Тема 9. Парові та газові турбіни

1. Парові турбіни.

2. Газові турбіни

Парові турбіни

Парова турбіна є складовою частиною паросилової установки (ПСУ). ПСУ застосовують на теплових і атомних електростанціях, криголамах, підводних атомних човнах і т. д. Принципова схема простішої ПСУ наведена на рис. 25. ПСУ складається з:

парогенератора, в якому живильна вода перетворюється у вологу насичену пару за рахунок теплоти згоряння палива або ядерної реакції;

пароперегрівник, в якому волога пара перетворюється у перегріту;

турбіна, в якій потенціальна енергія пари перетворюється у кінетичну, а потім остання - в механічну енергію на валу;

конденсатора, призначеного для конденсації відпрацьованої пари в турбіні з передачею теплоти охолоджуючій воді;

живильного насоса, призначеного для подачі водив парогенератор, тиск за насосом повинен перевищувати тиск в парогенераторі;

електрогенератора, призначеного для перетворення механічної енергії в електричну.

Рис. 25

Принципова схема роботи пари або газу в турбіні показана на рис 26. Турбіна складається із статора і ротора. Статор є нерухомою частиною, в якій розташовані соплові лопатки. На соплових лопатках 4 потенціальна енергія пари або газу перетворюється у кінетичну (тиск падає, швидкість зростає). Пара або газ з великою швидкістю виходять з соплових лопаток і потрапляє на робочі лопатки 3, розташовані на роторі турбіни 2. В результаті силової дії пари або газу на робочі лопатки ротор турбіни обертається і таким чином відбувається перетворення кінетичної енергії в механічну роботу.

На електростанціях механічна енергія вала турбіни передається через муфту валу електрогенератора. Електрогенератор перетворює механічну енергію в електричну. Соплові і робочі лопатки разом утворюють ступінь турбіни. Якщо розширення робочого тіла (падіння тиску) відбувається лише на соплових лопатках, ступінь турбіни називається активним. Турбіна, в який розширення відбувається на соплових і робочих лопатках, називається реактивною. На рис. 26 зображено схему одноступінчастої турбіни.

Рис. 26

В корпусі турбіни 4 установлена соплова решітка 3, робочі лопатки 7 закріплені на диску 8, який насаджено на вал 9. Відпрацьована пара або газ виходить крізь патрубок. На рис. 27 наведено процес розширення пари в ступені реактивної турбіни на діаграмі. Стан пари перед ступенем зображується точкою О. При ізоентропному розширенні в ідеальному ступені процес 0-1-2 (без теплообміну з оточуючим середовищем і втрат) наявний теплоперепад для всього ступеня дорівнює сумі наявних теплоперепадів на соплових і робочих лопатках. Процес ізоентропного розширення у соплових лопатках зображується відрізком 0-1, а на робочих – 1-2.

Рис. 27 - Схема турбінного ступеня 1 - діафрагмове ущільнення; 2 – діафрагма; 3 – соплова решітка; 4 – корпус турбіни; 5 – надбандажне ущільнення; 6 – стрічковий бандаж; 7 – робоча решітка; 8 – диск; 9 - вал	Рис. 28 - Процес розширення пари у турбінному ступені на i-s діаграмі

 

Відношення наявного теплоперепаду на робочих лопатках до наявного

теплоперепаду ступеня називається ступенем реакції . Ступінь турбіни, в якому ступінь реакції дорівнює нулю, називається активною. На практиці чисто активних ступенів не будують, з метою підвищення економічності ступені виконують з невеличким ступенем реакції. Ступінь турбіни з реактивністю вважають активним.

Внаслідок тертя пари або газу об стінки лопаток і інших втрат енергії в дійсному процесі розширення відбувається зростання ентропії. Дійсний теплоперепад на ступені дорівнює сумі дійсних теплоперепадів на соплових і робочих лопатках . Відносний внутрішній ккд ступеня визначається за формулою і показує частку теплоперепаду, перетвореного в механічну роботу від роботи, яку виконує ідеальна турбіна при ізоентропному розширенні. Електрична потужність турбіни дорівнює

,

де D – витрати пари, кг/с;

η_м - механічний ккд, враховує втрати енергії на тертя в підшипниках і привід допоміжних пристроїв, приєднаних до вала турбіни;

η_ел – ККД електрогенератора, враховує втрати енергії на тертя в підшипниках і в навколишнє середовище внаслідок високої температури обмоток генератора.

На рис. 28 наведена розгортка кільцевого розрізу активного ступеня турбіни, а також показані графіки зміни тиску Р і швидкостей потоку. Пара або газ виходить із соплових лопаток з абсолютною швидкістю с₁, ця швидкість одночасно є абсолютною швидкістю на вході до робочих лопаток, при цьому робоче тіло розширюється, від тиску до

де коефіцієнт швидкості, котрий враховує втрати енергії на соплових лопатках;

с_о – швидкість робочого тіла на вході до соплових лопаток.

На робочих лопатках робоче тіло приймає участь у двох рухах - переносному з коловою швидкістю u і відносному із швидкістю w. Абсолютна швидкість пари або газу на вході до робочих лопаток , визначається як сума векторів колової швидкості і відносної швидкості

.

Рис. 29 - Трикутники швидкостей ступені

В загальному випадку на робочих лопатках пара або газ розширюється від тиску до , змінює напрямок руху і передає кінетичну енергію робочим лопаткам. Відносна швидкість потоку при виході з робочих лопаток становить

,

де коефіцієнт швидкості, котрий враховує втрати енергії на робочих лопатках.

Абсолютна швидкість пари на виході з робочих лопаток дорівнює , і спрямована під кутом . Трикутники, за якими визначаються швидкості та , показані на рис. 28. Ці трикутники будують сумісно і називають трикутниками швидкостей. Трикутники швидкостей застосовують для побудови профілів соплових і робочих лопаток.

Крім втрат, виникаючих при обтіканні соплових і робочих лопаток, в ступені турбіни існує ще втрата з вихідною швидкістю , яка є найбільшою за попередні і становить для 1кг робочого тіла

Аналіз показує, що ккд активного ступені буде максимальним при . Ступінь з довільним ступенем реакції має максимальний ККД при

оптимальному відношенні ,

де – фіктивна швидкість, яку можна одержати при ізоентропному розширенні в соплах без втрат.

Для ступенів активного типу оптимальне відношення x_опт становить 0,42÷0,55, для реактивних 0,55÷0,65. Робочі лопатки обертаються разом з ротором і мають кутову швидкість . Колова швидкість робочих лопаток складає . Міцність сучасних матеріалів дозволяє виготовляти робочі лопатки, які витримують колові швидкості 350÷450 м/с. При цих умовах оціночне значення теплоперепаду, який спрацьовується на одному ступені, становить

При діаметрі ступені , частоті обертання і теплоперепад на ступені становить . Якщо параметри пари перед турбіною становлять , а тиск за турбіною - , наявний теплоперепад у турбіні дорівнює

.

 

Рис. 30 - Поздовжній розріз турбіни К-200-130 1- підшипник; 2 – циліндр високого тиску; 3 – регулюючий клапан ЦВТ; 4 – муфта; 5 - регулюючий клапан ЦСТ; 6 – циліндр середнього тиску; 7- циліндр низького тиску: 8– паропровід; 9 – ущільнення; 10 – вихлопний патрубок; 11 – валоповоротний пристрій; 12, 13, 14 – робочі лопатки ЦВТ, ЦСТ, ЦНТ; 15 – соплові лопатки ЦНТ.

Отже, наявний теплоперепад в турбіні набагато перевищує теплоперпад на ступені , тому турбіни виготовляють багатоступінчастими. Висота лопаток по мірі руху пари збільшується, внаслідок зростання об'єму робочого тіла при падінні тиску. Парові турбіни великої потужності мають – циліндр високого тиску (ЦВТ), циліндр середнього тиску (ЦСТ) і один чи декілька циліндрів низького тиску (ЦНТ). Сила, з якою 1 кг пари або газу діє на робочі лопатки визначається з рівняння кількості руху в проекції на напрямок колової швидкості і дорівнює .

Робота 1 кг пари або газу за одну секунду на робочих лопатках становить

.

На рис. 29 показана одновальна турбіна К-200-130 потужністю

200 МВт з початковими параметрами пари Р_пп =12,75 МПа і t_пп =565^оС з проміжним перегрівом пари до t =565^оС і тиском в конденсаторі Р_к=3,46 кПа при частоті обертів 501/с. Після стопорного клапана пара потрапляє до чотирьох регулюючих клапанів циліндра високого тиску (ЦВТ) 5, який має дванадцять ступенів. З ЦВТ пара надходить до проміжного пароперегрівача звідки з параметрами Р_пр =2,31 МПа і t_пр =565^оС надходить до двох стопорних клапанів 5 турбіни середнього тиску 6. (ЦСТ) 6, який має одинадцять ступенів. З параметрами 0,16 МПа і 235^оС пара після ЦСТ по двох ресиверних паропроводах діаметром 1,52 надходить до двопотокового ЦНТ 7. Кожний потік включає чотири ступені.

Газові турбіни

Газова турбіна є складовою частиною газотурбінної установки (ГТУ). ГТУ застосовують на електростанціях, газоперекачуваючих станціях магістральних газопроводів для привода нагнітачів, літаках в якості двигунів і т.д. Принципова схема простішої ГТУ наведена на рис. 31. ГТУ складається з:

повітряного компресора 2, який стискає повітря до необхідного тиску;

камери згоряння 3, в яку потрапляє повітря і паливо та відбувається його спалення за допомогою форсунок;

турбіни 4, в який потенціальна енергія газів перетворюється у кінетичну, а потім остання - в механічну енергію на валу;

електрогенератора;

⇐ Предыдущая14151617181920212223

Поделиться:

Читайте также:

Електричні та газові плити

Воспользуйтесь поиском по сайту: