Реферат на тему паровые турбины. Рефе. Паровые турбины. Мощность и кпд турбины. Активные и реактивные турбины

• Название: Паровые турбины. Мощность и кпд турбины. Активные и реактивные турбины
• Анкор: Реферат на тему паровые турбины
• Дата: 03.03.2022
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: Рефе.docx
• Тип: Реферат; #381295

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Институт энергетики

Кафедра электроснабжения и электротехники





Реферат на тему:

Паровые турбины. Мощность и КПД турбины. Активные и реактивные турбины.

Выполнил студент :группы

Проверил преподаватель :

Иркутск 20__

Оглавление

1.1.Конденсационные паровые турбины 4

1.2.Теплофикационные паровые турбины 6

1.3. История появления 7

1.4. Принцип действия 9

3.1.Кпд турбины. 13

3.2.Мощность турбины 14

Введение

Специалисты в областях инженерно-технической деятельности должны обладать определенным уровнем знания отраслей промышленности, поскольку производства разного рода находятся в более или менее тесном взаимодействии, а продукция одних отраслей промышленности используется другими отраслями. К тому же вся хозяйственная деятельность человека оказывает определенное, часто отрицательное воздействие на окружающую среду, а это в настоящее время является фактором, требующим постоянного эффективного и квалифицированного противодействия.

Под энергетикой вообще «… следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданным человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования в народном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов».

В более узком смысле будем считать энергетикой искусственную систему (отрасль промышленности), имеющую указанное выше назначение, определенную структуру, технологии, принципы организации деятельности и результаты этой деятельности, производящую и поставляющую энергоресурсы преимущественно в виде электрической и тепловой энергии.

Под производством в энергетике будем понимать работу и организацию работы отрасли в целом, включая и звенья транспортировки, подачи энергии потребителям.

При этом в определенной степени должна быть усвоена специфическая терминология, освоено применение используемых в энергетике основных единиц измерения физических величин и т. д. Коротко говоря, задача изучения предмета – получение студентами необходимых начальных, базовых знаний в области промышленной энергетики.

1. Паровая турбина

Паровая турбина - вид двигателя, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу.

Паровая турбина состоит из двух основных частей - ротор с лопатками (подвижная часть турбины) и статор с соплами (неподвижная часть).

В паровой турбине потенциальная энергия сжатого или нагретого пара (обычно водяного) преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую через вращение вала турбины - пар, вырабатываемый паровым котельным аппаратом, поступает (через специальные направляющие) на лопатки турбины, закрепленные по окружности ротора, и приводит к его вращению.

Преимущества паровых турбин:

- работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое

- высокая единичная мощность

- свободный выбор теплоносителя

- широкий диапазон мощностей

- внушительный ресурс паровых турбин

Недостатки паровых турбин:

- высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и останова)

- дороговизна паровых турбин

- низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии

- дорогостоящий ремонт паровых турбин

- снижение экологических показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива

Паровые турбины бывают:

- Конденсационные – предназначены для преобразования максимально возможной части тепла пара в механическую энергию. Бывают стационарными и транспортными.

-Теплофикационные - предназначены для получения электрической и тепловой энергии.

-Специального назначения - работают на уходящем тепле от предприятий различного вида (пар, выхлопы и т.д.).

1. Конденсационные паровые турбины

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.



Рису. 1 – Схема работы конденсационной турбины

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

2. Теплофикационные паровые турбины

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.
У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1 или 2 промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.



Рис. 2 – Схема работы теплофикационной турбины

Схема работы теплофикационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) направляется на рабочие лопатки цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с валом (4) электрического генератора (5). В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7). Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева сетевой воды.

3. История появления

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.



Рис. 3 - Эолипил Герона Александрийского

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.



Рис. 4 - Турбинное колесо Лаваля

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

4. Принцип действия

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.



Рис. 5 – Устройство паровой турбины

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом.

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

2. Активные и реактивные турбины

Активная турбина -  Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки, струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила. С помощью этой силы лопатки приводятся в движение. Во время всего описанного пути газа происходит потеря части его энергии. Такая энергия и направлена на движение рабочего колеса и вала.

К преимуществам активных турбин обычно относят:

- бо́льшую свободу расположения подводящих каналов по отношению к турбине в связи с более равномерным распределением давления в камере;

- меньшие требования к величине зазоров между турбиной и корпусом, облегчающие изготовления и требования к подшипникам, так как утечка через зазоры в условиях малой разности давления незначительна;

- малую продольную нагрузку на вал;

- меньшую по сравнению с реактивными турбинами скорость вращения, облегчающую сопряжение с машинами^.

 


Рис. 6 – Конструкция активной турбины

Реактивная турбина -  турбина, ротор которой использует силу реакции потока, возникающую при расширении рабочего тела (напор жидкости, теплоперепад газа или пара) в каналах, образованных лопатками ротора и в которой большая часть потенциальной энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу в лопаточных каналах рабочего колеса, как правило, имеющих конфигурацию реактивного сопла. Почти все турбины одновременно являются в какой-то степени и активными, и реактивными, то есть давление рабочего тела на лопатки обеспечивается как его кинетической энергией, так и за счет его расширения, но соотношение активной и реактивной составляющей у разных турбин отличается друг от друга. Принято называть реактивными лишь те турбины, в которых по реактивному принципу в механическую работу переходит не менее 50 % всей преобразованной потенциальной энергии рабочего тела.



Рис. 7 – Конструкция реактивной турбины

3. Мощность и КПД турбины

   1. Кпд турбины.

На пути преобразования адиабатической работы расши­рения газа в турбине в механическую работу на ее валу име­ются потери. Величина потерь учитывается эффективным кпд турбины, который равен отношению эффективной работы Lэ к адиабатической работе расширения газа в турбине


Эффективный кпд турбины η_T учитывает как внутренние (гидравлические) потери, так и потери энергии с выходной скоростью . Потеря с выходной скоростью является относительной, так как кинетическая энергия, недоиспользованная для создания мощности на валу турбины, в последующем используется для создания реактивной тяги двига­теля.

У современных одноступенчатых газовых турбин ТРД величина кпд равна η = 0,7 — 0,86.

2. Мощность турбины

Мощность турбины — это работа, совершаемая газом в течение одной секунды и переданная на вал турбины.

Из определений мощность турбины равна;



Мощность турбины определяется величинами секундного весового расхода газа G_г, Температуры газа перед турбиной T_з, степенью расширения газа в турбине q_T и КПД турбины η_Т. Мощность турбины тем больше, чем больше величина указанных параметров.

В современных ТРД мощность, развиваемая турбиной, достигает больших значений N_T = 10000 – 50000 л.с. и более. Эта мощность расходуется в основном на вращение компрессора двигателя и только 2-3% на привод обслуживающих агрегатов.

Заключение

В данном реферате изложены в доступной для студентов начальных курсов энергетических специальностей для базового понимания данных тем.

Список использованной литературы

1. 
   Паровые турбины // [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/445556/
   
2. 
   Паровые турбины // [Электронный ресурс] URL: https://manbw.ru/analitycs/steam-turbines.html
   
3. 
   Активные и реактивные турбины // [Электронный ресурс] URL: https://studopedia.ru/20_13298_naznachenieustroystvo-i-printsip-deystviya-aktivnoy-turbini.html
   
4. 
   Теория газотурбинных двигателей турбины // [Электронный ресурс] URL:https://www.turbinist.ru/page,3,5322-teoriya-gazoturbinnyh-dvigateley.html