Принцип работы турбины

03.05.2016

Термин «турбо» практически у всех на слуху. Свистит турбина, ревёт прямоток. Хоть единожды в жизни любому автолюбителю приходила в голову идея заиметь «турбомонстрика». Любому хочется увеличить поголовье «коняшек» под капотом. Но чаще всего приходится отказываться от мечты по причине мнимой дороговизны и непрактичности. Соответствует ли это реальности? Давайте разберёмся, как работает турбина, принцип действия турбины, обратившись к теории.

Мощность движка напрямую зависит от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Назначение турбины увеличить подачу воздушно-топливной смеси. Мощность мотора повышается пропорционально увеличению количества сжигаемого за единицу времени топлива. Но для горения бензина необходим недюжинный запас воздуха в моторе. То есть, чем больше сжигаем бензина, тем большее количество воздуха нужно, которое необходимо «впихнуть» в мотор (именно, «впихнуть», так как сам мотор не справится с забором такого количества воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помощники).

Вот тут и выходит на сцену устрашающая маленькая деталь турбина.

У турбины нагнетатель-крыльчатка размещён на едином валу с турбиной-крыльчаткой, встроенной в выпускной коллектор, и приводимой в движение вращения с помощью отработанных газов. Величина частоты вращения часто выше 200 тыс. об/мин.

И здесь проявляется один минус: при резком нажатии газа, надо ждать увеличение оборотов мотора, увеличение давления выхлопных газов, раскрутку турбины, и загонку воздуха. Это явление называется turbo-lag (турбо-яма), и сегодня его умеют укрощать, справляться с данным эффектом. Для этих целей применяются два клапана. Один для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. Другой клапан для отработанных газов.

Управление первым клапаном осуществляем, помимо прочего, давлением, возникающим во впускном коллекторе. Благодаря этому при сбросе газа немного снижается частота вращения турбинного ротора, а при очередном нажимании на педаль, подача воздуха задерживается на крохотные доли секунды время, пока закрывается клапан.

В современных технологиях используется такой метод регулировки воздухоподачи, как изменение угла наклона компрессорных лопаток. Эта методика разработана давно, но долгое время не получалось применять её на практике. Примером может послужить в данном случае новое устройство наддува дизелей «Экотек» фирмы Opel. Основной недостаток применения турбин короткий срок службы. Это происходит из-за высокой частоты вращения турбинного ротора, которая составляет 150-200 тыс. об/мин.

До сегодняшнего дня ограничение срока службы происходило благодаря долговечности подшипников. Практически, это были особые вкладыши, похожие на вкладыши коленчатого вала, смазываемые под давлением маслом. Степень износа таких подшипников была велика, но шарикоподшипники не могли выдержать высоких температур и высокой частоты вращения. Недавно был найден оптимальный выход. А именно, были разработаны подшипники с применением керамических шариков, заполненных постоянно имеющимся резервом смазки, что делало ненужным канал от нормативной масляной системы движка.

В проектах турбинный ротор из металлокерамики, обладающий меньшей инерцией и более лёгким весом (на 20% легче).

Существуют термины «твин-турбо» и «би-турбо». Бывает, что используют параллельно или последовательно две установки турбокомпрессоров, вместо одной. Диапазоны работ роторов управляются разными способами при последовательном наддуве.

Понятие «интеркулер» означает, что при неизбежном нагревании воздуха, который сжимается, в нём уменьшается содержание кислорода и плотность.

Поэтому воздух перед подачей нуждается в охлаждении в радиаторе, дополнительно встроенном, который называется интеркулером.

Как обеспечить максимально эффективную работу турбонаддува в сложных конструктивных условиях?

При запуске двигателя вал начинает обильно смазываться маслом, подающимся на подшипники по каналам. Во время вращения двигателя создаётся давление, под которым турбина нормально действует. При остановке двигателя перестаёт функционировать и масляный насос, а вот вал мгновенно затормозить не может, и работает по инерции уже без смазки.

Чтобы дольше сохранить от износа вал, надо регулярно менять фильтры и масло, которое предназначено именно для турбонаддувных двигателей. И обязательно надо давать двигателю прогреться, не глушить его в один момент, а дать поработать на холостом ходу какое-то время. Это обеспечит запас времени для охлаждения деталей. Целесообразна также установка турбо-таймера, если он не предусмотрен конструктивно в автомобиле.

Первые сигналы того, что надо обращаться в ремонтную контору появление густого белого дыма из глушителя и падение мощности. Это означает износ подшипников и уплотнительного кольца возле турбинной крыльчатки. Резко возрастает расход масла. Случается, что дыма нет, но мощность всё равно низка, а у дизелей регулярный чёрный дым, свидетельствующий об износе наддува и скоплении нагара, что приводит к недостатку воздуха и торможению рабочих оборотов компрессора.

#PICTURE_2#

Очевидно, что эксплуатация турбонаддува не является сложной процедурой, необходимо лишь следующее:

1. аккуратность,
2. своевременная смена фильтров и масла,
3. применение определённых сортов масла,
4. осторожность в отношении перегрева турбонаддува по причине долгой езды на высоких оборотах, или дефектов в системе впрыска и зажигания.

Не менее важные моменты состояние воздушного фильтра, его чистота. Нарушение целостности фильтра приводит к прониканию частиц пыли, разрушительно влияющих на срок службы компрессорной крыльчатки и двигателя.

В целом, от того, как мы обращаемся с турбонаддувом, зависит то, какой срок он прослужит.

Следует помнить, что погубить турбонаддув можно в течение двух дней, если при появлении первых симптомов не обратиться сразу в ремонтную фирму. Поэтому не следует затягивать с ремонтом, и желательно выполнять все вышеперечисленные рекомендации для предотвращения возникновения неполадок.

Как неисправная турбина влияет на работу двигателя? читать статьи на Турбору

Подписывайтесь на наши соц.сети!

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОЕ СОГЛАШЕНИЕ

Я, субъект персональных данных, в соответствии с Федеральным законом от 27 июля 2006 года № 152 «О персональных данных» предоставляю ООО «Мега групп» (далее — Оператор), расположенному по адресу 115191, г.

Москва, Духовской переулок, дом 17, стр. 15, согласие на обработку персональных данных, указанных мной в форме веб-чата и/или в форме заказа обратного звонка на сайте в сети «Интернет», владельцем которого является Оператор.

Состав предоставляемых мной персональных данных является следующим: ФИО, адрес электронной почты и номер телефона.
Целями обработки моих персональных данных являются: обеспечение обмена короткими текстовыми сообщениями в режиме онлайн-диалога и обеспечение функционирования обратного звонка.
Согласие предоставляется на совершение следующих действий (операций) с указанными в настоящем согласии персональными данными: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу (предоставление, доступ), блокирование, удаление, уничтожение, осуществляемых как с использованием средств автоматизации (автоматизированная обработка), так и без использования таких средств (неавтоматизированная обработка).

Я понимаю и соглашаюсь с тем, что предоставление Оператору какой-либо информации о себе, не являющейся контактной и не относящейся к целям настоящего согласия, а равно предоставление информации, относящейся к государственной, банковской и/или коммерческой тайне, информации о расовой и/или национальной принадлежности, политических взглядах, религиозных или философских убеждениях, состоянии здоровья, интимной жизни запрещено.
В случае принятия мной решения о предоставлении Оператору какой-либо информации (каких-либо данных), я обязуюсь предоставлять исключительно достоверную и актуальную информацию и не вправе вводить Оператора в заблуждение в отношении своей личности, сообщать ложную или недостоверную информацию о себе.
Я понимаю и соглашаюсь с тем, что Оператор не проверяет достоверность персональных данных, предоставляемых мной, и не имеет возможности оценивать мою дееспособность и исходит из того, что я предоставляю достоверные персональные данные и поддерживаю такие данные в актуальном состоянии.
Согласие действует по достижении целей обработки или в случае утраты необходимости в достижении этих целей, если иное не предусмотрено федеральным законом.
Согласие может быть отозвано мною в любое время на основании моего письменного заявления.

Поток и работа паровой турбины

Паровые турбины являются одной из старейших и наиболее универсальных технологий первичных двигателей, которые до сих пор широко используются. Они приводят в движение бесчисленное количество машин и производят электроэнергию на многих заводах по всему миру. Паровые турбины используются уже более 120 лет, когда они заменили поршневые паровые двигатели из-за их более высокой эффективности и более низкой стоимости. Мощность паровой турбины может варьироваться от 20 киловатт до нескольких сотен мегаватт (МВт) для больших приводов.

Паровая турбина используется для производства максимального количества механической энергии с использованием минимального количества пара в компактном приводном устройстве, обычно в конфигурации с прямым приводом. Возможности изменения или регулировки скорости также важны для паровых турбин. В настоящее время паровые турбины широко используются в различных приводных устройствах для механических приводов и энергоблоков и производят около 1 миллиона (МВт) мощности по всему миру.

Ротор паровой турбины представляет собой вращающийся компонент, к которому прикреплены колеса и лопасти. Лопасть — это компонент, извлекающий энергию из пара.

Конструкции и типы паровых турбин

Доступны два основных типа конструкций паровых турбин. Один из них представляет собой импульсную конструкцию, в которой ротор вращается под действием силы пара, воздействующей на лопасти. Другой представляет собой реактивную конструкцию, и он работает по принципу, согласно которому ротор получает свою вращательную силу от пара, покидающего лопасти.

Пар обычно входит с одного конца, движется в одном направлении к другому концу секции и выходит из кожуха для повторного нагрева или передачи в следующую секцию. Однако в двухпоточной паровой турбине пар поступает посередине и течет в обоих направлениях к концам секции. Двухпоточные схемы были популярны много лет назад. За исключением особых обстоятельств, они не рекомендуются для современных приложений.

Конденсационная

Основным типом паровой турбины является конденсационная паровая турбина, которая используется для больших приводов выше определенного предела номинальной мощности (скажем, как очень грубое указание, выше 8 МВт). Эти паровые турбины выпускают воздух непосредственно в один или несколько конденсаторов, которые поддерживают условия вакуума на выходе из паровой турбины. Массив трубок с охлаждающей водой конденсирует пар в воду (жидкость) в конденсаторе.

Вакуум в конденсаторе возникает, когда охлаждающая вода, близкая к температуре окружающей среды, конденсирует пар (выхлоп турбины) в конденсаторе. Поскольку известно, что небольшое количество воздуха просачивается в систему при давлении ниже атмосферного, для удаления неконденсирующихся газов из конденсатора обычно используется относительно небольшой компрессор. Неконденсирующиеся газы могут включать воздух, небольшое количество побочного продукта коррозии, вызванного реакцией вода-железо, и водород.

Процессы конденсационной паровой турбины обеспечивают максимальную механическую мощность и КПД за счет подачи пара. Однако выходная мощность конденсационных паровых турбин чувствительна к температуре окружающей среды. Конденсационные паровые турбины дороги, громоздки, сложны и менее пригодны для механического привода. Паровые турбины, особенно для малых и средних машин, пропускают пар вокруг лопаточных рядов и торцевых уплотнений. Когда конец находится под низким давлением, как в случае с конденсационными паровыми турбинами, в систему может попасть воздух. Из-за утечек вырабатывается меньше энергии, чем ожидалось.

Противодавление

Другим типом паровой турбины является паровая турбина противодавления, которая является наиболее подходящим оборудованием для механических приводов, таких как приводы компрессоров или насосов. Термин противодавление относится к паровым турбинам, которые выбрасывают пар при давлении выше атмосферного. Давление нагнетания обычно устанавливается конкретным применением пара в установке. Более низкие давления часто используются в небольших и крупных устройствах низкого давления (НД), таких как системы отопления, а более высокие давления часто используются при подаче пара в промышленные процессы.

Промышленные процессы часто включают в себя дальнейшее расширение для других меньших механических приводов с использованием небольших паровых турбин для привода вращающегося оборудования (например, масляных насосов), которые непрерывно работают в течение длительного времени. Значительная способность выработки механической энергии приносится в жертву, когда пар используется при заметном давлении, а не расширяется до вакуума в конденсаторе. Выпуск пара в парораспределительную систему при манометрическом давлении 10 бар (бар изб.) может пожертвовать примерно половиной мощности, которая могла бы быть выработана, когда условия пара на входе составляют около 50 бар изб. и 420°C, что типично для малых и средних паровых турбин.

Между выходной механической мощностью конденсационной паровой турбины и комбинацией мощности и пара паровой турбины с противодавлением может быть обеспечено практически любое отношение мощности к теплу. Паровые турбины с противодавлением могут иметь множество различных противодавлений, что еще больше увеличивает изменчивость отношения мощности к теплу.

Вытяжка

Третий тип паровых турбин — это вытяжные паровые турбины. Вытяжная турбина имеет в корпусе одно или несколько отверстий для отбора части пара при некотором промежуточном давлении. Извлеченный пар может быть использован в технологических целях. Давление отбора пара может или не может регулироваться автоматически в зависимости от конструкции паровой турбины.

Регулируемый отбор позволяет лучше регулировать расход пара через паровую турбину для выработки дополнительной механической энергии в зависимости от рабочих сценариев. В некоторых специальных паровых турбинах может быть предусмотрено несколько точек отбора, каждая с разным давлением, соответствующим разной температуре, при которой на установке требуется отопление (или другие услуги).

Конкретные потребности объекта в паре и электроэнергии с течением времени определяют степень извлечения пара. В больших, часто сложных установках дополнительный пар может подаваться (поступать в корпус и увеличивать поток в паровом тракте) к паровой турбине. Часто это происходит, когда несколько котлов и систем производства пара используются при разном давлении из-за сложности установки и необходимости достижения максимальной тепловой эффективности или ее исторического существования (на сложных установках, которые подвергались нескольким реконструкциям и расширениям). Эти паровые турбины называются входными паровыми турбинами. Производители адаптировали требования клиентов к конструкции, изменяя площадь проходного сечения в ступенях и степень извлечения пара (или удаления из пути потока между ступенями) в соответствии со спецификациями. В местах отбора и впуска пара регулирующие клапаны потока пара обычно увеличивают стоимость пара и системы управления.

Когда пар расширяется за счет степени высокого давления, как в больших паровых турбинах, пар может начать конденсироваться в турбине, когда температура пара падает ниже температуры насыщения при этом давлении. Если в паровой турбине образуются капли воды, может произойти эрозия лопастей, когда капли ударяются о лопасти. В этот момент расширения пар иногда возвращается в котел и повторно нагревается до высокой температуры, а затем возвращается в паровую турбину для дальнейшего (безопасного и надежного) расширения. В некоторых крупных паротурбинных установках чрезвычайно высокого давления также могут быть установлены системы двойного промежуточного нагрева.

Паровые турбины с отводом и впуском являются специальными машинами, и их следует использовать только там, где они действительно необходимы, поскольку их работа и управление всей системой сложны и иногда могут приводить к эксплуатационным проблемам. Паровые турбины, использующие отбор и впуск, представляют собой сложные турбомашины со сложным управлением и работой, которые должны одновременно управлять паровыми турбинами (часто с переменной нагрузкой) с различным управлением расходом пара в зависимости от требований других агрегатов и систем. Их следует использовать только на специальных крупных объектах, в которых другие более простые паровые турбины не могут быть коммерчески конкурентоспособными с точки зрения их мощности, теплового КПД или других соображений. Обычно использование сложной паровой турбины с отбором и впуском не оправдано для эксплуатации с мощностью в несколько мегаватт и сложными схемами работы паровой турбины с переменной нагрузкой и переменной скоростью.

Поток пара, работа и конструкция

Пар сначала нагревается в системе производства пара (например, в котлах или системах утилизации тепла), где он достигает высокой температуры, примерно от 400°C до 600°C. Первым клапаном, с которым сталкивается пар на пути от системы производства пара к паровой турбине, является главный запорный клапан (главный отключающий или запорный клапан), который либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Этот клапан часто не регулирует поток пара, кроме как полностью останавливает его.

Рис. 2. Показан еще один пример паровой турбины с внутренними частями, компонентами и подсистемами.

Регулирующие или дросселирующие клапаны в различных устройствах и конфигурациях также используются для управления подачей пара. Также распространены комбинированные отключающие и дроссельные клапаны. Во многих паровых турбинах для надлежащего резервирования следует предусмотреть как минимум два независимых отключающих клапана. Эти клапаны находятся непосредственно перед паровой турбиной и рассчитаны на то, чтобы выдерживать полную температуру и давление пара. Эти клапаны необходимы, потому что, если механическая нагрузка будет потеряна, паровая турбина быстро выйдет из строя и выйдет из строя. Это случайное явление. К этому может привести необычная первопричина, например отказ муфты. Возможны и другие аварии, что подтверждает необходимость использования двух или трех независимых запорных клапанов, которые обеспечивают безопасность и надежность, но увеличивают стоимость системы.

Приводы паровых турбин оснащены дроссельными клапанами или регуляторами форсунок для регулирования расхода пара и обеспечения работы с переменной скоростью. Привод паровой турбины может выполнять ту же функцию, что и привод электродвигателя с регулируемой скоростью. Паровые турбины обычно могут работать в широком диапазоне скоростей и не выходят из строя при перегрузке. Они также обеспечивают высокий пусковой крутящий момент, необходимый для нагрузок с постоянным крутящим моментом, например, объемных насосов или компрессоров.

Пар попадает на первый ряд лопастей под таким высоким давлением, что он может создавать крутящий момент даже с небольшой площадью поверхности. Воздействие пара заставляет ротор вращаться. Однако по мере продвижения ступеней паровой турбины пар теряет давление и энергию, поэтому требуется все большая площадь поверхности. По этой причине размеры лопастей увеличиваются с каждым этапом. Когда пар выходит из турбины, его температура падает, и он теряет почти все свое повышенное давление. Некоторый перепад давления также происходит через диафрагму, которая является компонентом между внешней стенкой и внутренней стенкой. Перегородки диафрагмы направляют пар к вращающимся лопастям.

Пар должен падать на лопасти под определенным углом, который максимизирует полезную работу давления пара. Здесь на помощь приходят насадки. Между лопастными колесами размещены стационарные кольца форсунок, которые «поворачивают» пар под оптимальным углом для удара по лопастям. Упорный подшипник установлен на одном конце главного вала для поддержания его осевого положения и предотвращения столкновения движущихся частей с неподвижными частями. Подшипник скольжения поддерживает основной вал и предотвращает его выскальзывание из корпуса на высоких скоростях.

Вытяжной колпак отводит пар от последней ступени паровой турбины и предназначен для минимизации потерь давления, которые снижают тепловой КПД паровой турбины. После выхода пара из выпускной секции он поступает в конденсатор, где охлаждается до жидкого состояния. Процесс конденсации пара обычно создает вакуум, который затем подает больше пара из паровой турбины. Вода возвращается в систему производства пара, повторно нагревается и используется повторно. Регулятор — это устройство, которое регулирует скорость вращения турбины. Современные паровые турбины имеют электронный регулятор, который использует датчики для контроля скорости, исследуя зубья ротора.

Чтобы спроектировать более эффективную паровую турбину, следует использовать корпус с соответствующими соплами и лопастями для удержания пара и клапанами для управления подачей пара к соплам. Толстостенные отливки, используемые для секций турбин, работающих под давлением, называются обечайками и обычно изготавливаются из материалов из легированной стали. Некоторые конструкции включают внутреннюю и внешнюю оболочки, которые служат для уравновешивания перепада давления и уменьшения толщины оболочки для теплового напряжения, запуска и нагрузки. Многоступенчатые конструкции используются для повышения эффективности. Тип и количество ступеней турбины, а также форма и размер лопастей различаются. Они определяются на основе давления и температуры пара, давления выхлопных газов и скорости.

Когда ротор паровой турбины неподвижен, пар, проходящий через сопло, с полной силой ударяет по лопастям, создавая наибольший крутящий момент. Однако, поскольку это происходит при остановленном роторе, выполненная работа равна нулю. С другой стороны, если скорость ротора равна скорости пара, то у пара не будет составляющей скорости относительно лопастей, и лопасти не будут вращаться. Следовательно, этот случай приводит к нулевому крутящему моменту и, опять же, к нулевой работе. Максимальная эффективность возникает между этими двумя крайностями. Для достижения идеальных рабочих условий и максимальной эффективности необходимо провести надлежащую оптимизацию.

Из-за высоких давлений, используемых в паровых турбинах, корпус имеет большую толщину, и, следовательно, паровые турбины имеют большую тепловую инерцию. Их следует нагревать и охлаждать медленно, чтобы свести к минимуму дифференциальное расширение между вращающимися лопастями и неподвижными компонентами. Для прогрева больших паровых турбин может потребоваться от пяти до девяти часов. В то время как более мелкие агрегаты имеют более быстрое время пуска, паровые турбины заметно отличаются от поршневых двигателей, которые запускаются быстро, и от газовых турбин, которые могут запускаться за умеренное время, а нагрузка следует с достаточной скоростью.

Паровые турбины обычно работают непрерывно в течение продолжительных периодов времени, даже несмотря на то, что пар, подаваемый в установку, и подаваемая механическая мощность могут изменяться в течение таких периодов непрерывной работы. Поскольку большинство паровых турбин выбираются для приложений с высокими коэффициентами нагрузки, характер их применения часто учитывает необходимость иметь только медленные изменения температуры во время работы, и можно допустить длительное время запуска. Паровые котлы также имеют длительное время запуска.

Течение, износ и деградация

Примеси в паре могут вызывать отложения, накипь и коррозию в паровых турбинах, что неблагоприятно влияет на их работу. Тремя наиболее важными механизмами отказа, связанными с коррозией, в любой паровой турбине низкого давления являются точечная коррозия, коррозионная усталость и коррозионное растрескивание под напряжением. Местная паровая среда определяет, возникают ли эти механизмы повреждения на поверхностях лопаток и дисков.

Особенно важна зона фазового перехода, где расширение и охлаждение пара приводит к конденсации. Ряд процессов, протекающих в этой зоне, таких как осаждение химических соединений из перегретого пара, осаждение, испарение и высыхание жидких пленок на горячих поверхностях, приводит к образованию потенциально агрессивных поверхностных отложений.

Чистота пара и условия отключения — два параметра, которые приводят к коррозионным повреждениям. Условия окружающей среды, возникающие во время останова, могут быть еще одним важным фактором. Это условия, возникающие при незащищенном останове, когда в результате гигроскопических эффектов на поверхностях паровых каналов образуются насыщенные кислородом влажные и жидкие пленки. Эти пленки непосредственно вызваны неадекватной практикой останова, принятой бригадой по эксплуатации/обслуживанию паровой турбины или бригадой в целом. Они могут привести к точечной коррозии, которая чаще всего является предшественником механизмов коррозии.

Соответствующие свойства материала (такие как состав, структура и внутренние напряжения) и конструкция (температура, напряжения и щели) также играют важную роль. Точечная коррозия также может возникнуть во время работы в щелях, например, в местах крепления лопастей. Чистота пара контролирует большинство процессов коррозии и имеет жизненно важное значение для надежности паровой турбины.

В результате отложений могут возникать механические блокировки. Блокировки в чувствительных местах, хотя и редко, обычно имеют серьезные последствия. Например, даже небольшие отложения на штоке обратного клапана паровой турбины могут нарушить его работу. В случае отключения паровой турбины неисправный обратный клапан может привести к продолжению потока пара и некоторому повреждению турбины. Кроме того, отложения на стационарных деталях, если они достаточно толстые и прочные, могут препятствовать движению лопастей, что представляет особый риск механического повреждения небольших лопастей.

Закупорка пути потока пара изменяет соотношение давлений в паровой турбине таким образом, что это может вызвать осевое смещение вала. Это может привести к контакту между вращающимися и неподвижными частями, что может привести к серьезному отказу. Такие условия часто обнаруживаются и избегаются путем контроля давления в паровой турбине.

Более частым, но менее значимым результатом перекрытия потока пара является снижение пропускной способности (поглотительной способности) паровой турбины и изменение эффективного профиля потока пара на лопатках паровой турбины. Эти изменения приводят к уменьшению расхода пара, уменьшению выходной мощности и снижению эффективности турбины. Типичными примерами являются отложения меди и алюминия в паровых турбинах высокого давления и отложения кремнезема в турбинах среднего и низкого давления.

Амин Алмаси — старший консультант по вращающимся механизмам в Австралии. Он является сертифицированным профессиональным инженером Engineers Australia и IMechE и имеет степени бакалавра и магистра в области машиностроения и RPEQ. Он является активным членом Engineers Australia, IMechE, ASME и SPE и является автором более 100 документов и статей, посвященных вращающемуся оборудованию, мониторингу состояния, морской и подводной эксплуатации, а также надежности.

Что такое паровая турбина и как она работает?

Паровая турбина была важным компонентом в процессах, связанных с производством энергии. По мере того, как общество все больше и больше вовлекается в рассмотрение того, как создается энергия, а также устойчивость и эффективность процесса, решение вопроса «что такое паровая турбина» и как эту технологию можно улучшить, становится важным.

Позвольте нам провести вас через краткий, но содержательный путеводитель по паровой турбине: что это за компонент, его функции и разработки в паровой турбине, которые способствуют повышению эффективности.

Что такое паровая турбина? Определение

Паровая турбина представляет собой машину, относящуюся к категории тепловой машины, способную извлекать тепловую энергию из пара и преобразовывать ее во вращательные движения.

Современная версия паровой турбины была изобретена Чарльзом Парсонсом в 1884 году и основана на принципах термодинамического КПД с упором на различные стадии расширения пара.

Какова функция паровой турбины?

Паровая турбина стала ключевым компонентом в производстве энергии. Как было сказано выше, паровая турбина преобразует энергию пара в пар во вращательное движение. В сочетании с генератором это затем преобразуется в электричество.

Паровые турбины используются в ключевых процессах производства энергии, включая тепловые электростанции и схемы централизованного охлаждения.

Распространенность этого типа производства энергии можно измерить, взглянув на перспективы его рыночной стоимости: в отчете Global News Wire о рынке паровых турбин прогнозируется совокупный годовой темп роста (CAGR) для этого рынка на уровне 4,41% с 2022 по 2026 год.

Как работает паровая турбина?

• Паровая турбина использует источник тепла для нагрева воды и преобразования ее в пар. Эти источники тепла варьируются от газа, угля до атомной или солнечной энергии
.
• Молекулы воды расширяются благодаря этому процессу
Затем
• пар проходит через лопасти турбины, которые за счет вращения превращают тепловую энергию пара в кинетическую энергию. Лопасти способны контролировать скорость, направление и давление пара. Следуя структуре, в которой постепенно делаются только небольшие приращения, это означает, что турбины могут снижать давление пара и, таким образом, улучшать электрическую мощность и эффективность
• Паровая турбина подключена к генератору, отвечающему за производство электрического тока

КПД паровой турбины

Вообще говоря, термин КПД турбины описывает соотношение получаемой электрической мощности по сравнению с требуемой подводимой мощностью источника тепла. В контексте роста цен на источники тепла (такие как природный газ), а также повышенного внимания к устойчивости нельзя недооценивать эффективность паровых турбин.

Короче говоря, более высокая эффективность турбины снижает эксплуатационные расходы и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду.

Четкое понимание формулы КПД турбины остается важным инструментом для операторов, стремящихся снизить расход топлива и повысить рентабельность. Учитывая, что затраты на топливо не зависят ни от одного оператора, ключевым моментом остается рассмотрение эффективности турбины.

Температурные показатели также являются ценной информацией для операторов. Этот показатель связывает электростанции со значениями теплового КПД и сравнивает количество тепла, способного произвести 1 киловатт-час (кВтч) электроэнергии. Он обратно пропорционален КПД электростанции и связан с тремя ключевыми понятиями: выходной электрической мощностью, условиями эксплуатации и конструкцией электростанции.

Повышение теплопроизводительности может принимать разные формы и формы, и одной из них является повышение производительности паровой турбины. Опять же, эта стратегия рассматривает выходную мощность турбины по сравнению с используемыми ресурсами для измерения эффективности.

Ключевые разработки в этой области включают в себя включение конструкций парогенератора-утилизатора тепла (HRSG) и решений для охлаждения воздуха на входе в турбину (TIAC) ​​в сочетании с аккумулированием тепловой энергии (TES), последнее особенно важно в местах с экстремальными погодными условиями.

Типы паровых турбин

Существуют различные критерии, которыми можно руководствоваться при классификации паровых турбин. К ним относятся, среди прочего, методы строительства, размеры или рабочее давление. Ниже приведены две основные классификации:

Импульсные и реактивные турбины

• Импульсные турбины работают на основе перегретого пара, проходящего через лопатки турбины с высокими скоростями, создавая вращательное движение и кинетическую энергию в турбине. это 9Тип 0015 турбины допускает большие перепады давления на отдельные ступени, так что можно рассматривать меньшее количество ступеней. Это, в свою очередь, способствует повышению эффективности на низких скоростях.
• Работа реактивных турбин основана на прохождении пара от неподвижных лопастей к формованным соплам лопастей ротора, что вызывает реакцию и вращение вала турбины. Это оборудование, изобретенное сэром Чарльзом Парсонсом и также известное как турбина Парсонса, работает с паром, расширившимся на предыдущих этапах через неподвижное сопло. Это преобразует потенциальную энергию в кинетическую энергию, поскольку пар сталкивается с лопастями и подвергается дальнейшему расширению, что в результате приводит к вращению роторов. Таким образом, перепады давления происходят на разных стадиях, потому что перепады давления на каждой ступени ниже. В результате пар, который достигает турбины, представляет собой более низкое давление и температура , чтобы можно было достичь наилучшей эффективности. Помимо более высокой эффективности, еще одно ключевое отличие импульсных турбин заключается в том, что реакционному оборудованию обычно требуется большее количество рядов лопаток для выработки той же тепловой энергии, что влияет на больший размер и вес реактивных турбин .

Конденсационные и неконденсационные турбины

• Конденсационные турбины работают за счет конденсации пара для достижения давления ниже атмосферного. Цель состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, которую можно получить.
• Турбины без конденсации, с другой стороны, работают с паром под давлением выше атмосферного. Это означает, что пар затем можно использовать для нагрева, прежде чем он станет частью водяного котла.

Целью нашего краткого руководства было дать четкий ответ на вопрос «что такое паровая турбина» и кратко описать, какова функция этого оборудования и как оно занимает центральное место в некоторых современных приложениях.