. Во время его подачи он создает некоторое давление на лопатки, что приводит к его вращению.

Сегодня в этом оборудовании обычно применяется несколько дисков, находящихся на общем валу. При использовании этой конструкции энергия пара, которая проходит через все диски, частично передается этим элементам.

Достоинства турбинных установок:

• коэффициент полезного действия равен одной заданной величине;
• могут работать на различных видах топлива: твердое, жидкое, газовое;
• большой ресурс;
• огромный диапазон мощностей;
• широкий выбор теплоносителя.

В основном эти агрегаты используются на тепловых и атомных электростанциях, также они нашли применение на морских судах.

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.

Особенности работы

В этом случае необходимо отметить, что в турбине может использоваться несколько принципов работы. Они отличаются друг от друга и зависят от конструкции оборудования:

1. Реактивный принцип. К этому оборудованию относится то, где расширение пара начинается до его поступления на лопатки и во время прохода по ним.
2. Активный принцип. Здесь сообщение пара с дисками начинается в неподвижных соплах перед поступлением на лопатки.

Если тепло в соплах снижается приблизительно наполовину, то турбинную установку по своему определению тоже называют реактивной.

Активный принцип

Принцип работы паровой турбины основан на том, что любое тело имеет большую энергию, если передвигается с высокой скоростью. Но необходимо учесть одно: энергия быстро падает при снижении скорости. Так, есть несколько вариантов развития событий:

1. Удар пара о статичную платформу. В этом случае энергия, которую имеет тело, частично перейдет в тепловую, а оставшаяся расходуется на то, чтобы отвести частички жидкости назад. Безусловно, какой-то полезной работы не происходит.
2. Удар об движущуюся поверхность. В этом случае определенная часть энергии затрачивается на то, чтобы сместить платформу, а оставшаяся так же потратится впустую.

Во время использования активного принципа в турбине применяется только последний вариант. Но надо понимать, что в процессе работы оборудования нужно минимизировать потери энергии на бесполезную работу. Второе условие состоит в том, что необходимо направить поток пара так, чтобы он не деформировал диски во время удара. Добиться этого можно только с учетом специально созданной формы лопасти.

Идеальной поверхностью является та, которая обеспечивает плавный поворот, после этого пар направится в обратную сторону. Говоря по-другому, требуется, чтобы лопатки были сделаны в виде полукруга. Так, ударяясь о поверхность, основная часть энергии передастся диску и заставит его вращаться. Потери же будут минимальными.

Механическое оборудование

В конструкции устройства находится три цилиндра, они собой представляют статор, который имеет вращающийся ротор и металлический корпус. Отдельно находящиеся роторы соединены муфтами. Цепочку, собирающуюся из котла, генератора и роторов, называют валопроводом. Его максимальный размер может быть не более 80 м.

Валопровод производит вращение во вкладышах в опорных подшипниках. Вся работа происходит в масляной среде, металлических элементов вкладышей вал не касается. Сегодня роторы устанавливаются на двух подшипниках.

В определенных ситуациях между роторами, которые принадлежат к ЦСД и ЦВД, находится только один подшипник. Пар, расширяющийся в турбине, заставляет роторы вращаться. Вся мощность, вырабатывающаяся отдельным элементом, суммируется на полумуфте в общий показатель и здесь же доходит до своего максимума.

Помимо того, все части находятся под действием осевого усилия. Оно суммируется, а общий показатель переходит с гребня на упорные элементы, которые установлены в корпусе подшипника.

Описание ротора

Ротор находится в корпусе цилиндра. Сегодня показатели давления могут доходить до 350 МПа, поэтому корпус и все части этой конструкции делаются двустенным. Это помогает снизить разницу давления на каждую стенку, что дает возможность уменьшать их толщину. Помимо этого, это позволяет облегчить затяжку фланцев и делает возможным быстрое изменение мощности турбины.

Непременным условием является установка горизонтального разъема, он обеспечивает доступ к уже находящемуся ротору при выполнении ремонтных работ или ревизии.

Если производится непосредственная установка турбины, то все плоскости разъемов, которые находятся на нижних корпусах, ставятся специальным образом. Для облегчения этой процедуры они все соединяются в единую конструкцию.

Если в последующем наступит момент установки валоповоротной системы, то ее устанавливают в уже находящийся горизонтальный разъем, это позволяет обеспечить точную центровку. Она помогает избежать удара ротора о статор при вращении. Этот дефект часто приводит к серьезной аварии.

Поскольку пар, который находится в турбине, имеет довольно высокую температуру, а ротор вращается в масляной среде, то масло должно нагреваться не больше чем на 100 °C. Это показатель требуется соблюдать с учетом требований пожарной безопасности, при этом он соответствует смазочным свойства материала. Чтобы добиться этой температуры, вкладыши подшипников устанавливаются за корпусом цилиндра.

Использование на атомных станциях

Конструкцию турбины на атомных станциях можно рассмотреть на примере установок насыщенного пара, они находятся только на объектах, на которых применяется водяной теплоноситель. В этом случае нужно отметить, что изначальные показатели турбин на АЭС отличаются низкими параметрами. Это вынуждает использовать больше рабочего вещества, чтобы достигнуть требуемого результата. Помимо того, из-за этого появляется высокая влажность, быстро нарастающая по ступеням турбины. Это приводит к тому, что на атомных станциях применяются внешние влагоулавливающие и внутритурбинные конструкции.

Из-за повышенной влажности пара понижается КПД, а также очень быстро развивается коррозийный износ проточных элементов. Чтобы не допустить этой проблемы, приходится применять разные способы укрепления поверхности. К этим методам относится электроискровая шлифовка, закаливание, хромирование. Если на остальных объектах можно установить простейшую конструкцию турбин, то на атомной станции необходимо подумать не только о защите от коррозийных процессов, но и о выводе влаги.

Самым эффективным вариантом вывода излишней влаги из турбины является отбор пара, он передается на регенеративные подогреватели. Здесь нужно сказать, что если эти отборы находятся после каждой ступени расширения, то нет необходимости дополнительно разрабатывать внутритурбинные влагоулавливатели. Также необходимо отметить, что допустимая норма влажности пара рассчитывается с учетом размера лопатки и ее скорости вращения.

Турбина с конденсатом

Турбинная конструкция, находящаяся в котле, имеет три среды — жидкость, пар и конденсат. Они находятся в едином замкнутом контуре. В этом случае нужно сказать, что в этой среде при преобразовании теряется минимум воды и пара. В этой конструкции жидкость подвержена действию разных химических реагентов, их главное назначение — удалять из воды различные примеси.

Принцип работы в этом оборудовании состоит в следующем:

1. Отработанный пар, который уже имеет низкую температуру и давление, переходит по трубам в конденсатор.
2. Во время прохождения этого участка на пути находится множество дополнительных трубочек, по ним насосом постоянно подкачивается холодная вода. Как правило, она забирается из прудов, озер или речек.
3. Во время соприкосновения с охлажденной поверхностью отработанный пар образует конденсат.
4. Весь собранный конденсат постоянно передается в конденсатор, а из него он дальше откачивается помпой. Затем жидкость перемещается в деаэратор.
5. Из него вода заново транспортируется в котел, в котором переходит в парообразное состояние, и процесс повторяется.

Помимо основных элементов в конструкции находится дополнительно несколько устройств: подогреватель и турбонаддув.

Нужно отметить, что турбина вращается лишь в одном направлении и ее скорость может меняться в широких диапазонах. Другое преимущество турбин — это отсутствие толчков, которые происходят в ДВС во время передвижения поршней. Коэффициент полезного действия современных турбин достигает 45−55%, а мощность — 1700 МВт.

Паровые турбины

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

Содержание

Принцип работы паровых турбин

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

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

Код	мощность	скорость	давление на входе	температура на входе	давление на выхлопе	расход пара
	кВт	об/мин	МПа	С	МПа	Т/Н
М20	132-750	3000	0.5-2.35	225-330	0.15-0.3	3.54-13.86
М21	250-1000	3000	2.0-2.45	260-390	0.2-0.98	4.76-33
М30	300-700	3000	0.7-1.1	270-330	0.15-0.3	5.88-15.26
М32	1000-2500	3000	2.35-4.0	390-450	0.78-0.98	23.36-43.7
М40	250-1250	3000	0.8-1.0	250-330	0.15-0.55	4.6-21.5
М60	1000-2000	3000	2.35-4.0	390-445	0.297-0.785	17.41-31-32
М70	1000-2500	3000	0.6-1.27	260-300	0.2-0.5	23.2-48.8
М51А	750-1500	1500-6500	2.35-3.43	390-435	0.294-0.98	9.6-30
Т4	3000-6000	3000-6000	3.43	435	0.294-1.57	27.27-118.7
Конденсационная паровая турбина
Код	Мощность	Скорость	Давление на входе	Температура на входе	Давление на выхлопе	расход пара
	кВт	об/мин	МПа	С	МПа	Т/Н
М80	1500	5600-3000	1	300	0.0103	8.8
Q02	1500	6500-1500	2.35-0.2	390	0.0103	8.4
Q03	3000	5600-3000	2.35-0.2	390	0.0103	16.1

Преимущества паровых турбин:

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

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

Состав паровых турбин

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

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

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

Тепловые циклы паровых турби

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

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

Применение паровых турбин

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

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

Нужна более подробная информация — паровые турбины?

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