Для нагрева воды до газообразного состояния используются различные виды топлива. На тепловых электростанциях – мазут, газ, уголь, торф. На атомных электростанциях – энергия распада радиоактивного топлива. Можно использовать отработанный пар металлургической, химической и машиностроительной промышленности. Небольшие паровые турбины работают на бензине.
КПД теплового двигателя паровой турбины
Паровая турбина — Тепловой двигатель В котором энергия пара преобразуется в механическую работу. В лопатках паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого пара преобразуется в кинетическую , которая, в свою очередь, преобразуется в механическая работа – вращение вал турбины .
Паровые турбины, по определению, являются постоянно работающими тепловыми двигателями. Во время работы перегретый или насыщенный пар поступает в проточную часть и, расширяясь, заставляет ротор вращаться. Вращение происходит в результате воздействия потока пара на лопаточный аппарат. Паровая турбина – это та часть конструкции паровой турбины, которая предназначена для выработки электроэнергии. Существуют также установки, способные помимо электроэнергии вырабатывать тепловую энергию – пар, проходящий через лопатки паровой турбины, подается в сетевые водонагреватели. Такой тип турбин называется промышленно-термической или тепловой турбиной. В первом случае турбина обеспечивает отбор пара для промышленных целей. Вместе с генератором паровая турбина образует турбоагрегат. Установка, ввод в эксплуатацию и запуск турбин обычно осуществляются компаниями, имеющими большой опыт в этой области.
Конденсационные паровые турбины
Конденсационные паровые турбины предназначены для преобразования как можно большего количества тепла пара в механическую работу. Они работают путем сброса отработанного пара в конденсатор, где поддерживается вакуум (отсюда и название). Конденсационные турбины могут быть стационарными или переносными.
Паровые турбины имеют преимущества перед другими двигателями. Они позволяют получить высокую производительность и КПД в одном агрегате, использовать любой вид топлива для получения пара, использовать энергию, полученную в них, для получения пара или горячей воды; отличаются относительно небольшими размерами и надежны в эксплуатации.
Устройство и работа паровой турбины
Турбина – это тепловой двигатель, в котором нагретый до высокой температуры пар или газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.
Схема простейшего варианта паровой турбины показана на рисунке 1.
На валу 5 установлен диск 4. На ободе диска закреплены лопатки 2. Лопатки окружены трубами – соплами 1, в которые из котла поступает пар 3.
Принцип работы паровой турбины довольно прост. Из сопел выходят струи пара, которые оказывают значительное давление на лопатки. Таким образом, струи пара приводят диск турбины в быстрое движение. Таким образом, внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию.
В новейших технологиях используется несколько дисков, соединенных с общим валом. Таким образом, пар проходит через все лопасти дисков и одновременно передает часть своей энергии каждому диску.
Как работает паровая турбина
Принцип работы паровой турбины относительно прост, а ее внутренняя конструкция принципиально не менялась уже более века. Чтобы понять, как работает турбина, рассмотрим, как работает ТЭЦ – место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) преобразуется в электричество.
Паровая турбина не работает сама по себе; для ее работы необходим пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором сгорает топливо, передавая тепло трубам с дистиллированной водой, проходящим через котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.
Наглядная схема работы теплоэлектростанции, вырабатывающей как электроэнергию, так и тепло для отопления дома. Источник: Мосэнерго
Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопастями – как у большого вентилятора. За каждым таким диском находится статор – такой же диск с лопатками другой формы, который крепится не к валу, а к самому корпусу турбины и поэтому остается неподвижным (отсюда и название – статор).
Пара, состоящая из одного вращающегося диска с лопатками и статора, называется ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней – простой пропуск пара через одну ступень не сможет повернуть тяжелый вал турбины, который весит от трех до 150 тонн, поэтому ступени сгруппированы последовательно, чтобы извлечь из пара максимальную потенциальную энергию.
Пар подается в турбину при очень высокой температуре и давлении. Различают низкое (до 1,2 МПа), среднее (до 5 МПа), высокое (до 15 МПа), очень высокое (15-22,5 МПа) и сверхкритическое (более 22,5 МПа) давление пара. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет около 0,63 МПа, а внутри автомобильной шины – 0,2 МПа.
Чем выше давление, тем выше температура кипения воды и, следовательно, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560°C! Почему так много? Пар расширяется при прохождении через турбину, чтобы сохранить скорость потока и теряет температуру, поэтому необходим запас. Почему бы не перегреть пар еще больше? До недавнего времени это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным – нагрузка на турбину и котел становилась критической.
Как появились паровые турбины
Примерно в 18 веке до н.э. человечество уже использовало энергию стихий, преобразуя ее в механическую энергию для выполнения полезной работы – это были вавилонские ветряные мельницы. Ко II веку до н.э. Римская империя уже имела водяные мельницы, колеса которых приводились в движение бесконечным потоком воды из рек и ручьев. К первому веку нашей эры человек уже овладел потенциальной энергией пара, используя ее для приведения в движение искусственных систем.
Александрийский эолипил Герона стал первой и единственной реактивной паровой турбиной на последующие 15 веков. Источник: Американский механический словарь / Викимедиа
Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипила, который представлял собой шар, установленный на оси с трубками, выходящими из него под углом. Пар, подаваемый в сферу из кипящего котла, вытеснялся из трубок, заставляя сферу вращаться. В то время машина, изобретенная Героном, казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле древний ученый сконструировал первую паровую турбину, потенциал которой смог оценить лишь пятнадцать веков спустя. Современная копия эолипила развивает скорость до 1 500 оборотов в минуту.
В XVI веке забытое изобретение Герона было частично повторено сирийским астрономом Такиюддином аль-Шами, только вместо воздушного шара его приводило в движение колесо, на которое пар подавался прямо из котла. В 1629 году итальянский архитектор Джованни Бранка предложил похожую идею: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.
Активная паровая турбина Бранки выполняла по крайней мере некоторую полезную работу – она "автоматизировала" две мортиры.
Несмотря на то, что несколько изобретателей описали машины, преобразующие энергию пара в работу, до их полезного применения было еще далеко – технология того времени не позволяла создать паровую турбину с практическим КПД.
Кривая КПД турбины
Кривая КПД турбины для импульсных и реактивных турбин показана ниже.
КПД ступени или общий КПД турбины связан со ступенями лопаток.
КПД ступени – это отношение работы, выполненной лопаткой на кг пара, к энергии, подведенной к ступени (на кг пара).
КПД ступени можно также выразить как произведение КПД сопла и КПД лопатки.
В импульсной турбине имеются лопаточная и сопловая ступени. КПД ступени – это работа, выполненная в ступенях, и перепад энтальпии в соплах.
Почему турбина более эффективна, чем насос
Производительность насоса и турбины можно сравнить на основе переноса жидкости.
Потери давления в насосах выше, чем в турбинах. Эти потери можно уменьшить за счет уменьшения толщины пограничного слоя в турбине.
Рабочее тело в турбине расширяется от входного отверстия. На входе статическое давление и скорость постоянно увеличиваются. Увеличение кинетической энергии жидкости приводит к снижению потерь. Тонкий пограничный слой может снизить потери мощности.
В насосе пограничный слой толще из-за замедления для увеличения статического давления. Увеличение толщины приводит к увеличению потерь в насосе.
Как рассчитать КПД паровой турбины?
КПД – это отношение достигнутой работы к заданной работе.
КПД паровой турбины может быть рассчитан путем измерения количества работы, выполненной турбиной, на количество подведенной энергии. Количество поданной энергии зависит от количества поданного пара, а выходная мощность зависит от турбины.
Уравнение для расчета КПД турбины было объяснено в предыдущих разделах.
На паротурбинной электростанции КПД рассчитывается путем вычисления отношения количества произведенной электроэнергии к энергетическому эквиваленту сожженного топлива. КПД паровой электростанции зависит от каждого компонента, включая паровую турбину, котел, насос, электрогенератор и т. Д.
Как повысить эффективность паровой турбины?
Методы повышения эффективности паровой турбины:
- Улучшение конструкции лопаток турбины.
- Минимизация потерь на трение.
- Увеличение скорости пара путем оптимизации температуры и давления пара.
- Минимизация утечек пара в турбине.
Чтобы узнать больше о машиностроении, посетите нашу страницу механики.