Турбины это: Турбина — Что такое Турбина?

Турбина — Что такое Турбина?

Турбина — ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа

Турбина — ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий кинетическую энергию и/или внутреннюю энергию рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу.
Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение.
Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте, а также гидродинамической передачи, гидронасосах.

Состав турбины

Турбина состоит из 2-х основных частей.
Ротор с лопатками — подвижная часть турбины.
Статор с выравнивающим аппаратом — неподвижная часть.

Виды турбин

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные паровые турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины.

Центробежные турбины (турбокомпрессоры) также выделяют как отдельный тип турбин.

По числу контуров турбины подразделяют на 1-контурные, 2-контурные и 3-контурные.
Очень редко турбины могут иметь 4 или 5 контуров.

Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.

По числу валов различают 1-вальные, 2-вальные, реже 3-вальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором).

Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.
В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек рабочего тела наружу и засасывания воздуха в корпус.
На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10-12 % сверх номинальной.

По типу рабочего тела турбины делятся на Газовые турбины, Паровые турбины и Гидротурбины.

Устройство турбины

Для того чтобы увидеть внутреннее устройство турбины, при ее изображении «вырезана» передняя верхняя четверть. Точно также показана лишь задняя часть кожуха 2. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник (см. позицию 29 на рис. 6.1). Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено осевое усилие. Они суммируются, и их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа  300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. При монтаже турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости разъема совмещают в одной горизонтальной плоскости). При последующем монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах (см. поз. 45, 28, 7 на рис. 6.1). Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите 36 (см. рис. 2.6). В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

Монтаж турбины

Монтаж турбины осуществляют в следующем порядке. Сначала устанавливают нижнюю половину ЦНД 18 опорным поясом 15, расположенным по периметру обоих выходных патрубков ЦНД. ЦНД имеет собственные вваренные в них опоры ротора. Затем на перемычке между окнами под ЦВД и ЦСД и слева от окна под ЦВД размещают нижние половины корпусов опор соответственно 28 и 41. После этого на опоры подвешивают нижние половины корпусов наружных цилиндров 39 и 24, в них помещают статорные элементы и осуществляют центровку всех цилиндров турбины.

В опоры ротора вставляются нижние половины опорных вкладышей 42, 29, 23, 20 и 16, и на них опускают отдельные роторы. Их строго прицентровывают друг к другу и соединяют с помощью муфт 31 и 21.

Затем в верхние половины корпусов помещают необходимые внутренние статорные элементы и турбину закрывают. Для этого в отверстия на горизонтальные разъемы корпусов ввинчивают шпильки и опускают верхние половины (крышки — см., например, поз. 46 на рис. 6.1), после чего с помощью шпилек и специальных приспособлений верхние и нижние половины корпусов плотно стягиваются по фланцевым разъемам.

Аналогичным образом закрываются опоры роторов. После изоляции турбины, ограждения кожухом и многочисленных проверок ее доводят для состояния, пригодного к несению нагрузки.

При работе турбины пар из котла (см. рис. 2.2) по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. 6.1 не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. 6.1 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37.

К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис. 6.1) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

Принцип работы турбины – как она работает

Турбокомпрессор или попросту турбина – это дополнительное устройство двигателя, которое для своей работы использует энергию отработавших газов. Что позволяет увеличить мощность двигателя на величину от 25% до 100%. Прежде чем понять, как работает турбокомпрессор, стоит рассмотреть функционирование двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС

Любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный или бензиновый, работает на принципе получения энергии, образующейся от воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания. Через впускные клапаны в цилиндр подается отфильтрованный внешний воздух и впрыскивается топливо, причем при пассивной подаче воздуха, в цилиндр подается дозированное количество топлива. Именно эта смесь сгорает в цилиндре и заставляет двигаться поршень, который передает свою кинетическую энергию на ходовую систему автомобиля. Чем больше такой смеси подается и сгорает в цилиндрах, тем больше выходной крутящий момент и соответственно выше общая мощность мотора.

Принцип работы турбины

Для увеличения подачи воздуха в цилиндр, без изменения объема самого цилиндра, используют турбокомпрессор. При работе турбины используются продукты сгорания топливной смеси, которые приводят в действие роторный механизм турбокомпрессора, с помощью которого атмосферный воздух принудительно нагнетается в цилиндры (турбонаддув). И, благодаря этому, в цилиндр подается и большая дозировка топлива. Во время нагнетания, воздух может нагреваться, из-за чего уменьшается его плотность и масса в цилиндрах. Для подачи большего количества воздуха, его необходимо охладить. Для лучшего охлаждения используется радиаторное устройство, называемое интеркулером, который устанавливается на выходе из холодной части турбокомпрессора и через который проходит воздух перед попаданием в цилиндры. На следующем этапе поршень всасывает этот охлажденный воздух через впускные клапаны и одновременно в камеру сгорания подается топливо, образуется топливовоздушная смесь. Возгорание топливной смеси происходит от искры (бензиновые двигатели), либо от сжатия (дизельные двигатели). После того, как произошло сгорание порции смеси, продукты горения выбрасываются через выпускной клапан и попадают снова в турбину, на ее ротор. Таким образом, она работает без участия движущих частей двигателя, используя энергию потока выхлопных газов.

Для каждого двигателя турбокомпрессор подбирается индивидуально, исходя из его собственной мощности и объема. Причем величина наддува зависит от геометрических параметров (размеров) улиток, компрессорного колеса, ротора турбины. Некоторые конструкции двигателей оборудуют не одной турбиной, а двумя: одинакового размера – би-турбо, разного размера – твин-турбо. В последнее время широкое распространение получили турбокомпрессоры с механизмом изменяемой геометрии. Стоит отметить, что сложность, а соответственно и стоимость ремонта турбины зависит от ее конструктивных особенностей и модификации.

Механизм изменяемой геометрии

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Это достигается за счет движения специальных лопаток, смонтированных на кольце геометрии. Они синхронно передвигаются, получая движение от вакуумного актуатора или электронного сервопривода в определенный момент, и контролируют наддув. Как правило, устанавливаются они на дизельных ДВС, потому как температура выхлопных газов у бензиновых моторов выше, чем у дизеля, соответственно лопатки геометрии могут деформироваться. Такие турбины позволяют оптимизировать процесс турбонаддува, что приводит к уменьшению расхода топлива и вредных выбросов при одновременном повышении мощности и крутящего момента.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

Как понять, что турбине автомобиля скоро придет конец — Российская газета

Турбированный двигатель имеет массу преимуществ: повышенная мощность, экономичность. Но главный его недостаток — недолгий срок службы турбины: около 10 лет или 150-170 тысяч километров.

На этом пробеге подержанные автомобили спешат выставить на вторичный рынок, поэтому при покупке есть шанс нарваться на проблемный вариант. Какие симптомы позволяют определить грядущие неисправности?

Первым делом стоит осмотреть выхлопную систему автомобиля и прислушаться к посторонним звукам из-под капота. В нормальном состоянии компрессор раскручивается до нескольких десятков тысяч оборотов и чуть слышно шипит. Если при добавлении газа начинает раздаваться свист, похожие на звуки сирены завывания и прочие странные звуки, то долго турбина не протянет.

В данном случае дело, скорее всего, в опорных подшипниках, где закоксовалось масло. Посторонние шумы могут возникать из-за трещин в корпусе, потери герметичности впуска или сломанных лопастей компрессора. Подобые проблемы игнорировать нельзя: частички металла при разрушении могут попадать в двигатель, в камерах сгорания появятся задиры, пишет aif.ru.

Еще один очевидный признак проблем с турбиной — это выхлоп сизого цвета. На холостом ходу такой дым исчезает, а на высоких оборотах двигателя нарастает. Возникает он из-за утечки масла через компрессор в цилиндры.

Если дым приобрел черный цвет, то скорее всего произошла утечка воздуха в интекулере или нагнетающих магистралях. Темный выхлоп может свидетельствовать об износе поршневых колец.

Третий симптом — масляные подтеки, выявляемые при осмотре системы турбонаддува. Они говорят о том, что узел потерял герметичность и его нужно менять.

Деформироваться технический узел может из-за превышения турбиной допустимых оборотов (так называемый «перекрут»). Причиной являются ложные показания датчика воздуха, из-за чего механизм регулировки давления срабатывает с задержкой. Перепады давления могут наблюдаться из-за засорения канала подачи воздуха. Валы турбины могут закоксоваться, сливной маслопровод — засоряться.

Любые из перечисленных признаков должны насторожить как потенциального покупателя, так и владельца автомобиля. Машину нужно отправить на диагностику, чтобы компьютер проанализировал ошибки и указал на возможные неисправности.

Энергетическое образование

2. Паровые турбины

Типичная паровая турбина показана на рисунке Для того чтобы увидеть внутреннее устройство турбины, при ее изображении «вырезана» передняя верхняя четверть. Точно также показана лишь задняя часть кожуха 2. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник 29. Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено осевое усилие. Они суммируются, и их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра 24. При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа » 300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. При монтаже турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости разъема совмещают в одной горизонтальной плоскости). При последующем монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах 45, 28, 7. Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями 40, 32, 19 специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите 36. В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

Монтаж турбины осуществляют в следующем порядке. Сначала устанавливают нижнюю половину ЦНД 18 опорным поясом 15, расположенным по периметру обоих выходных патрубков ЦНД. ЦНД имеет собственные вваренные в них опоры ротора. Затем на перемычке между окнами под ЦВД и ЦСД и слева от окна под ЦВД размещают нижние половины корпусов опор соответственно 28 и 41. После этого на опоры подвешивают нижние половины корпусов наружных цилиндров 39 и 24, в них помещают статорные элементы и осуществляют центровку всех цилиндров турбины.

В опоры ротора вставляются нижние половины опорных вкладышей 42, 29, 23, 20 и 16, и на них опускают отдельные роторы. Их строго прицентровывают друг к другу и соединяют с помощью муфт 31 и 21.

Затем в верхние половины корпусов помещают необходимые внутренние статорные элементы и турбину закрывают. Для этого в отверстия на горизонтальные разъемы корпусов ввинчивают шпильки и опускают верхние половины 46, после чего с помощью шпилек и специальных приспособлений верхние и нижние половины корпусов плотно стягиваются по фланцевым разъемам.

Аналогичным образом закрываются опоры роторов. После изоляции турбины, ограждения кожухом и многочисленных проверок ее доводят для состояния, пригодного к несению нагрузки.

При работе турбины пар из котла по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов пар по перепускным трубам 1 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

После того, как нами получено общее представление о турбине, рассмотрим ее «сердце» — проточную часть, которая является самой сложной и самой дорогой частью турбины. Сложность ее создания определяется не только высокими технологическими требованиями к изготовлению, материалам, монтажу, но, главным образом, чрезвычайной наукоемкостью: нельзя создать даже посредственную турбину, не обладая хорошими знаниями в таких областях науки, как механика, гидрогазодинамика, теория автоматического регулирования, механика разрушения, не говоря уже о специальных дисциплинах. Не удивительно поэтому, что число стран, выпускающих мощные паровые турбины по разработанной ими технической документации, не превышает десяти.

На рисунке показан фрагмент проточной части паровой турбины и охватывающих ее деталей. Собственно проточная часть состоит из чередующихся кольцевых сопловых решеток 1 и рабочих решеток 2. Совокупность одной сопловой и одной рабочей решетки называют ступенью турбины. Это название происходит из того, что потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора порциями (ступенями).

Сопловая решетка состоит из одинаковых сопловых лопаток 1, установленных по окружности на равном расстоянии друг от друга (шагом). Сопловые лопатки имеют вполне определенный профиль в сечении, и поэтому между сопловыми лопатками образуется вполне определенный сопловый канал (сопло) для прохода пара. Сопловые лопатки закреплены в диафрагме 2, имеющей горизонтальный разъем, необходимый для установки ротора при монтаже. Диафрагма — это кольцевая перегородка, которая подвешивается двумя лапками 3 на уровне горизонтального разъема в кольцевой расточке обоймы. Обойма охватывает несколько диафрагм (две, три и более) — отсюда и ее название. В свою очередь обойма 12 лапками 6 подвешивается в корпусе 3 турбины. Кольцевое пространство между обоймами часто используется для камеры отбора пара на регенеративные подогреватели.

Таким образом, неподвижные в пространстве корпус 3 турбины, обоймы 4 и диафрагмы 11 обеспечивают неподвижность сопловых каналов сопловой решетки. Сами каналы, благодаря особым форме сопловых лопаток и их установке в решетках, выполняются суживающими: площадь для прохода пара на выходе из сопловой решетки выполняют в несколько раз меньше, чем на входе. Далее, если иметь в виду, что объем пара за сопловой решеткой больше, чем на входе, так как давление за ней меньше, то ясно, что скорость пара на выходе из решетки будет в несколько раз больше, чем на входе. Действительно, если на входе в сопловую решетку скорость пара 50—100 м/с, то на выходе из нее — 300—400 м/с и более.

Далее, поток пара не только приобретает большую скорость, но и изменяет свое направление: выходные части сопловых лопаток (профилей) заставляют пар развернуться и двигаться в направлении не вдоль оси турбины (скорость c₀), а поперек (говорят, что поток пара приобретает закрутку — окружное направление). Таким образом, из сопловых каналов выходит мощная закрученная кольцевая струя пара, ширина которой равна высоте сопловых лопаток. Часть потенциальной энергии пара преобразована сопловыми каналами в кинетическую энергию кольцевой струи пара, движущейся с огромной скоростью (обычно — это скорость несколько меньше скорости звука, но в некоторых ступенях — и больше ее). Заметим для сравнения, что пассажирский самолет, летящий со скоростью 720 км/с, имеет скорость 200 м/с.

Теперь необходимо решить следующую задачу: заставить созданную кольцевую струю пара вращать вал 13 турбины. С этой целью ее направляют на кольцевую решетку профилей, образованную рабочими лопатками 2. Для этого, прежде всего рабочей решетке дают возможность вращаться: ее закрепляют на диске 12 ротора, который соединен с валом 13 и уложен во вкладыши опорных подшипников. Поэтому, если на рабочую лопатку будет действовать окружная сила, имеющая плечо относительно оси вращения, то ротор начинает вращаться. Эту силу создают с помощью специальной решетки профилей (рис. 6.5), создающей рабочие каналы вполне определенной формы (примерно постоянного сечения). Пар, протекающий через каналы рабочей решетки, изменяет свое направление, и это главная причина появления окружной силы F, действующей на каждую рабочую лопатку. Скорость пара в рабочей решетке уменьшается, так как вследствие окружной податливости рабочих лопаток поток пара как бы вязнет внутри канала. В результате из рабочей решетки пар выходит со скоростью с₂ примерно равной скорости c₀ на входе в сопловую решетку. Но поскольку давление и температура пара за ступенью меньше, чем перед ней из-за того, что в конденсаторе принудительно поддерживается низкое давление, и оно постепенно повышается к паровпускной части турбины), то часть кинетической энергии потока пара, идущего через ступень, преобразуется в механическую (вращательную) энергию ротора, которая, в конечном счете, передается ротору электрогенератора.

На рисунке показаны профили двух соседних ступеней, позволяющих увидеть, как протекает пар в проточной части и как они расположены по отношению друг к другу. Пар входит в каналы сопловой решетки первой ступени со скоростью с₀, а выходит со скоростью с₁ под углом a₁ кото­рый составляет 10—15°, т.е. почти в окружном направлении. Однако поскольку рабочие лопатки пробегают мимо сопловой справа налево со скоростью и, то на рабочие лопатки пар будет поступать со скоростью w₁ < c₁ и под углом b₁ > a₁ . Профиль рабочей лопатки первой ступени устанавливают под таким углом b_у, чтобы вектор скорости w₁ «встретил» ее переднюю часть безударно, и пар плавно вошел в каналы рабочей решетки. Поскольку, как указывалось выше, их сечение примерно постоянно, то угол выхода b₂» b₁, а скорость выхода пара в относительном движении w₂» w₁. Но так как, рабочие лопатки имеют скорость и, то скорость выхода пара относительно корпуса будет равна с₂» с₀. Далее процесс повторяется в проточной части второй ступени и так до тех пор, пока пар не попадет в конденсатор.

На рисунке показана турбина со снятой крышкой. Хорошо видна нижняя половина средней опоры и два корпуса турбины (нижняя половина), подвешенные к опоре. На рисунке изображена процедура центровки соседних роторов по полумуфтам, необходимая для исключения вибрации. Рядом с полумуфтой видны шейки валов 5 и 7 под опорные вкладыши опор, нижние половины которых размещены в опоре.

Последняя ступень имеет самые длинные рабочие лопатки 2, прошитые связующей проволокой, повышающей их вибрационную надежность.

На концевой части ротора хорошо видны кольцевые выступы 8 на валу, служащие для организации концевого уплотнения. Само уплотнение представлено на рисунке.

В обойме 7, имеющей такую же конструкцию, как и обойма диафрагм и выполнена кольцевая расточка 1, в которую вставляются сегменты уплотнений 3 (по три сегмента в каждую половину обоймы). Сегменты имеют тонкие (до 0,3 мм) кольцевые гребни, устанавливаемые по отношению к валу с очень малым зазором (0,5—0,6 мм). Совокупность кольцевых щелей между гребнями 4 и кольцевыми выступами 6 и кольцевых камер между ними называется лабиринтовым уплотнением. Высокое гидравлическое сопротивление, которым оно обладает, обеспечивает малую утечку пара помимо проточной части турбины.

На рисунке хорошо видны горизонтальный разъем цилиндра, направляющие колонки 5, по которым будет опускаться верхняя половина корпуса и несколько ввинченных шпилек 2 для скрепления горизонтального фланцевого разъема.

На рисунке показана мощная паровая турбина в процессе заводской сборки. Она состоит из ЦНД (на переднем плане), ЦСД и ЦВД. Хорошо видно, как изменяются длины лопаток: в первых ступенях они составляют 30 — 40 мм, а в последней — около 1 м.

Типичная рабочая лопатка состоит из трех основных элементов: профильной части 1; хвостовика 2, служащего для крепления лопатки на диске; шипа 6 прямоугольной, круглой или овальной формы, выполняемого на торце профильной части лопатки за одно целое.

Лопатки изготавливаются из нержавеющей стали, содержащей 13 % хрома, методом штамповки и последующего фрезерования и набираются на диске через два специальных колодца, в которые затем устанавливаются замковые лопатки с хвостовиками специальной формы.

Отдельно прокатывают бандажную ленту 7, в которой пробивают отверстия, соответствующие форме шипов и расстоянию между ними. Лента нарезается на куски со строго рассчитанным числом объединяемых лопаток. Бандажная лента надевается на шипы, которые затем расклепываются. Ряд соседних лопаток (обычно от 5 до 14), объединенных бандажной лентой (бандажом), называется пакетом рабочих лопаток. Главная цель пакетирования — обеспечить вибрационную надежность рабочих лопаток (не допустить их поломки от усталости вследствие колебаний). После расклепки шипов на бандажах рабочих лопаток ротор устанавливают на токарный станок и окончательно протачивают гребни уплотнений.

На рисунке показана лишь одна из типичных конструкций, которые отличаются большим разнообразием как типов хвостовиков, так и бандажей. В современных конструкциях бандажи фрезеруют заодно с профильной частью (с шириной бандажа, равной шагу лопаток), иногда соединяют рабочие лопатки в пакете сваркой.

На рисунке показан двухпоточный ротор ЦНД в процессе обработки на токарном станке. Первые две ступени имеют ленточ­ные бандажи, а последние ступени — две проволочные связи.

Главным элементом проточной части турбины, определяющим весь ее облик, является рабочая лопатка последней ступени. Чем большую длину она имеет и чем на большем диаметре она установлена (иными словами, чем больше площадь для прохода пара последней ступени), тем более экономичнее турбина. Поэтому история совершенствования турбин — это история создания последних ступеней. В начале 50-х годов ЛМЗ была разработана рабочая лопатка длиной 960 мм для последней ступени со средним диаметром 2,4 м, и на ее базе созданы турбины мощностью 300, 500 и 800 МВт. В конце 70-х была создана новая рабочая лопатка длиной 1200 мм для ступени со средним диаметром 3 м. Это позволило создать новую паровую турбину для ТЭС мощностью 1200 МВт и для АЭС мощностью 1000 МВт.

На рисунке показана одна из опор валопровода. Основанием 12 нижняя половина корпуса 2 устанавливается на фундаментную раму (на рисунке не показана). В расточку корпуса на колодках 1, 4 и 10 помещается нижняя половина вкладыша 3. Внутренняя поверхность 8 обеих половин вкладыша выполнена цилиндрической или овальной и залита баббитом, — легкоплавким антифрикционным сплавом на основе олова, допускающего вращение ротора на очень низкой частоте вращения даже при отсутствии смазки. Прямо на поверхность вкладыша 8 и на аналогичную поверхность соседнего вкладыша при монтаже турбины укладывается ротор. Сверху его накрывают верхней половиной вкладыша и притягивают к нижней половине шпильками, ввинчиваемыми в отверстия 9. Затем устанавливается крышка корпуса подшипника.

Масло для смазки шеек валов подается насосами из масляного бака, установленного на нижней отметке конденсационного помещения. Размер масляного бака зависит от мощности турбины: чем больше мощность, тем больше цилиндров и, следовательно, роторов и их опор, требующих смазки. Кроме того, с ростом мощности растет диаметр шеек, и эти два обстоятельства требуют большого расхода масла и соответственно масляного бака большой емкости, достигающей 50—60 м³. Для смазки подшипников используется либо специальное (турбинное) минеральное масло, либо синтетические негорючие масла. Последние намного дороже, но зато пожаробезопаснее.

От насосов по трубопроводам масло, пройдя через маслоохладители, поступает к емкостям, располагаемым в крышках подшипника, а из них — к отверстиям 6 и к выборке 7, раздающей масло на всю ширину шейки вала. Масло за счет гидродинамических сил «загоняется» под шейку вала, и таким образом вал «плавает» на масляной пленке, не касаясь баббитовой заливки. Масло, пройдя под шейкой вала, выходит через торцевые зазоры вкладыша и стекает на дно корпуса подшипника, откуда самотеком направляется обратно в масляный бак.

Для понимания места и роли паровых турбин рассмотрим их общую классификацию. Из большого разнообразия используемых паровых турбин, прежде всего можно выделить турбины транспортные и стационарные.

Транспортные паровые турбины чаще всего используются для привода гребных винтов крупных судов.

Стационарные паровые турбины — это турбины, сохраняющие при эксплуатации неизменным свое местоположение. В настоящей книге рассматриваются только стационарные паровые турбины.

В свою очередь стационарные паровые турбины можно классифицировать по ряду признаков.

1.  По назначению различают турбины энергетические, промышленные и вспомогательные.

Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска тепла крупным потребителям, например жилым районам, городам и т.д. Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются, прежде всего, большой мощностью, а их режим работы — постоянной частотой вращения, определяемой постоянством частоты сети.

Основным производителем энергетических паровых турбин в России является Ленинградский металлический завод (Санкт-Петербург). Он выпускает мощные паровые турбины для ТЭС (мощностью 1200, 800, 500, 300 и 200 МВт), ТЭЦ (мощностью 180, 80 и 50 МВт и менее), АЭС (мощностью 1000 МВт).

Другим крупным производителем энергетических паровых турбин является Турбомоторный завод (ТМЗ, г. Екатеринбург). Он выпускает только теплофикационные турбины (мощностью 250, 185, 140, 100 и 50 МВт и менее).

На ТЭС России установлено достаточно много мощных паровых тур­бин Харьковского турбинного завода (ХТЗ, Украина) (мощностью 150, 300 и 500 МВт). Им же произведены все паровые турбины, установленные на АЭС России мощностью 220, 500 и 1000 МВт.

Таким образом, в настоящее время в России функционирует всего два производителя мощных паровых турбин. Если говорить о зарубежных производителях турбин, то их число также является небольшим. Большинство из них являются транснациональными объединениями. В Европе главными производителями паровых турбин являются компании Siemens (Германия), Acea Brown Bovery (ABB, германско-швейцарское объединение), GEC-Alsthom (англо-французское объединение), Scoda (Чехия). В США производителями мощных энергетических турбин являются компании General Electric и Westinghouse, в Японии — Hitachi, Toshiba, Mitsubisi. Все перечисленные производители выпускают паровые турбины вплоть до мощности 1000 МВт и выше. Технический уровень некоторых из них не только не уступает нашим производителям, но и превосходит их.

Промышленные турбины также служат для производства тепловой и электрической энергии, однако их главной целью является обслуживание промышленного предприятия, например, металлургического, текстильного, химического, сахароваренного и др. Часто генераторы таких турбин работают на маломощную индивидуальную электрическую сеть, а иногда используются для привода агрегатов с переменной частотой вращения, например воздуходувок доменных печей. Мощность промышленных турбин существенно меньше, чем энергетических. Основным производителем промышленных турбин в России является Калужский турбинный завод (КТЗ).

Вспомогательные турбины используются для обеспечения технологического процесса производства электроэнергии — обычно для привода питательных насосов и воздуходувок котлов.

Питательные насосы энергоблоков мощностью вплоть до 200 МВт приводятся электродвигателями, а мощностью выше — с помощью паровых турбин, питаемых паром из отбора главной турбины. Например, на энергоблоках мощностью 800 и 1200 МВт установлено соответственно по два и три питательных турбонасоса мощностью 17 МВт каждый, на энергоблоках мощностью 250 (для ТЭЦ) и 300 МВт — один питательный турбонасос мощностью 12 МВт; на энергоблоках мощностью 1000 МВт для АЭС используется два питательных насоса мощностью 12 МВт.

Котлы энергоблоков мощностью 800 и 1200 МВт оборудованы соответственно двумя и тремя воздуходувками, привод которых осуществляется также паровыми турбинами мощностью по 6 МВт каждая. Основным производителем вспомогательных паровых турбин в России является КТЗ.

2.  По виду энергии, получаемой от паровой турбины, их делят на конденсационные и теплофикационные.

конденсационных турбинах (типа К) пар из последней ступени отводится в конденсатор, они не имеют регулируемых отборов пара, хотя, как правило, имеют много нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, а иногда и для внешних тепловых потребителей. Главное назначение конденсационных турбин — обеспечивать производство электроэнергии, поэтому они являются основными агрегатами мощных ТЭС и АЭС. Мощность самых крупных конденсационных турбоагрегатов достигает 1000—1500 МВт.

Теплофикационные турбины имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Они предназначены для выработки тепловой и электрической энергии, и мощность самой крупной из них составляет 250 МВт. Теплофикационная турбина может выполняться с конденсацией пара и без нее. В первом случае она может иметь отопительные отборы пара (турбины типа Т) для нагрева сетевой воды для обогрева зданий, предприятий и т.д., или производственный отбор пара (турбины типа П) для технологических нужд промышленных предприятий, или тот и другой отборы (турбины типа ПТ и ПР). Во втором случае турбина носит название турбины с противодавлением (турбины типа Р). В ней пар из последней ступени направляется не в конденсатор, а обычно производственному потребителю. Таким образом, главным назначением турбины с противодавлением является производство пара заданного давления (в пределах 0,3—3 МПа). Турбина с противодавлением может также иметь и регулируемый теплофикационный или промышленный отбор пара, и тогда она относится к типу ТР или ПР.

Теплофикационные турбины с отопительным отбором пара (типа Т) спроектированы так, чтобы при максимальной теплофикационной нагрузке ступени, расположенные за зоной отбора, мощности не вырабатывали. В последние годы ряд турбин проектируются так, что даже при максимальной нагрузке последние ступени вырабатывают мощность. Такие турбины относятся к типу ТК.

3.  По используемым начальным параметрам пара паровые турбины можно разделить на турбины докритического и сверхкритического начального давления, перегретого и насыщенного пара, без промежуточного перегрева и с промежуточным перегревом пара.

Как уже известно критическое давление для пара составляет примерно 22 МПа, поэтому все турбины, начальное давление пара перед которыми меньше этого значения, относятся к паровым турбинам докритического начального давления. В России стандартное докритическое давление для паровых турбин выбрано равным 130 ат (12,8 МПа), кроме того, имеется определенный процент турбин на начальное давление 90 ат (8,8 МПа). На докритические параметры выполняются все паровые турбины для АЭС и ТЭЦ (кроме теплофикационной турбины мощностью 250 МВт), а также турбины мощностью менее 300 МВт для ТЭС. Докритическое начальное давление зарубежных паровых турбин обычно составляет 16—17 МПа, а максимальная единичная мощность достигает 600—700 МВт.

Все мощные конденсационные энергоблоки (300, 500, 800, 1200 МВт), а также теплофикационный энергоблок мощностью 250 МВт выполняют на сверхкритические параметры пара (СКД) — 240 ат (23,5 МПа) и 540 °С. Переход от докритических параметров пара к СКД позволяет экономить 3—4 % топлива.

Все турбины ТЭС и ТЭЦ работают перегретым паром, а АЭС — насыщенным (с небольшой степенью влажности).

Все мощные конденсационные турбины на докритические и сверхкритические параметры пара выполняют с промежуточным перегревом. Из теплофикационных турбин только турбина ЛМЗ на докритические параметры мощностью 180 МВт и турбина ТМЗ на СКД мощностью 250 МВт имеют промежуточный перегрев. Устаревшие конденсационные турбины мощностью 100 МВт и менее и многочисленные теплофикационные паровые турбины вплоть до мощности 185 МВт строятся без промперегрева.

4.  По зоне использования турбин в графике электрической нагрузки паровые турбины можно разделить на базовые и полупиковые. Базовые турбины работают постоянно при номинальной нагрузке или близкой к ней. Они проектируются так, чтобы и турбина, и турбоустановка имели максимально возможную экономичность. К этому типу турбин следует, безусловно, отнести атомные и теплофикационные турбины. Полупиковые турбины создаются для работы с периодическими остановками на конец недели (с ночи пятницы до утра в понедельник) и ежесуточно (на ночь). Полупиковые турбины (и турбоустановки) с учетом их малого числа часов работы в году выполняют более простыми и соответственно более дешевыми (на сниженные параметры пара, с меньшим числом цилиндров). Электроэнергетика России в силу ряда причин всегда страдала от недостатка в энергосистеме полупиковых мощностей. Примерно 25 лет назад ЛМЗ спроектировал полупиковую конденсационную турбину мощностью 500 МВт на параметры 12,8 МПа, 510 °С/510 °С. Головной образец этой турбины предполагалось установить на Лукомльской ГРЭС (б. Белоруссия). Однако до сих пор ни одной специальной полупиковой турбины в России не работает. Вместе с тем в Японии и США работают десятки полупиковых турбин упрощенной конструкции.

5.  По конструктивным особенностям паровые турбины можно классифицировать по числу цилиндров, частоте вращения и числу валопроводов.

По числу цилиндров различают турбины одно- и многоцилиндровые. Количество цилиндров определяется объемным пропуском пара в конце процесса расширения. Чем меньше плотность пара, т.е. меньше его конечное давление, и чем больше мощность турбины, т.е. больше массовый расход, тем больше объемный пропуск и соответственно требуемая площадь для прохода пара через рабочие лопатки последней ступени. Однако если рабочие лопатки делать длиннее, а радиус их вращения больше, то центробежные силы, отрывающие профильную часть лопатки, могут возрасти настолько, что лопатка оторвется. Поэтому с увеличением мощности сначала переходят на двухпоточный ЦНД, а затем увеличивают их число. Конденсационные турбины можно выполнить одноцилиндровыми вплоть до мощности 50—60 МВт, двухцилиндровыми — до 100—150 МВт, трехцилиндровыми — до 300 МВт, четырехцилиндровыми — до 500 МВт, пятицилиндровыми — вплоть до 1300 МВт.

По частоте вращения турбины делятся на быстроходные и тихоходные. Быстроходные турбины имеют частоту вращения 3000 об/мин = 50 об/с. Они приводят электрогенератор, ротор которого имеет два магнитных полюса, и поэтому частота вырабатываемого им тока равна 50 Гц. На эту частоту строят большинство паровых турбин для ТЭС, ТЭЦ и частично для АЭС в нашей стране и почти во всем мире. В Северной Америке и на части территории Японии быстроходные турбины строят на частоту вращения 3600 об/мин = 60 об/с, так как там принятая частота сети равна 60 Гц.

Ранее говорилось о том, что поскольку из-за низких начальных параметров работоспособность пара в турбинах АЭС мала, а снижение капитальных затрат требует увеличения мощности, т.е. массы пропускаемого пара, то объемный расход на выходе из турбины оказывается столь значительным, что оказывается целесообразным переход на меньшую частоту вращения. Так как число магнитных полюсов в электрогенераторе должно быть целым и четным, то переход на использование четырехполюсного электрогенератора и получения той же частоты сети, что и при двухполюсном электрогенераторе, требует снижения частоты вдвое. Таким образом, тихоходные турбины в нашей стране имеют частоту вращения 1500 об/мин = 25 об/с.

На рисунке показана тихоходная атомная турбина фирмы ABB мощностью 1160 МВт на частоту вращения 30 об/с. Гигантские размеры турбины хорошо видны в сравнении с фигурой человека, стоящего у средней опоры ее валопровода. Турбина не имеет ЦСД, и пар из ЦВД направляется в два горизонтальных сепаратора-пароперегревателя (СПП), а из них — раздается на три двухпоточных ЦНД. По такой же схеме на частоту вращения 25 об/с построены энергоблоки мощностью 1000 МВт на Балаковской и Ростовской АЭС.

Для АЭС, построенных для теплых климатических условий, т.е. для высокой температуры охлаждающей воды и соответственно высокого давления в конденсаторе, можно строить и быстроходные атомные турбины. Пар к ЦВД турбины поступает из реакторного отделения по четырем паропроводам 11. Пройдя ЦВД, пар поступает к СПП 10 вертикального типа, а после них с помощью ресивера 3 раздается на три одинаковых двухпоточных ЦНД 4. Под каждым ЦНД установлен свой конденсатор, также хорошо видный на макете.

По числу валопроводов различают турбины одновальные (имеющие один валопровод — соединенные муфтами роторы отдельных цилиндров и генератора) и двухвальные (имеющие два валопровода каждый со своим генератором и связанные только потоком пара). На российских тепловых электростанциях используют только одновальные турбины (в начале 70-х годов на Славянской ГРЭС на Украине построена единственная двухвальная турбина мощностью 800 МВт, да и то потому, что в то время не было электрогенератора мощностью 800 МВт).

Для обозначения типов турбин ГОСТ предусматривает специальную маркировку, состоящую из буквенной и числовой частей. Буквенная часть указывает тип турбины, следующее за ней число — номинальную мощность турбины в мегаваттах. Если необходимо указать и максимальную мощность турбины, то ее значение приводят через косую черту. Следующее число указывает номинальное давление пара перед турбиной в МПа: для теплофикационных турбин далее через косую черту указывают давление в отборах или противодавление в МПа. Наконец, последняя цифра, если она имеется, указывает номер модификации турбины, принятый на заводе-изготовителе.

Приведем несколько примеров обозначений турбин.

Турбина К-210-12,8-3 — типа К, номинальной мощностью 210 МВт с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа (130 кгс/см²), третьей модификации.

Трубина П-6-3,4/0,5 — типа П, номинальной мощностью 6 МВт, с на­чальным абсолютным давлением пара 3,4 МПа и абсолютным давлением отбираемого пара 0,5 МПа.

Турбина Т-110/120-12,8 — типа Т, номинальной мощностью 110 МВт и максимальной мощностью 120 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа.

Турбина ПТ-25/30-8,8/1 — типа ПТ, номинальной мощностью 25 МВт и максимальной мощностью 30 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 8,8 МПа (90 ат) и абсолютным давлением отбираемого пара 1 МПа.

Турбина Р-100/105-12,8/1,45 — типа Р, номинальной мощностью 100 МВт максимальной мощностью 105 МВт, с начальным абсолютным давлением пара 12,8 МПа и абсолютным противодавлением 1,45 МПа.

Турбина ПР-12/15-8,8/1,45/0,7 — типа ПР, номинальной мощностью 12 МВт и максимальной мощностью 15 МВт, с начальным абсолютным давлением 8,8 МПа, давлением в отборе 1,45 МПа и противодавлением 0,7 МПа.

Для того чтобы увидеть, насколько совершенной машиной является паровая турбина, достаточно рассмотреть технические требования, предъявляемые к ней. Они сформулированы в государственных стандартах (ГОСТ). Здесь мы остановимся только на наиболее важных из них.

Прежде всего, к турбине предъявляется ряд требований, которые мож­но охватить одним термином — надежность. Надежность технического объекта — это его свойство выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Применительно к паровой турбине надежность — это бесперебойная выработка мощности при предусмотренных затратах топлива и установленной системе эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов, а также недопущения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Важно подчеркнуть, что понятие надежности включает в себя и понятие экономичности. Бесперебойно работающая турбина, работающая с низкой экономичностью из-за износа или с ограничением мощности из-за внутренних неполадок, не может считаться надежной. Надежность — это комплексное свойство, характеризуемое такими подсвойствами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, управляемость, живучесть, безопасность. Не вдаваясь в строгие определения этих подсвойств, отметим главные из них.

Безотказность — это свойство турбины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. Средняя наработка на отказ для турбин ТЭС мощностью 500 МВт и более должна быть не менее 6250 ч, а меньшей мощности — не менее 7000 ч, а для турбин АЭС — не менее 6000 ч. Если учесть, что в календарном году 8760 ч и что какое-то время турбина не работает (например, по указанию диспетчера энергосистемы), то это означает, что отказы по вине турбины в среднем должны происходить не чаще 1 раза в год.

Полный установленный срок службы турбины ТЭС должен быть не менее 40 лет, а турбин АЭС — не менее 30 лет. При этом оговаривается два важных обстоятельства. Первое: этот срок службы не относится к быстро­изнашивающимся деталям, например, рабочим лопаткам, уплотнениям, крепежным деталям. Для таких деталей важен средний срок службы до капитального ремонта (межремонтный период). В соответствии с ГОСТ он должен быть не менее 6 лет (кроме того, на ТЭС и АЭС реализуется плановая система текущих и планово-предупредительных ремонтов).

Для турбин ТЭС, а точнее для их деталей, работающих при температуре свыше 450 °С, кроме такого показателя долговечности, как срок службы, вводится другой показатель — ресурс — суммарная наработка турбины от начала эксплуатации до достижения предельного состояния. На этапе проектирования предельное состояние определяется как назначенный ресурс. По определению — это ресурс, при достижении которого эксплуатация турбины должна быть прекращена независимо от ее технического состояния. На самом деле при достижении назначенного ресурса турбина может сохранить значительную дополнительную работоспособность (остаточный ресурс) и, учитывая ее высокую стоимость, срок работы турбины продляют. Учитывая нелогичность применительно к турбине термина «назначенный ресурс», стали употреблять термин «расчетный ресурс». Таким образом, расчетный (назначенный) ресурс — это наработка турбины, которая гарантируется заводом-изготовителем; при ее достижении должен быть рассмотрен вопрос о ее дальнейшей эксплуатации.

ГОСТ не регламентирует расчетного ресурса (он должен быть установлен в технических условиях или техническом задании на ее проектирование в каждом конкретном случае). Долгие годы расчетный ресурс составлял 100 тыс. ч, сейчас — как правило, 200 тыс. ч.

Важнейшим требованием к турбине является высокая экономичность. Коэффициент полезного действия турбины оценивается по КПД ее цилиндров.

Коэффициент полезного действия цилиндра характеризуется той долей работоспособности пара, которую удалось преобразовать в механическую энергию. Наивысшую экономичность имеет ЦСД: в хороших турбинах он составляет 90—94 %. Коэффициент полезного действия ЦВД и ЦНД существенно меньше и в среднем составляет 84—86 %. Это уменьшение обусловлено существенно более сложным характером течения пара в решетках очень малой (несколько десятков миллиметров в первых ступенях ЦВД) и очень большой (1 м и более) в последних ступенях ЦНД высотой решеток. Рассчитать это течение и подобрать под него профили лопаток затруднительно даже при современных вычислительных средствах. Кроме того, значительная часть проточной части ЦНД работает влажным паром, капли влаги имеют скорость существенно меньшую, чем пар, и оказывают на вращающиеся рабочие лопатки тормозящее действие.

Кроме приведенных технических требований ГОСТ содержит многочисленные другие требования, в частности, к системе защиты турбины при возникновении аварийных ситуаций, к маневренности (диапазон длительной работы — обычно 30—100 % номинальной мощности; продолжительности пуска и остановки, число возможных пусков и т.д.), к системе регулирования и управления турбиной, к ремонтопригодности и безопасности (пожаробезопасности, уровня вибрации, шума и т.д.), методов контроля параметров рабочих сред (пара, масла, конденсата), транспортирования и хранения.

3.2. Основные элементы современных паровых турбин

3.2. Основные элементы современных паровых турбин

Конструкция паровой турбины

Конструктивно современная паровая турбина (рис. 3.4) состоит из одного или нескольких цилиндров, в которых происходит процесс преобразования энергии пара, и ряда устройств, обеспечивающих организацию ее рабочего процесса.

Цилиндр. Основным узлом паровой турбины, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию парового потока и далее – в механическую энергию ротора, является цилиндр. Он состоит из неподвижного корпуса (статоратурбины из двух частей, разделенных по горизонтальному разъему; направляющих (сопловых) лопаток, лабиринтовых уплотнений, впускного и выхлопного патрубков, опор подшипников и др.) и вращающегося в этом корпусе ротора (вал, диски, рабочие лопатки и др.). Основная задача сопловых лопаток – превратить потенциальную энергию пара, расширяющегося в сопловых решетках с уменьшением давления и одновременным снижением температуры, в кинетическую энергию организованного парового потока и направить его в рабочие лопатки ротора. Основное назначение рабочих лопаток и ротора турбины – преобразовать кинетическую энергию парового потока в механическую энергию вращающегося ротора, которая в свою очередь преобразуется в генераторе в электрическую энергию. Ротор мощной паровой турбины представлен на рисунке 3.5.

Число венцов сопловых лопаток в каждом цилиндре паровой турбины равно числу венцов рабочих лопаток соответствующего ротора. В современных мощных паровых турбинах различают цилиндры низкого, среднего, высокого и сверхвысокого давления (рис. 3.6.). Обычно цилиндром сверхвысокого давления именуется цилиндр, давление пара на входе в который превосходит 30,0 МПа, цилиндром высокого давления – участок турбины, давление пара на входе в который колеблется в пределах 23,5 – 9,0 МПа, цилиндром среднего давления – участок турбины, давление пара на входе в который около 3,0 МПа, цилиндром низкого давления – участок, давление пара на входе в который не превышает 0,2 МПа. В современных мощных турбоагрегатах число цилиндров низкого давления может достигать 4 с целью обеспечения приемлемой по условиям прочности длины рабочих лопаток последних ступеней турбины.

Органы парораспределения. Количество пара, поступающего в цилиндр турбины, ограничивается открытием клапанов, которые вместе с регулирующей ступенью называются органами парораспределения. В практике турбиностроения различают два типа парораспределения – дроссельное и сопловое. Дроссельное парораспределение предусматривает подвод пара после открытия клапана равномерно по всей окружности венца сопловых лопаток. Это означает, что функцию изменения расхода выполняет кольцевая щель между клапаном, который перемещается, и его седлом, которое установлено неподвижно. Процесс изменения расхода в этой конструкции связан с дросселированием. Чем меньше открыт клапан, тем больше потери давления пара от дросселирования и тем меньше его расход на цилиндр.

Рис. 3.4. Внешний вид паровой турбины К-300-240

Рис. 3.5. Ротор паровой турбины мощностью 220 МВт

Сопловое парораспределение предусматривает секционирование направляющих лопаток по окружности на несколько сегментов (групп сопел), к каждому из которых организован отдельный подвод пара, оснащенный своим клапаном, который либо закрыт, либо полностью открыт. При открытом клапане потери давления на нем минимальны, а расход пара пропорционален доле окружности, через которую этот пар поступает в турбину. Таким образом, при сопловом парораспределении процесс дросселирования отсутствует, а потери давления сводятся к минимуму.

В случае высокого и сверхвысокого начального давления в системе паровпуска применяются так называемые разгрузочные устройства, которые предназначены для уменьшения начального перепада давления на клапане и снижения усилия, которое необходимо приложить к клапану при его открытии.

В некоторых случаях дросселирование называют еще качественным регулированием расхода пара на турбину, а сопловое парораспределение – количественным.

Система регулирования. Эта система позволяет осуществлять синхронизацию турбогенератора с сетью, устанавливать заданную нагрузку при работе в общую сеть, обеспечивать перевод турбины на холостой ход при сбросе электрической нагрузки. Принципиальная схема системы непрямого регулирования с центробежным регулятором скорости представлена на рисунке 3.7.

С ростом частоты вращения ротора турбины и муфты регулятора центробежная сила грузов увеличивается, муфта регулятора скорости1поднимается, сжимая пружину регулятора и поворачивая рычаг АВ вокруг точки В. Соединенный с рычагом в точке С золотник2смещается из среднего положения вверх и сообщает верхнюю полость гидравлического сервомотора3с напорной линией4через окноa, а нижнюю – со сливной линией5через окноb. Под воздействием перепада давлений поршень сервомотора перемещается вниз, прикрывая регулирующий клапан6и уменьшая пропуск пара в турбину7, что и обусловит снижение частоты вращения ротора. Одновременно со смещением штока сервомотора рычаг АВ поворачивается относительно точки А, смещая золотник вниз и прекращая подачу жидкости в сервомотор. Золотник возвращается в среднее положение, чем стабилизируется переходный процесс при новой (уменьшенной) частоте вращения ротора. Если увеличивается нагрузка турбины и частота вращения ротора падает, то элементы регулятора смещаются в противоположном рассмотренному направлении и процесс регулирования протекает аналогично, но с увеличением пропуска пара в турбину. Это приводит к росту скорости вращения ротора и восстановлению частоты генерируемого тока.

Системы регулирования паровых турбин, применяемых, например, на АЭС, в качестве рабочей жидкости используют, как правило, турбинное масло. Отличительной особенностью систем регулирования турбин К-300240-2 и К-500-240-2 является применение в системе регулирования вместо турбинного масла конденсата водяного пара. На всех турбинах НПО «Турбоатом», помимо традиционных гидравлических систем регулирования, применяют электрогидравлические системы регулирования (ЭГСР) с более высоким быстродействием.

Валоповорот. В турбоагрегатах традиционно применяется «тихоходный» – несколько оборотов в минуту – валоповорот. Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора при пуске и останове турбины для предотвращения теплового искривления ротора. Одна из конструкций валоповоротного устройства изображена на рис. 3.8. Она включает электродвигатель с червяком, входящим в зацепление с червячным колесом1, расположенным на промежуточном валике. На винтовой шпонке этого валика установлена ведущая цилиндрическая шестерня, которая при включении валоповоротного устройства входит в зацепление с ведомой цилиндрической шестерней, сидящей на валу турбины. После подачи пара в турбину частота вращения ротора растет и ведущая шестерня автоматически выходит из зацепления.

Рис. 3.6. Цилиндры высокого, среднего и низкого давления паровой турбины мощностью 300 МВт (нижняя половина)

Рис. 3.7. Принципиальная схема регулирования с однократным усилением: 1 – муфта регулятора; 2 – золотник; 3 – гидравлический сервомотор; 4 – напорная линия; 5 – сливная линия; 6 – регулирующий клапан; 7 – подача пара в турбину

Подшипники и опоры. Паротурбинные агрегаты расположены, как правило, в машинном зале электростанции горизонтально. Такое расположение обусловливает применение в турбине наряду с опорными также и упорных или опорно-упорных подшипников3(см. рис. 3.8). Для опорных подшипников наиболее распространенным в энергетике является парное их количество – на каждый ротор приходится два опорных подшипника. Для тяжелых роторов (роторов низкого давления быстроходных турбин с числом оборотов 3000 об/мин и всех без исключения роторов «тихоходных» турбин с числом оборотов 1500 об/мин) допустимо применение традиционных для энергетического турбиностроения втулочных подшипников. В таком подшипнике нижняя половина вкладыша выполняет роль несущей поверхности, а верхняя половина – роль демпфера любых возмущений, возникающих при эксплуатации. К таким возмущениям можно отнести остаточную динамическую неуравновешенность ротора, возмущения, возникающие при прохождении критических чисел оборотов, возмущения за счет переменных сил от воздействия парового потока. Сила веса тяжелых роторов, направленная вниз, в состоянии подавить, как правило, все эти возмущения, что обеспечивает спокойный ход турбины. А для относительно легких роторов (роторов высокого и среднего давления) все перечисленные возмущения могут оказаться значительными по сравнению с весом ротора, особенно в паровом потоке высокой плотности. Для подавления этих возмущений разработаны так называемые сегментные подшипники. В этих подшипниках каждый сегмент обладает повышенной по сравнению с втулочным подшипником демпфирующей способностью.

Естественно, конструкция сегментного опорного подшипника, где каждый сегмент снабжается маслом индивидуально, значительно сложнее, чем втулочного. Однако резко возросшая надежность окупает это усложнение.

Что касается упорного подшипника, то его конструкция всесторонне рассмотрена еще Стодолой и за истекшее столетие практически не претерпела каких-либо изменений. Опоры, в которых располагаются упорный и опорные подшипники, изготавливают скользящими с «фикспунктом» в районе упорного подшипника. Это обеспечивает минимизацию осевых зазоров в области максимального давления пара, т.е. в области самых коротких лопаток, что в свою очередь позволяет минимизировать в этой зоне потери от утечек.

Рис. 3.8. Продольный разрез турбины К-50-90: 1 – ротор турбины; 2 – корпус турбины; 3 – опорно-упорный подшипник; 4 – опорный подшипник; 5 – регулирующий клапан; 6 – сопловая коробка; 7 – кулачковый вал; 8 – сервомотор; 9 – главный масляный насос; 10 – регулятор скорости; 11 – следящий золотник; 12 – картер переднего подшипника; 13 – червячное колесо валоповоротного устройства; 14 – соединительная муфта; 15 – выхлопной патрубок турбины; 16 – насадные диски; 17 – рабочие лопатки; 18 – диафрагмы; 19 – обоймы диафрагм; 20 – обоймы переднего концевого уплотнения; 21 – перепускная труба (от стопорного к регулирующему клапану)

Типичная конструкция одноцилиндровой конденсационной турбины мощностью 50 МВт с начальными параметрами пара 8,8 МПа, 535°С представлена на рис. 3.8. В этой турбине применен комбинированный ротор. Первые 19 дисков, работающих в зоне высокой температуры, откованы как одно целое с валом турбины, последние три диска — насадные.

Неподвижную сопловую решетку, закрепленную в сопловых коробках или диафрагмах с соответствующей вращающейся рабочей решеткой, закрепленной на следующем по ходу пара диске, называютступенью турбины. Проточная часть рассматриваемой одноцилиндровой турбины состоит из 22 ступеней, из которых первая называетсярегулирующей. В каждой сопловой решетке поток пара ускоряется и приобретает направление безударного входа в каналы рабочих лопаток. Усилия, развиваемые потоком пара на рабочих лопатках, вращают диски и связанный с ними вал. По мере понижения давления пара при прохождении от первой к последней ступени удельный объем пара растет, что требует увеличения проходных сечений сопловых и рабочих решеток и, соответственно, высоты лопаток и среднего диаметра ступеней.

К переднему торцу ротора прикреплен приставной конец вала, на котором установлены бойки предохранительных выключателей (датчики автомата безопасности), воздействующие на стопорный и регулирующие клапаны и прекращающие доступ пара в турбину при превышении частоты вращения ротора на 10–12% по сравнению с расчетной.

Статор турбины состоит из корпуса, в который вварены сопловые коробки, соединенные с помощью сварки с клапанными коробками, установлены обоймы концевых уплотнений, обоймы диафрагм, сами диафрагмы и их уплотнения. Корпус этой турбины, кроме обычного горизонтального разъема, имеет два вертикальных разъема, разделяющих его на переднюю часть, среднюю часть и выходной патрубок. Передняя часть корпуса выполнена литой, средняя часть корпуса и выходной патрубок сделаны сварными.

В переднем картере расположен опорноупорный подшипник, в заднем картере – опорные подшипники роторов турбины и генератора. Передний картер установлен на фундаментной плите и при тепловом расширении корпуса турбины может свободно перемещаться по этой плите. Задний картер выполнен за одно целое с выхлопным патрубком турбины, который при тепловых расширениях остается неподвижным благодаря его фиксации пересечением поперечной и продольной шпонок, образующих так называемыйфикспункттурбины, или мертвую точку. В заднем картере турбины расположено валоповоротное устройство.

В турбине К-50-90 применена сопловая система парораспределения, т.е. количественное регулирование расхода пара. Устройство автоматического регулирования турбины состоит из четырех регулирующих клапанов, распределительного кулачкового вала, соединенного зубчатой рейкой с сервомотором. Сервомотор получает импульс от регулятора скорости и регулирует положение клапанов. Профили кулачков выполнены так, чтобы регулирующие клапаны открывались поочередно один за другим. Последовательное открытие или закрытие клапанов исключает дросселирование пара, проходящего через полностью открытые клапаны при пониженных нагрузках турбины.

Конденсатор и вакуумная система.

Подавляющее большинство турбин, используемых в мировой энергетике для производства электрической энергии, являются конденсационными. Это означает, что процесс расширения рабочего тела (водяного пара) продолжается до давлений, значительно меньших, чем атмосферное. В результате такого расширения дополнительно выработанная энергия может составлять несколько десятков процентов от суммарной выработки.

Конденсатор – теплообменный аппарат, предназначенный для превращения отработавшего в турбине пара в жидкое состояние (конденсат). Конденсация пара происходит при соприкосновении его с поверхностью тела, имеющего более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении в конденсаторе. Конденсация пара сопровождается выделением теплоты, затраченной ранее на испарение жидкости, которая отводится при помощи охлаждающей среды. В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы разделяются наводяныеивоздушные. Современные паротурбинные установки снабжены, как правило, водяными конденсаторами. Воздушные конденсаторы имеют по сравнению с водяными более сложную конструкцию и не получили в настоящее время широкого распространения.

Рис. 3.9. Схема двухходового поверхностного конденсатора: 1 – корпус конденсатора; 2,3 – крышки водяных камер; 4 – трубная доска; 5 – конденсаторные трубки; 6 – приемный паровой патрубок; 7 – конденсатосборник; 8 – патрубок отсоса паровоздушной смеси; 9 – воздухоохладитель; 10 – паронаправляющий щит; 11 – входной патрубок; 12 – выходной патрубок для охлаждающей воды; 13 – разделительная перегородка; 14 – паровое пространство конденсатора; 15,16,17 – входная, поворотная и выходная камеры охлаждающей воды; А – вход отработавшего пара; Б – отсос паровоздушной смесии; В, Г – вход и выход охлаждающей воды; Д – отвод конденсата

Конденсационная установка паровой турбины состоит из собственно конденсатора и дополнительных устройств, обеспечивающих его работу. Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом. Конденсатные насосы служат для откачки из нижней части конденсатора конденсата и подачи его в систему регенеративного подогрева питательной воды. Воздухоотсасывающие устройства предназначены для удаления воздуха, поступающего в турбину и конденсатор вместе с паром, а также через неплотности фланцевых соединений, концевые уплотнения и другие места.

Схема простейшего поверхностного конденсатора водяного типа приведена на рис. 3.9.

Он состоит из корпуса, торцевые стороны которого закрыты трубными досками с конденсаторными трубками, выходящими своими концами в водяные камеры. Камеры разделяются перегородкой, которая делит все конденсаторные трубки на две секции, образующие так называемые «ходы» воды (в данном случае – два хода). Вода поступает в водяную камеру через патрубок и проходит по трубкам, расположенным ниже перегородки. В поворотной камере вода переходит во вторую секцию трубок, расположенную по высоте выше перегородки. По трубкам этой секции вода идет в обратном направлении, совершая второй «ход», попадает в камеру и через выходной патрубок направляется на слив.

Пар, поступающий из турбины в паровое пространство, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода. За счет резкого уменьшения удельного объема пара в конденсаторе создается низкое давление (вакуум). Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе. Образующийся конденсат стекает в нижнюю часть корпуса конденсатора, а затем в конденсатосборник.

Удаление воздуха (точнее, паровоздушной смеси) из конденсатора производится воздухоотсасывающим устройством через патрубок8. В целях уменьшения объема отсасываемой паровоздушной смеси ее охлаждают в специально выделенном с помощью перегородки отсеке конденсатора – воздухоохладителе.

Для отсоса воздуха из воздухоохладителя устанавливается трехступенчатый пароструйный эжектор – основной. Помимо основного эжектора, который постоянно находится в эксплуатации, в турбоустановке предусмотрены эжектор пусковой конденсатора (водоструйный) и эжектор пусковой циркуляционной системы. Эжектор пусковой конденсатора предназначен для быстрого углубления вакуума при пуске турбоустановки. Эжектор пусковой циркуляционной системы служит для отсоса паровоздушной смеси из циркуляционной системы конденсатора. Конденсатор турбоустановки снабжен также двумя конденсатосборниками, из которых образующийся конденсат непрерывно откачивается конденсатными насосами.

На переходном патрубке конденсатора размещены приемно-сбросные устройства, цель которых – обеспечить сброс пара из котла в конденсатор в обход турбины при внезапном полном сбросе нагрузки или в пусковых режимах. Расходы сбрасываемого пара могут достигать 60% полного расхода пара на турбину. Конструкция приемносбросного устройства предусматривает, помимо снижения давления, снижение температуры сбрасываемого в конденсатор пара с соответствующим ее регулированием. Она должна поддерживаться на 10–20°С выше температуры насыщения при данном давлении в конденсаторе.

Промежуточный перегрев и регенерация в турбоустановках. В теплоэнергетической установке с промежуточным перегревом пар после расширения в цилиндре высокого давления (ЦВД) турбины направляется в котел для вторичного перегрева, где температура его повышается практически до того же уровня, что и перед ЦВД. После промежуточного перегрева пар направляется в цилиндр низкого давления, где расширяется до давления в конденсаторерк.

Экономичность идеального теплового цикла с промежуточным перегревом зависит от параметров пара, отводимого на промежуточный перегрев. Оптимальную температуру параТ1опт, при которой он должен отводиться на промежуточный перегрев, можно ориентировочно оценить как 1,02–1,04 от температуры питательной воды. Давление пара перед промежуточным перегревом обычно выбирают равным 0,15—0,3 давления свежего пара. В результате промперегрева общая экономичность цикла возрастет. При этом благодаря уменьшению влажности пара в последних ступенях турбины низкого давления возрастут относительные внутренние к.п.д. этих ступеней, а следовательно, увеличится и к.п.д. всей турбины. Потеря давленияΔрппв тракте промежуточного перегрева (в паропроводе от турбины к котлу, перегревателе и паропроводе от котла к турбине) снижает эффект от применения промперегрева пара и поэтому допускается не более 10% потери абсолютного давления в промежуточном перегревателе.

Система регенерации в турбоустановках предполагает подогрев конденсата, образовавшегося в конденсаторе, паром, который отобран из проточной части турбины. Для этого основной поток конденсата пропускают через подогреватели, в трубную систему которых поступает конденсат, а в корпус подается пар из отборов турбины. Для подогрева основного конденсата применяют подогреватели низкого давления (ПНД), подогреватели высокого давления (ПВД) и между ними – деаэратор (Д). Деаэратор предназначен для удаления из основного конденсата остатков воздуха, растворенного в конденсате.

Идея регенерации в ПТУ возникла в связи с потребностью снижения потерь теплоты в конденсаторе. Известно, что потери теплоты с охлаждающей водой в конденсаторе турбины прямо пропорциональны количеству отработавшего пара, поступающего в конденсатор. Расход пара в конденсатор можно значительно уменьшить (на 30–40%) путем отбора его для подогрева питательной воды за ступенями турбины после того, как он произвел работу в предшествующих ступенях. Такой процесс называют регенеративным подогревом питательной воды. Регенеративный цикл по сравнению с обычным имеет более высокую среднюю температуру подвода теплоты при неизменной температуре отвода и обладает поэтому более высоким термическим к.п.д. Повышение экономичности в цикле с регенерацией пропорционально мощности, вырабатываемой на тепловом потреблении, т. е. на базе теплоты, переданной питательной воде в системе регенерации. Путем регенеративного подогрева температура питательной воды могла бы быть повышена до температуры, близкой к температуре насыщения, отвечающей давлению свежего пара. Однако при этом сильно возросли бы потери теплоты с уходящими газами котла. Поэтому международные нормы типоразмеров паровых турбин рекомендуют выбирать температуру питательной воды на входе в котел равной 0,65–0,75 температуры насыщения, отвечающей давлению в котле. В соответствии с этим при сверхкритических параметрах пара, в частности при начальном давлении егор0=23,5 МПа, температура питательной воды принимается равной 265–275°С.

Рис. 3.10. Тепловая схема турбинной установки с использованием утечек пара концевых уплотнений и уплотнений штоков клапанов турбины в системе регенерации: Т – турбина; Г – генератор; К – конденсатор; КН – конденсатный насос; ЭЖ – основной эжектор; ОЭ – охладитель основного эжектора; ЭУ – эжектор уплотнений; ОЭУ – охладитель пара эжектора отсоса уплотнений; СП – сальниковый подогреватель; П1–П4 – подогреватели; ОК – охладитель конденсата; Д – деаэратор; ПН – питательный насос

Регенерация положительно влияет на относительный внутренний к.п.д. первых ступеней благодаря повышенному расходу пара через ЦВД и соответствующему увеличению высоты лопаток. Объемный пропуск пара через последние ступени турбины при регенерации уменьшается, что снижает потери с выходной скоростью в последних ступенях турбины.

В современных паротурбинных установках средней и большой мощности в целях повышения их экономичности применяют широко развитую систему регенерации с использованием пара концевых лабиринтовых уплотнений, уплотнений штоков регулирующих клапанов турбины и др. (рис.3.10).

Свежий пар из котла поступает в турбину по главному паропроводу с параметрамир0,t0. После расширения в проточной части турбины до давленияркон направляется в конденсатор. Для поддержания глубокого вакуума из парового пространства конденсатора основным эжектором (ЭЖ) отсасывается паровоздушная смесь. Конденсат отработавшего пара стекает в конденсатосборник, затем конденсатными насосами (КН) подается через охладитель эжектора (ОЭ), охладитель пара эжектора отсоса уплотнений (ОЭУ), сальниковый подогреватель (СП) и регенеративные подогреватели низкого давления П1, П2 в деаэратор Д. Деаэратор предназначен для удаления растворенных в конденсате агрессивных газов (О2и СО2), вызывающих коррозию металлических поверхностей. Кислород и свободная углекислота попадают в конденсат из-за присосов воздуха через неплотности вакуумной системы турбинной установки и с добавочной водой. В деаэраторе агрессивные газы удаляются при нагревании конденсата и добавочной воды паром до температуры насыщения греющего пара. В современных паротурбинных установках устанавливают деаэраторы повышенного давления 0,6—0,7 МПа с температурой насыщения 158–165°С. Конденсат пара на участке от конденсатора до деаэратора называют конденсатом, а на участке от деаэратора до котла – питательной водой.

Питательная вода из деаэратора забирается питательным насосом (ПН) и под высоким давлением (на блоках со сверхкритическими и суперсверхкритическими параметрами пара до 35 МПа) подается через подогреватели высокого давления ПЗ, П4 в котел.

Пар концевых лабиринтовых уплотнений турбины отсасывается из крайних камер уплотнений, где поддерживается давление 95—97 кПа, специальным эжектором и направляется в охладитель эжектора отсоса, через который прокачивается основной конденсат. Часть пара повышенного давления из концевых лабиринтовых уплотнений направляется в первый и третий регенеративные отборы. С целью предотвращения присоса воздуха в вакуумную систему через концевые уплотнения турбины в каждой предпоследней камере концевых уплотнений поддерживается небольшое избыточное (110—120 кПа) давление с помощью специального регулятора, установленного на подводе уплотняющего пара к этой камере из деаэратора.

Питательная установка. Питательная установка турбоагрегата состоит из главного питательного насоса с турбинным приводом, пускорезервного питательного

насоса с электроприводом и бустерных насосов с электроприводом. Питательная установка предназначена для подачи питательной воды из деаэратора через подогреватели высокого давления в котел. Насос включается в работу при нагрузке блока 50–60% и рассчитан на работу в диапазоне 30–100%. Пускорезервный питательный насос ПЭН приводится во вращение асинхронным электродвигателем.

Сборка паровой турбины на испытательном стенде

Газовые турбины

Сегодня на территории Российской Федерации свыше 30 ГВт генерирующих мощностей работают в парогазовом цикле. Доля оборудования иностранных компаний в суммарной установленной мощности введенных в эксплуатацию ПГУ и ГТУ составляет более 70%.

В 2018 году Правительством России в целях обеспечения энергобезопасности и энергонезависимости принято решение о воссоздании в стране отечественного производства газовых турбин.

В это же время «Силовые машины», с учетом достижений в традиционной для предприятия области паровых турбин, значительным опытом в освоении новых видов продукции и накопленным опытом по созданию газотурбинных установок в прошлом, начали программу освоения производства современных отечественных энергетических газовых турбин класса ГТЭ-65 и ГТЭ-170.

В 2019 году «Силовые машины» одержали победу в конкурсе Министерства промышленности и торговли РФ на право получения субсидии на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в рамках производства газовых турбин большой мощности. В настоящее время при поддержке Минпромторга России «Силовые машины» проводят комплекс НИОКР в партнерстве с ключевыми научно-исследовательскими и промышленными организациями страны — Сибирским отделением РАН, НПО ЦКТИ, ЦИАМ, ВТИ, ЦНИИТМАШ и многими другими.

Благодаря этой работе «Силовые машины» смогут в краткосрочной перспективе предложить рынку две полностью российские газовые турбины — 65 МВт и 170 МВт.

К концу 2019 года на предприятии было воссоздано конструкторское бюро газотурбинных установок, реализуется масштабный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, определены отечественные поставщики критически важных комплектующих и заготовок, ведется модернизация собственной производственной и экспериментально-исследовательской базы. Первые образцы ГТЭ-170 будут запущены в опытно-промышленную эксплуатацию в 2022–2023 годах, а ГТЭ-65 — с 2024-го.

Газовые турбины ГТЭ-65 и ГТЭ-170 могут использоваться в составе парогазовых установок как в моноблоке с индивидуальной паровой турбиной, так и в дубль-блоке с общей, на две ГТУ, паровой турбиной.

Успешное освоение технологии производства газовых турбин российской компанией позволит снизить зависимость отечественной энергетики от импорта данного типа оборудования, обеспечит энергетическую и технологическую безопасность государства.

Подробнее

Турбины Siemens для Беларуси: кредита от KfW не будет, но поставки идут | Анализ событий в политической жизни и обществе Германии | DW

Немецкая компания Siemens Energy продолжает выполнять контракт на поставку в Беларусь со своего шведского предприятия 16 газовых турбин несмотря на то, что немецкий государственный банк KfW IPEX Bank вышел из финансирования проекта. «В данный момент мы выполняем свои договорные обязательства, значительная часть машин произведена и готовится к отправке либо уже на месте», — сообщил в ответ на запрос DW пресс-секретарь компании Тим Проль-Герве (Tim Proll-Gerwe).

Шведское госагентство вышло из проекта после инцидента с самолетом Ryanair

Банк развития KfW IPEX Bank подтвердил DW появившуюся в последние дни в различных СМИ информацию о том, что он аннулировал еще не выплаченный белорусской госкомпании «Минскэнерго» кредит в 100 млн евро после того, как государственное экспортно-кредитное агентство Швеции (EKN) отказалось страховать проект.

«Шведское EKN проинформировало нас о том, что оно отзывает покрытие экспортного финансирования. Это автоматически означает окончание нашего кредитного договора. До сих пор KfW IPEX Bank не осуществил никаких выплат в рамках этого договора, после окончания кредитного договора будущие выплаты уже невозможны», — сообщил заместитель пресс-секретаря банка Филипп Кильбасса (Philipp Kielbassa).

Шведское госагентство вышло из проекта после ареста журналиста Романа Протасевича

Шведское госагентство вышло из проекта еще 26 мая в качестве реакции на осуществленную властями Беларуси 23 мая принудительную посадку в Минске самолета Ryanair с целью арестовать находившегося на борту оппозиционного журналиста Романа Протасевича и его спутницу Софью Сапегу. «Отсутствуют предпосылки для того, чтобы оба проекта в Беларуси соответствовали бы требованиям защиты прав человека в соответствии с международными правовыми нормами», — заявило EKN.

Вторым упомянутым в этом заявлении проектом является поставка газовых турбин Siemens Energy белорусской госкомпании «Брестэнерго». Эту сделку кредитует немецкий Commerzbank. На запрос DW его пресс-секретарь Бернд Ре (Bernd Reh) ответил: «Просим с пониманием отнестись к тому, что мы принципиально не высказываемся по поводу возможных или существующих кредитных договоренностей».

На вопрос о том, как на проекте сказался выход из него шведского госагентства, пресс-секретарь Siemens Energy Тим Проль-Герве ответил, что «решение EKN пока не имеет прямых последствий для наших обязательств, ведь клиентом и тем самым получателем кредита является белорусская энергетическая компания». 

Немецкие банки политических заявлений не делают

Таким образом, в истории с поставкой в Беларусь газовых турбин для создания так называемых пиково-резервных мощностей, призванных подстраховывать работу Белорусской АЭС, вырисовывается следующая картина.

Сразу после инцидента с самолетом Ryanair, вызвавшего резкое осуждение в Евросоюзе и повлекшего за собой различные санкции против официального Минска, шведское госагентство решило отказаться от дальнейшего страхования проекта с белорусскими государственными энергетическими компаниями. При этом оно сделало не очень резкое, но все же политическое заявление.

Газовые турбины Siemens Energy нужны, чтобы подстраховывать работу Белорусской АЭС

После этого немецкий госбанк KfW IPEX Bank аннулировал свой еще не выплаченный кредит, но сделал это по чисто формальному признаку, автоматически отреагировав на изменение условий кредитного договора, и от каких-либо политических заявлений воздержался.

Немецкий коммерческий банк Commerzbank никаких заявлений вообще не сделал, что позволяет предположить, что кредит не только не аннулирован, но даже уже выплачен. Во всяком случае Siemens Energy продолжает выполнять заказ белорусских госкомпаний на 16 турбин, особо не беспокоясь, похоже, по поводу их оплаты.  

И тут возникает вопрос: из каких источников она осуществляется? Ведь кредит Commerzbank покрывает, судя по всему, только 5 турбин. Возможный вариант ответа: немецкая компания Siemens Energy фактически сама кредитует сейчас белорусское государство в надежде, что рано или поздно оно заплатит по счетам.

Смотрите также:

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Индекс демократии

  При составлении рейтинга Democracy Index аналитики издания The Economist учитывают такие показатели, как выборы и плюрализм, гражданские свободы, деятельность правительства, участие населения в политике, политическая культура. В 2020 году Беларусь заняла 148-е место из 167 — рядом с Гвинеей-Бисау и Суданом. Из постсоветских стран хуже ситуация только в Узбекистане, Таджикистане и Туркменистане.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Уровень восприятия коррупции

  Рейтинг Corruption Perceptions Index, который составляет Transparency International, — индикатор уровня коррупции в общественном секторе. В 2020 году Беларусь заняла 63-е место, поделив его с Кубой и Хорватией. Это лучше, чем показатели России и Украины, но хуже, чем Литвы и Латвии. Из стран Восточной Европы и Центральной Азии лучше всего обстоят дела в Грузии (45 место) и Армении (60-е).

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Условия для ведения бизнеса

  В отчете Всемирного банка Doing Business-2020, который охватывает 190 экономик мира, Беларусь опустилась на 49-е место с 37-го. Россия — на 28-м месте, Украина — на 64-м. Самые высокие позиции Беларуси — по индикаторам «регистрация собственности» и «подключение к системе электроснабжения». Хуже всего — по критериям «налогообложение», «получение кредита» и «защита миноритарных инвесторов».

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Гендерное неравенство

  В рейтинге неравенства мужчин и женщин, составляемом Всемирным экономическим форумом, Беларусь на 29-м месте из 153. Для сравнения: Украина — на 59-м, РФ — 81-м. Среди критериев — репродуктивное здоровье, уровень образования, участие в политике, возможности на рынке труда. По экономической активности женщин Беларусь на 5-м месте, по уровню образования — на 39-м, по участию в политике — на 81-м.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  ВВП на душу населения с учетом стоимости жизни

  Показатель ВВП на душу населения, рассчитанный по паритету покупательской способности, говорит об экономическом развитии страны и благосостоянии ее среднестатистического жителя. В рейтинге Всемирного банка на основе данных за 2019 год Беларусь занимала 66-ю строчку из 186 стран. Среди стран СНГ по этому показателю она находится на третьем месте после России (50) и Казахстана (54).

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Уровень свободы СМИ

  По уровню свободы прессы Беларусь находится на 158-м месте из 180. Это результаты рейтинга 2021 года. Россия — на 150-й строчке, Украина — на 97-й. Для его составления «Репортеры без границ» проводят опрос среди журналистов, исследователей и правозащитников из разных стран мира. Среди критериев — цензура, арест тиражей, обыски, избиения, аресты и другие репрессии против журналистов.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Рейтинг милитаризации

  Глобальный индекс милитаризации (GMI), который составляет Боннский международный центр конверсии (BICC), показывает соотношение военного бюджета и расходов на другие общественные нужды. По данным за 2019 год, Беларусь входит в двадцатку самых милитаризованных в мире государств (17-е место). Ее соседи по индексу — Азербайджан и Ирак. Доля расходов на оборону в ВВП страны — 1,2 процента.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Всемирный индекс счастья

  В этом «Всемирном индексе счастья» нынешний кризис в Беларуси не учтен. Последние данные за 2017-19 годы. Тогда Беларусь заняла 75-ю строчку из 153. Для сравнения: Узбекистан — 38-ю, Россия — 73-ю, Украина — 123-ю. Авторы принимают во внимание такие факторы, как уровень ВВП на душу населения, продолжительность жизни, субъективное восприятие жителями уровня соцподдержки, коррупции и другие.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Индекс человеческого развития

  При составлении этого рейтинга учитываются такие критерии, как уровень благосостояния и грамотности, продолжительность жизни. В докладе 2020 года Беларусь на 53-й позиции из 189 — между Россией и Турцией. Средняя продолжительность жизни белорусов — 74,8 лет. Уровень образования сравним с Японией и Францией. По ВВП на душу населения Беларусь отстает от России, Польши и Литвы.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Свобода перемещения

  В мировом индексе привлекательности паспортов, автором которого является консалтинговая компания Henley & Partners, Беларусь вместе с Казахстаном и Китаем делит 70-ю строчку из 110. С белорусским паспортом сейчас можно посетить 75 стран без оформления визы. Для сравнения: с паспортом РФ — 116 стран, Украины — 130.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Почтовые услуги

  Рейтинг стран по уровню развития почтовых услуг Integrated Index for Postal Development охватывает 170 стран. У Беларуси в нем высокий показатель. В списке за 2020 год она занимает 20-е место между Россией (19) и Словакией (21). Всемирный почтовый союз, вычисляя этот рейтинг, учитывает надежность, доступность, релевантность почтовых услуг и их устойчивость к кризису, например, во время пандемии.

• Беларусь в различных мировых рейтингах

  Индекс глобальных климатических рисков

  В Индексе глобальных климатических рисков, составитель которого — экологическая организация Germanwatch, в 2019 году Беларусь с рядом других стран заняла последнее 130-е место. Этот индекс оценивает уязвимость стран для природных катастроф. С 2000 по 2019 годы РБ занимала 166-е место из 180. В рейтинге учитывается информация о стихийных бедствиях и социально-экономические данные от МВФ.

  Автор: Янина Мороз

турбина | Британника

Полная статья

турбина , любое из различных устройств, которые преобразуют энергию потока жидкости в механическую энергию. Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему неподвижных каналов или лопастей, которые чередуются с каналами, состоящими из лопастей, похожих на ребра, прикрепленных к ротору. Путем организации потока на лопасти ротора действует касательная сила или крутящий момент, ротор вращается, и работа извлекается.

Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер. Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслужить отдельное описание.

Водяная турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы в высоте между верхним водным резервуаром и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий трубопровод), для преобразования этого так называемого напора в работу. Водяные турбины — современные преемники простых водяных колес, которым около 2000 лет.Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.

Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрогенераторами. Турбины приводятся в действие паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в генераторе, работающем на атомной энергии. Энергия, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии в турбине. Энтальпия отражает формы тепловой и механической энергии в процессе потока и определяется суммой внутренней тепловой энергии и произведением давления на объем.Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с увеличением температуры и давления парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Для газовых турбин энергия, извлекаемая из текучей среды, также может быть выражена через изменение энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры в турбине. В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания.Большинство газотурбинных двигателей включает, по крайней мере, компрессор, камеру сгорания и турбину. Обычно они монтируются как единое целое и работают как законченный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать устройство в целом, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбиной.По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье двигатель внутреннего сгорания.

Энергия ветра может быть извлечена ветряной турбиной для производства электроэнергии или для откачки воды из скважин. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важным источником энергии с позднего средневековья до XIX века.

Fred Landis

Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реактивные турбины, обычно используемые для напора ниже примерно 450 метров и среднего или высокого расхода.Эти два класса включают в себя основные типы, обычно используемые, а именно, импульсные турбины Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсиса, пропеллера, Каплана и Дериаза. Турбины могут быть оборудованы как горизонтальными, так и, чаще, вертикальными валами. Для каждого типа возможны широкие вариации конструкции для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Импульсные турбины

В импульсных турбинах потенциальная энергия или напор воды сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло тщательно продуманной формы.Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые лопатки, закрепленные на периферии бегунка, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.

Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная водная струя попадает в лопатки турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется, оставляя желоб с обеих сторон. Колеса Пелтона подходят для высоких напоров, обычно выше 450 метров при относительно низком расходе воды.Для максимальной эффективности скорость конца рабочего колеса должна составлять примерно половину скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.

Мощность одного колеса можно увеличить, используя более одной форсунки. Для горизонтальных валов характерны двухструйные устройства. Иногда на одном валу устанавливаются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.

Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потреблением. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждую форсунку регулируется расположенным в центре наконечником или иглой аккуратной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.

Правильная конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, покидающей сопло, остается практически неизменной независимо от отверстия, обеспечивая почти постоянный КПД в большей части рабочего диапазона.Нецелесообразно внезапно уменьшать поток воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидроудару) в подающем трубопроводе или напорном затворе. Таких скачков можно избежать, добавив временное сопло для разлива, которое открывается при закрытии основного сопла, или, что чаще, частично вставляя отражающую пластину между струей и колесом, отклоняя и рассеивая часть энергии при медленном закрытии иглы.

Другой тип импульсной турбины — турбина турго.Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает двигаться по единственному пути, выходя на другую сторону бегунка. Этот тип турбины использовался в установках среднего размера с умеренно высоким напором.

Реакционные турбины

В реакционной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются за счет реакции ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в роторном оросителе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении.Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочих колес реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и расходов, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный впускной кожух, который включает регулирующие заслонки для регулирования потока воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Впоследствии энергия воды отбирается в роторе.

Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: турбины Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерные.В турбинах Каплана с неподвижными лопастями и с регулируемыми лопастями (названными в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана), по существу, существует осевой поток через машину. В турбинах типа Фрэнсиса и Дериаза (после родившегося в Британии американского изобретателя Джеймса Б. Фрэнсиса и швейцарского инженера Поля Дериаза, соответственно) используется «смешанный поток», когда вода поступает радиально внутрь и выпускается в осевом направлении. Рабочие лопасти на турбинах Фрэнсиса и пропеллера состоят из неподвижных лопастей, в то время как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к ​​главному валу.

Турбина — обзор | Темы ScienceDirect

Компрессоры и турбины

Компоненты турбины и компрессора соединены валом, поскольку первый приводит в движение второй. Одновальная газовая турбина имеет только один вал, соединяющий компоненты компрессора и турбины. Двухконтурная газовая турбина имеет два концентрических вала, более длинный соединяет компрессор низкого давления с турбиной низкого давления (низкий золотник), которая вращается внутри более короткого вала большего диаметра (например.g., см. Рисунок 6 (b) и 6 (c) ). Последний соединяет турбину высокого давления с компрессором более высокого давления (высокий золотник), который вращается с более высокими скоростями, чем нижний золотник. Двигатель с тремя золотниками будет иметь третий золотник компрессора и турбины среднего давления.

Компрессоры газовых турбин могут быть центробежными, осевыми или их комбинацией. Центробежные компрессоры (радиальный отток) надежны, обычно дешевле и ограничены соотношением давлений 6 или 7: 1.Они встречаются в первых газовых турбинах или в современных газовых турбинах меньшего размера.

Более эффективный осевой компрессор с большей производительностью используется на большинстве газовых турбин (например, , рисунки 2, и , 3, ). Осевой компрессор состоит из нескольких ступеней, каждая из которых состоит из ряда вращающихся лопастей (аэродинамических профилей) и ряда неподвижных лопаток (называемых статорами), сконфигурированных таким образом, чтобы поток газа сжимался (неблагоприятный или неблагоприятный градиент давления), как он проходит через каждую стадию.Было сказано, что компрессор может остановиться на метафорическом камне, и этот камень называется стойлом. При работе и конструкции компрессора необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать условий, которые приводят к остановке лопастей или разделению потока. Коллективное разделение лопаток может привести к остановке компрессора или помпажу, что проявляется в нестабильности потока газа через всю газовую турбину.

Турбины, как правило, легче проектировать и эксплуатировать, чем компрессоры, поскольку поток расширяется с общим благоприятным градиентом давления.Турбинам с осевым потоком (, рис. 2, и , 3, ) потребуется меньше ступеней, чем для осевого компрессора при той же величине изменения давления. Есть несколько газовых турбин меньшего размера, в которых используются центробежные турбины (радиальный приток), но в большинстве используются осевые турбины (например, , рисунки 2, и , 3, ).

Конструкция и изготовление турбины осложняются необходимостью обеспечить долговечность компонентов турбины в потоке горячего газа. Проблема обеспечения долговечности особенно важна на первой ступени турбины, где температура наиболее высока.Необходимо использовать специальные материалы и сложные схемы охлаждения, чтобы лопатки турбины из металлических сплавов, которые размягчались или плавились при 1800–2000 ° F (982–1093 ° C), могли выжить в потоках газа с температурами до T ₃ = 3600 ° F (1982 ° C), на военных реактивных двигателях.

Ветряные турбины Monster станут еще больше

ЛОНДОН — Если есть одно слово, которое можно связать с ветроэнергетикой, то это «большой». От сделок на миллиард долларов до огромных ветряных электростанций, способных обеспечить энергией миллион домов, отрасль за последние несколько лет значительно расширилась.

Согласно недавнему отчету Глобального совета по ветроэнергетике, в 2020 году в секторе было установлено 93 гигаватта (ГВт) новой мощности, что является рекордным показателем, который представляет собой скачок более чем на 50% в годовом исчислении. За последнее десятилетие мировой рынок ветроэнергетики увеличился почти в четыре раза.

По мере роста отрасли становятся все больше и мощнее турбины, на которых она работает. В Европе данные отраслевого органа WindEurope показывают, что средняя мощность морских турбин, установленных в 2020 году, составила 8,2 МВт, что на 5% больше, чем в предыдущем году.

Правила игры

В последние несколько лет несколько производителей оригинального оборудования или OEM-производителей объявили о планах разработки новых крупногабаритных турбин для морского сектора — и размер этих новых машин весьма значителен.

Турбина Haliade-X компании GE Renewable Energy, например, будет иметь высоту кончика 260 метров (853 фута), 107-метровые лопасти и 220-метровый ротор. Его мощность будет составлять 12, 13 или 14 мегаватт (МВт). Прототип Haliade-X в Нидерландах имеет высоту 248 метров.

Подробная информация о Haliade-X от GE была выпущена в марте 2018 года. С тех пор другие крупные игроки в этом секторе, такие как Vestas и Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE), представили проекты таких же огромных турбин.

«Вы можете увидеть качественный скачок в технологической архитектуре и технических характеристиках турбин», — сказал CNBC в телефонном интервью Шаши Барла, главный аналитик Wood Mackenzie.

Конкуренция внутри сектора, безусловно, накаляется.В феврале Vestas обнародовала планы по установке турбины мощностью 15 МВт. Он хочет установить прототип в 2022 году и расширить производство в 2024 году.

Со своей стороны SGRE работает над моделью SG 14-222 DD мощностью 14 МВт, которую при необходимости можно увеличить до 15 МВт.

Опять же, размеры этих турбин большие: турбина Vestas будет иметь длину лопастей 115,5 метра и диаметр ротора 236 метров. Конструкция SGRE включает 108-метровые лопасти и диаметр ротора 222 метра.

Гайки и болты

Размеры и масштабы этих новых конструкций могут быть впечатляющими, но они также имеют практическое назначение.

Когда дело доходит до высоты, например, более высокая турбина может использовать более высокие скорости ветра и производить больше электроэнергии.

В недавнем учебнике от Bank of America Global Research отмечалось, что лопасти турбины «стали намного длиннее за последние 5-6 лет, что дало турбинам большую« рабочую площадь », таким образом улавливая больше ветра».

«Лопасти большего размера также позволяют ветровым турбинам лучше работать в условиях слабого ветра, что открывает больше мест для установки», — добавлено в примечании.

Размер ротора также имеет решающее значение, и Барла Вуд Маккензи очень хотел это сделать.Он утверждал, что увеличение диаметра ротора турбины оказывает большее влияние, чем увеличение ее высоты, «потому что рабочая площадь увеличивается и (если) рабочая площадь увеличивается, вы используете больше энергии».

Размер этих компонентов указан не только для галочки. Есть надежда, что более крупные турбины помогут снизить так называемую нормированную стоимость энергии, или LCOE, экономическую оценку общих затрат на энергопроизводящую систему в течение ее срока службы.

Логистика, логистика, логистика

Проектирование огромных турбин — это хорошо и хорошо, но доставка массивных лопастей, башен и роторов туда, где они должны быть, может быть большой головной болью.

Транспортировка компонентов башни, по словам Министерства энергетики, часто может быть затруднена, если они слишком велики, чтобы поместиться под путепроводами или мостами.

Лезвия, например, представляют собой потенциальную уязвимость, когда дело доходит до логистики.

«После того, как лезвие полностью построено, его нельзя согнуть или сложить», — говорится в сообщении Министерства энергетики. Это ограничивает как маршрут, по которому может двигаться грузовик, так и радиус поворота, который он может сделать, часто делая удлиненные маршруты необходимыми, чтобы избегать городских дорожных заграждений.

В телефонном интервью CNBC Фэн Чжао, глава отдела стратегии и рыночной информации в Глобальном совете по ветроэнергетике, кратко резюмировал задачу: «Если вы не можете транспортировать компоненты на площадку, вы не сможете строить».

Барла из Wood Mackenzie высказал аналогичную точку зрения. «Самым большим ограничивающим фактором для расширения технологий является не сама технология, а логистика», — сказал он.

«Если вы увеличиваете размеры компонентов, затраты на логистику резко возрастают. особенно для… таких компонентов, как лопасти и башни.»

Будущее

По мере того, как планета пытается уменьшить свою зависимость от ископаемого топлива и использовать возобновляемые источники энергии, энергия ветра будет играть важную роль.

Администрация Байдена хочет увеличить мощность морских ветроэнергетических установок в США всего с 42 МВт. сегодня до 30 ГВт к 2030 году, в то время как Европейский Союз планирует достичь не менее 60 ГВт к концу десятилетия и 300 ГВт к 2050 году. оффшорный сектор.

«Высота наконечников морских турбин следующего поколения увеличится до 300 м в следующем десятилетии», — сказал Барла из Вуда Маккензи CNBC по электронной почте.

Как работает ветряная турбина?

Что такое ветряк?

Ветряная турбина — это самая современная версия ветряной мельницы. Проще говоря, он использует силу ветра для производства электричества. Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить небольшую ветряную турбину для индивидуального использования, например, для обеспечения энергией каравана или лодки.

Что такое ветряная электростанция?

Ветряная электростанция — это группа ветряных турбин. Довольно впечатляюще думать, что электричество, которое так сильно влияет на нашу жизнь — от зарядки наших телефонов до того, чтобы позволить нам приготовить чашку кофе и, все чаще, заправлять наши автомобили — могло начаться с простого порыва ветра. .

Как работает ветряная турбина?

Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть — этих высоких белых или бледно-серых турбин.Каждая из этих турбин состоит из набора лопаток, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер — а это может быть просто легкий ветерок — заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Вращающиеся таким образом лопасти также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую.

Что происходит с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

Для подключения к национальной сети электрическая энергия затем пропускается через трансформатор на объекте, который увеличивает напряжение до уровня, используемого в национальной электроэнергетической системе.Именно на этом этапе электричество обычно направляется в передающую сеть National Grid, готовую к передаче, чтобы в конечном итоге ее можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы, ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут вырабатывать электроэнергию, которая используется частным образом отдельным лицом или небольшой группой домов или предприятий.

Почему ветряки обычно белые или бледно-серые?

Ветряные турбины обычно бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми — идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми, насколько это возможно.Обсуждается, следует ли их перекрашивать в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых условиях, чтобы помочь им лучше вписаться в окружающую среду.

Насколько сильным должен быть ветер для работы ветряной турбины?

Ветровые турбины могут работать при любых скоростях ветра — от очень слабого до очень сильного. Они генерируют около 80% времени, но не всегда на полную мощность. При очень сильном ветре они отключаются, чтобы предотвратить повреждение.

Где расположены ветряные электростанции?

Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимально использовать энергию, которую они могут производить — вот почему вы с большей вероятностью увидите их на склонах холмов или на побережье.Ветряные электростанции, расположенные в море, называются оффшорными ветряными электростанциями, а расположенные на суше — наземными ветряными фермами.

Где была первая ветряная турбина и первая ветряная электростанция?

Самая первая ветряная турбина, вырабатывающая электричество, была создана профессором Джеймсом Блайтом в своем загородном доме в Шотландии в 1887 году. Она была 10 м в высоту и имела парусину.

Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гэмпшире в США в 1980 году.

Вредны ли ветряные электростанции для птиц?

Дело в том, что Изменение климата представляет собой самую серьезную долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных.И возобновляемые источники энергии, ключевыми компонентами которых являются ветряные турбины, необходимы для сокращения парниковых газов .

Королевское общество защиты птиц Великобритании ( RSPB ) признает эту более широкую картину, заявляя: «Переход на возобновляемые источники энергии сейчас, а не через 10 или 20 лет, необходим, если мы хотим стабилизировать выбросы парниковых газов в атмосфера на безопасном уровне ».

Разработчики ветряных электростанций работают в тесном сотрудничестве с RSPB и местными экологическими группами в рамках процесса консультаций по выбору ветряных электростанций, чтобы продолжить рост наземной и морской ветроэнергетики, сбалансировав любой потенциальный вред птицам из-за потери среды обитания, нарушения и столкновений. .

В отчете США делается вывод о том, что влияние энергии ветра на популяции птиц относительно невелико по сравнению с падением жертвой кошек и столкновениями с высотными зданиями.

Сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром?

Узнайте, сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром, с помощью приложения National Grid ESO для Google Play или Apple iOS .

Основы ветроэнергетики | NREL

Ветер возникает, когда поверхность земли неравномерно нагревается солнцем.Ветряная энергия можно использовать для выработки электроэнергии.

Ветряные турбины

Ветряные турбины, как и ветряные мельницы, устанавливаются на башне, чтобы улавливать как можно больше энергии. На высоте 100 футов (30 метров) и более они могут воспользоваться более быстрым и менее бурный ветер. Турбины улавливают энергию ветра своим пропеллером. лезвия.Обычно на валу устанавливаются две или три лопасти, образующие ротор .

Лезвие действует как крыло самолета. Когда дует ветер, карман низкого давления воздух образуется на подветренной стороне лопасти. Затем воздушный карман низкого давления вытягивает лезвие к нему, заставляя ротор вращаться. Это называется лифт . Сила подъема на самом деле намного сильнее, чем сила ветра, направленная против ветра. передняя сторона клинка, которая называется drag .Комбинация подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер, и вращающийся вал вращает генератор, чтобы вырабатывать электричество.

Исследования ветроэнергетики

NREL в основном проводятся в кампусе Флэтайронс, отдельном месте недалеко от Боулдера, Колорадо.

Ветряные турбины коммунального назначения на ветряной электростанции Сидар-Крик в Гровере, штат Колорадо. Фото Денниса Шредера / NREL

Плавающая морская ветряная турбина VolturnUS с полупогружной плавучей ветроэнергетической установкой Платформа, Университет штата Мэн, часть консорциума DeepCWind. Фотография из Университета штата Мэн

Наземная ветроэнергетика

Ветровые турбины могут использоваться как автономные приложения или их можно подключать к электросети или даже в сочетании с фотоэлектрической системой (солнечными элементами). Для коммунальные (мегаваттные) источники энергии ветра, большое количество ветряных турбин обычно строятся близко друг к другу, чтобы сформировать ветряную электростанцию ​​ , также называемую ветровой электростанцией .Некоторые поставщики электроэнергии сегодня используют ветряные электростанции для снабжения электроэнергией своих потребителей.

Автономные ветряные турбины обычно используются для перекачки воды или связи. Однако домовладельцы, фермеры и владельцы ранчо в ветреных районах также могут использовать ветряные турбины. как способ сократить свои счета за электричество.

Распределенная энергия ветра

Малые ветровые системы также обладают потенциалом в качестве распределенных энергоресурсов.Распространено энергоресурсы относятся к множеству небольших модульных технологий производства энергии. которые могут быть объединены для улучшения работы системы подачи электроэнергии. Для получения дополнительной информации о распределенном ветре посетите Отдел ветроэнергетических технологий Министерства энергетики США.

Морская ветроэнергетика

Оффшорная ветроэнергетика — относительно новая отрасль в США.Америки первая оффшорная ветряная электростанция, расположенная в Род-Айленде, у побережья острова Блок, в декабре 2016 года. В отчете Wind Vision Министерства энергетики показано, что к 2050 году морской ветер будет доступен во всех прибрежных регионах по всей стране.

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о ветровой энергии посетите следующие ресурсы:

Основы ветроэнергетики
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики

Карты и данные по ветроэнергетике
WINDExchange DOE

Как работают ветряные турбины
Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.

Малые ветроэнергетические системы
Программа энергосбережения Министерства энергетики США

Американская ассоциация ветроэнергетики

Energy Kids Wind Basics
U.S. Управление энергетической информации Energy Kids

Информация и факты о ветроэнергетике

Ветер — это движение воздуха из области высокого давления в область низкого давления. На самом деле ветер существует потому, что Солнце неравномерно нагревает поверхность Земли. Когда горячий воздух поднимается, более холодный воздух заполняет пустоту. Пока светит солнце, будет дуть ветер. А ветер издавна служил источником энергии для людей.

Древние мореплаватели ловили ветер парусами.Когда-то фермеры использовали ветряные мельницы для измельчения зерна и перекачивания воды. Сегодня все больше и больше ветряных турбин выжимают из ветра электричество. За последнее десятилетие использование ветряных турбин увеличивалось более чем на 25 процентов в год. Тем не менее, он обеспечивает лишь небольшую часть мировой энергии.

Погода 101

Погода на нашей планете может быть очень суровой — от волн тепла и града до тайфунов и торнадо. Узнайте, что заставляет природу высвободить свою ярость.

Как это работает

Большая часть энергии ветра поступает от турбин, которые могут достигать высоты 20-этажного здания и иметь три лопасти длиной 200 футов (60 метров).Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором, вырабатывающим электричество.

Самые большие ветряные турбины вырабатывают достаточно электроэнергии в год (около 12 мегаватт-часов) для снабжения около 600 домов в США. Ветряные электростанции имеют десятки, а иногда и сотни таких турбин, выстроенных вместе в особенно ветреных местах. Небольшие турбины, установленные на заднем дворе, могут производить достаточно электроэнергии для одного дома или небольшого предприятия.

Бурно развивающаяся ветроэнергетика

Ветер — это чистый источник возобновляемой энергии, не вызывающий загрязнения воздуха и воды.А поскольку ветер здесь бесплатный, эксплуатационные расходы после установки турбины практически равны нулю. Массовое производство и технический прогресс удешевляют турбины, и многие правительства предлагают налоговые льготы, чтобы стимулировать развитие ветроэнергетики.

К недостаткам относятся жалобы местных жителей на уродливые и шумные ветряные турбины. Медленно вращающиеся лезвия также могут убивать птиц и летучих мышей, но не так много, как автомобили, линии электропередач и высотные здания. Ветер тоже переменчив: если он не дует, электричество не вырабатывается.

Тем не менее, ветроэнергетика процветает. Благодаря глобальным усилиям по борьбе с изменением климата, таким как Парижское соглашение, возобновляемая энергия переживает бум роста, при этом энергия ветра лидирует. С 2000 по 2015 год совокупная ветровая мощность во всем мире увеличилась с 17 000 мегаватт до более чем 430 000 мегаватт. В 2015 году Китай также обогнал ЕС по количеству установленных ветряных турбин и продолжает лидировать в установке.

Эксперты отрасли прогнозируют, что при сохранении таких темпов роста к 2050 году одна треть мировых потребностей в электроэнергии будет удовлетворяться за счет энергии ветра.

Энергия ветра | Национальное географическое общество

Все, что движется, обладает кинетической энергией, а ученые и инженеры используют кинетическую энергию ветра для выработки электроэнергии. Энергия ветра, или энергия ветра, создается с помощью ветряной турбины, устройства, которое направляет энергию ветра для выработки электроэнергии.

Ветер обдувает лопатки турбины, прикрепленные к ротору. Затем ротор вращает генератор для выработки электричества. Есть два типа ветряных турбин: ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) и ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT).HAWT — наиболее распространенный тип ветряных турбин. У них обычно есть две или три длинных тонких лопасти, которые похожи на пропеллер самолета. Лопасти расположены так, чтобы они смотрели прямо против ветра. VAWT имеют более короткие и широкие изогнутые лопасти, которые напоминают лопасти, используемые в электрическом миксере.

Небольшие индивидуальные ветряные турбины могут производить 100 киловатт энергии, достаточной для питания дома. Небольшие ветряные турбины также используются в таких местах, как водонасосные станции. Ветряные турбины немного большего размера расположены на башнях высотой до 80 метров (260 футов) с лопастями ротора, длина которых составляет примерно 40 метров (130 футов).Эти турбины могут генерировать 1,8 мегаватт энергии. Еще более крупные ветряные турбины можно найти на башнях высотой 240 метров (787 футов) с лопастями ротора длиной более 162 метров (531 фут). Эти большие турбины могут генерировать от 4,8 до 9,5 мегаватт энергии.

После выработки электроэнергии ее можно использовать, подключать к электросети или хранить для будущего использования. Министерство энергетики США работает с национальными лабораториями над разработкой и улучшением технологий, таких как батареи и гидроаккумулирующие установки, чтобы их можно было использовать для хранения избыточной энергии ветра.Такие компании, как General Electric, устанавливают батареи вместе со своими ветряными турбинами, чтобы электричество, вырабатываемое за счет энергии ветра, можно было сразу же хранить.

По данным Геологической службы США, в США имеется 57 000 ветряных турбин как на суше, так и на море. Ветровые турбины могут быть автономными конструкциями или они могут быть объединены в так называемую ветряную электростанцию. В то время как одна турбина может генерировать достаточно электроэнергии для удовлетворения потребностей в энергии одного дома, ветряная электростанция может вырабатывать гораздо больше электроэнергии, достаточной для снабжения энергией тысяч домов.Ветряные электростанции обычно располагаются на вершине горы или в другом месте, где ветрено, чтобы использовать преимущества естественного ветра.

Самая большая оффшорная ветряная электростанция в мире называется Walney Extension. Эта ветряная электростанция расположена в Ирландском море примерно в 19 километрах (11 милях) к западу от северо-западного побережья Англии.