Паровые и газовые турбины

1.Введение.

Современные паровые и газовые турбины явля­ются основным двигателем тепловых и атомных электростанций, значение которых для энергетики определяется все возрастающими потребностями страны в электроэнергии. Паровые турбины позво­ляют осуществлять совместную выработку электри­ческой энергии и теплоты, что повышает степень полезного использования теплоты органического и ядерного топлива. Газотурбинные и парогазовые установки обеспечивают высокую маневренность электростанций для покрытия пиковой части суточ­ного графика электрической нагрузки в энергосис­теме и высокий КПД .

2.Циклы.

а) Цикл Карно.

Карно для влажного пара изображен в Т, S-диаграмме

На этой диаграмме ли­ния 3—4 означает адиабатное сжатие в специаль­ном компрессоре сильно увлажненного пара до его полной конденсации, 4—1 — испарение воды в котле, 1—2 — адиабатное расширение пара в турбине, 2—3 — частичную конденсацию пара в специальном конденсаторе.

Работа сжатия влажного пара до его конденсации во много раз превышает работу сжатия воды. Так, например, при адиабатном сжатии влажного водя­ного пара от давления 0,1 МПа до давления 3 МПа, при котором он полностью конденсируется, требу­ется затратить работу, эквивалентную 455 кДж/кг. При адиабатном же сжатии воды от состояния на­сыщения при 0,1 МПа до давления 3 МПа необхо­димо затратить работу, эквивалентную всего лишь 2,75 кДж/кг, т.е. меньшую в 165 раз.

Вследствие преимуществ полной конденсации влажного пара цикл Карно в чистом виде в паро­силовых установках не применяется. Вместо него применяется цикл с полной конденсацией отрабо­тавшего пара в конденсаторе, называемый циклом Ренкина.

б) Цикл Ренкина.

Идеальный цикл Ренкина для теплосиловой уста­новки, работающей на перегретом паре, изобра­жен в Т, S-диаграмме на На этой диаграм­ме показаны: а'а — процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; аb— процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; bс — ис­парение воды в котле; cd— перегрев пара в пере­гревателе; dе — изоэнтропийное расширение пара в турбине; еа' — конденсация

отработавшего па­ра в конденсаторе.

Процессы нагрева, испарения и перегрева воды в котле происходят при постоянном давлении. Сле­довательно, все количество теплоты q₁, переданное 1 кг воды и пара, целиком идет на повышение эн­тальпии рабочего тела от энтальпии питательной воды h_{п в} до энтальпии свежего пара h₀ и равно их разности. Это количество теплоты в Т, S-диаграмме изобража­ется площадью фигуры 1abcd21. Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении конденсируется и отдает теп­лоту q₂ охлаждающей воде.

3.Классификация турбин.

В зависимости от характера теплового процесса раз­личают следующие основные типы турбин:

1)конденсационные паровые турбины, в которых весь свежий пар, за исключением пара, отбираемого на регенерацию, протекая через проточную часть и расши­ряясь в ней до давления, меньшего, чем атмосферное, по­ступает в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется;

2)турбины с противодавлением, отработавший пар которых направляется к тепловым потребителям, исполь­зующим теплоту для отопительных или производствен­ных целей;

3)конденсационные турбины с регулируемым отбо­ром пара, в которых часть пара отбирается из промежу­точной ступени и отводится к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давле­нии, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор;

4)турбины с регулируемым отбором пара и противо­давлением, в которых часть пара отбирается при постоян­ном давлении из промежуточной ступени, а остальная часть проходит через последующие ступени и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении.

Под номинальной мощностью понимается наиболь­шая мощность, которую турбина должна развивать дли­тельное время при номинальных значениях всех других основных параметров.

Максимальная мощность — наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать при чистой проточной части и отсутствии отборов пара для внешних потребителей теплоты.

Основные параметры и характеристики современных отечественных турбин, наиболее распространенных на тепловых электростанциях России.

4. Газотурбинная установка.

Газотурбинной установкой называют тепловой двигатель, состоящий из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газо­вой турбины (рис. 12.1). Принцип действия ГТУ сводится к следующему. Из атмосферы воздух за­бирают компрессором К, после чего при повышен­ном давлении его подают в камеру сгорания КС, куда одновременно подводят жидкое топливо топ­ливным насосом ТН или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количест­ве, необходимом для сгорания топлива, поступает внутрь жаровой трубы ЖТ; второй — обтекает жа­ровую трубу снаружи и подмешивается к продук­там сгорания для понижения их температуры. Про­цесс сгорания в камере происходит при почти по­стоянном давлении.

Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину Т, в которой, расширяясь, совер­шает работу, а затем выбрасывается в атмосферу.

Развиваемая газовой турбиной мощность час­тично расходуется на привод компрессора, а остав­шаяся часть является полезной мощностью газотур­бинной установки.

Эффективность газотурбинной установки в сравнении с другими теп­ловыми двигателями обнаруживается только при высокой температуре газа и высокой экономично­сти турбины и компрессора. Поэтому простой по принципу действия газотурбинный двигатель стали применять в промышленности позднее других теп­ловых двигателей, после того как был достигнут прогресс в технологии получения жаропрочных ма­териалов и накоплены необходимые знания в об­ласти аэродинамики турбомашин.

Первый газотурбинный двигатель был построен в России в 1897—1900 гг. инженером флота П.Д. Кузьминским. Г азотурбинная установка Кузь­минского состояла из поршневого компрессора, ка­меры сгорания и радиальной газовой турбины. Для уменьшения затраты мощности на сжатие воздуха охлаждение продуктов сгорания производилось не воздухом, а паром, который образовывался в змее­вике, расположенном в камере сгорания.

Неудачи первых попыток создания экономично­го газотурбинного двигателя заставили искать но­вые пути. Было ясно, что при несовершенных ком­прессорах затрата мощности на сжатие воздуха слишком велика и для ее снижения необходимо уменьшать количество и давление воздуха, сжимае­мого компрессором.

Возникла идея разработки газотурбинного дви­гателя, в котором горение топлива происходит не при постоянном давлении р = const, а при постоян­ном объеме V = const

1 2 3 4 5 6

Газотурбинная установка с горением при постоянном объеме.

Такая газотурбин­ная установка работает по следующему принципу. В камеру сгорания 3 через воздушный клапан 4 от компрессора 1 подают воздух, который через газо­вый клапан 6 вытесняет оставшиеся продукты сго­рания. При заполнении камеры воздухом открыва­ется топливный клапан 2, через который поступает топливо. После заполнения камеры воздухом и топ­ливом все клапаны закрываются и при помощи за­пального устройства 5 смесь воспламеняется. Топ ливо сгорает при постоянном объеме; при этом тем­пература и давление в камере возрастают. При мак­симальном давлении открывается газовый клапан 6, через который продукты сгорания направляются к соплам газовой турбины 7 и, расширяясь, соверша­ют работу. При истечении газов из камеры сгора­ния давление в ней падает; когда оно достигает уровня давления, создаваемого компрессором, вновь открывается воздушный клапан 4, и весь про­цесс повторяется.

Большая работа по созданию газотурбинной ус­тановки, имеющей V = сonst, была проведена инже­нером Хольцвартом; в период 1908—1933 гг. он разработал несколько конструкций такого типа. Наиболее совершенный двигатель Хольцварта имел КПД около 18 %, мощность 2000 кВт и весьма сложную схему. Такие установки, несмотря на не­который успех, не получили применения, так как имели существенные недостатки: сложную и мало­надежную камеру сгорания с клапанным газорас-пределением; неэкономичную работу газовой тур­бины из-за пульсирующего характера потока газа, вытекающего из камер сгорания.

Данные в области аэродинамики турбомашин, накопленные при работе с установками Хольцварта и создании наддувных агрегатов для парогенерато­ров с топками под повышенным давлением, позво­лили вновь использовать цикл при р = const.

В последние годы газотурбинная установка по­лучает все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Причиной этого явля­ются характерные качества газотурбинного двига­теля: простота тепловой и кинематической схемы; относительная простота конструкции; малая масса, приходящаяся на единицу мощности; высокая ма­невренность; сравнительно простая автоматизация эксплуатации. Кроме того, в последние годы име­ются значительные достижения как в области аэро­динамики турбомашин, так и в разработке жаро­прочных сталей и сплавов. Успехи аэродинамики и металлургии позволили поднять тепловую эконо­мичность ГТУ до необходимого уровня и создать предпосылки для внедрения ГТУ в различные об­ласти народного хозяйства.

Основными элементами простой ГТУ являются компрессор К, камера сгорания КС и турбинаТ.

Рассмотрим цикл ГТУ в Т, .s-диаграмме, без учета потерь давления в воздушном и газовом трактах. Точка а определяет начальные параметры воздуха перед компрессором (Pa, Ta). Линия аb соответствует процессу сжатия воздуха в компрессоре до параметров Pb и Tb , а линия ab’ — изоэнтропийному сжатию до того же ко­нечного давления Pb и температуры Tbt.

Цикл простой ГТУ без регенерации.

5 Паротурбинная установка.

Паровая турбина получила широкое распространение в качестве двигателя для кораблей военного распространение в качестве двигателя для кораблей военного и гражданского флота. Паровые турбины применяются, кроме того, для привода различных машин-насосов, газодувок и др.

Паровая турбина, обладающая большой быстроходностью, отличается сравнительно малыми размерами и массой и может быть построена на очень большую мощность, превышающую мощность какой-либо иной машины. Вместе с тем у паровой турбины исключительно хорошие технико-экономические характеристики: относительно небольшая удельная стоимость, высокие экономичность, надежность и ресурс работы, составляющий десятки лет.

В течение XIX в. Различными изобретателями было выдвинуто много предложений для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием скоростного напора вытекающей струи пара.

Паровая турбина является одним из элементов тепло­энергетической установки.

Питательный насос 1 повышает давление воды до р_п.в по­дает ее в котел 2, затрачивая при этом на 1 кг питательной воды работу L_н .Пар вышедший из пароперегревателя с энтальпией h₀,направляется к турбине 4 и, расширяясь в ней, совершает работу L_т.Для турбины ,приводящей электрогенератор 6 и работающей без потерь и теплообмена с внешней средой,процесс расширения протекает по изоэнтропе. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор 5. Здесь при неизменном давлении p_к производится отвод теплоты от пара к охлаждающей воде, пар конденсируется.и конденсат с энтальпией h’_к откачивается насосом 1 и снова попадает в котел.

Не вся мощность, развиваемая паром внутри турбины,используется потребителем, так как часть расходуется на преодоление механических потерь.

Эффективная мощность, развиваемая турбиной на муфте, соединяющей вал турбины с валом приводимой машины, меньше внутренней мощности.