Турбина
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.
Турбина. Устройство и принцип действия.
Практически для каждого человека, интересующегося автомобилем и его устройством, важно понимание основных принципов работы турбонаддува. Тем более, что в настоящее время появляется все больше и больше серийных образцов автомобилей, оснащенных турбонагнетателями.
Даже Mercedes, традиционно преданный механическим нагнетателям, осознав плюсы турбонаддува, оснащает этой системой все больше и больше моделей, не говоря уже о BMW, Японских автопроизводителях!
Можно сколько угодно повторяться в статьях про турбины, но это все будет не более чем своя трактовка общеизвестных фактов. Я не буду изобретать велосипед, и в этой заметке буду отталкиваться от информации "из уст" одного из ведущих производителей турбин — фирмы Garrett, однако внесу немного дополнительной информации.
Каков принцип работы системы турбонаддува?
Мощность двигателя пропорциональна объему воздуха и топлива, способного войти в цилиндры. При прочих равных, бОльшие двигатели потребляют бОльший поток воздуха и как результат, дают бОльшую мощность. Если мы хотим чтобы наш крошка-мотор работал также как двигатель-богатырь, либо если нам надо, чтобы уже не маленький двигатель выдавал еще бОльшую мощность, наша цель — "впихнуть" больше воздуха в цилиндр. Установив турбонагнетатель мы сможем резко увеличить характеристики двигателя.
Так каким-же образом турбонагнетатель "запихивает" больше воздуха в двигатель? Давайте для начала обратимся к схеме ниже:
1. Входное отверстие "холодной части" турбокомпрессора (она же — compressor)
2. Выход "холодной части" турбокомпрессора (она же — compressor)
3. Промежуточный охрадитель воздуха (интеркулер — intercooler)
4. Впускной клапан ГБЦ
5. Выпускной клапан ГБЦ
6. Входное отверстие "горячей части" турбокомпрессора (она же — turbine)
7. Выход "горячей части" турбокомпрессора (она же — turbine)
Компоненты, составляющие типичную систему турбонаддува
* Воздушный фильтр (не показан), через который атмосферный воздух проходит прежде чем попасть в турбокомпрессор (1)
* Воздух который превышает величину плотности атмосферного воздуха (масса/еденица объема) является сжатым. (2)
* У большинства современных оснащенных турбонаддувом, есть промежуточный охладитель воздуха (интеркулер) (3), который охлаждает сжатый воздух, дабы далее увеличить его плотность и уменьшить склонность к детонации
* После прохождения через впускной коллектор (4), воздух входит в цилиндры двигателя, которые содержат фиксированный объем. Так как вошедший воздух большей плотности, каждый цилиндр может работать с большим массовым расходом воздуха. В свою очередь, более высокий массовый расход воздуха позволяет загнать в цилиндр больше топлива (с неизменным коэффициентом воздух/топливо — air/fuel). Воспламеняясь, воздушно — топливная смесь большего объема приводит к увеличению мощности, производимой данным размером, или по другому — объемом цилиндра
* Объем газов, полученный в результате сожжения топлива в цилиндре, выходит, в такте выхлопа, в выпускной коллектор (5)
* Газ высокой температуры на большей скорости направляется прямиком в "горячую часть" турбокомпрессора — турбине (6) и давят на крыльчатку. Турбина создает противодавление на двигателе, что означает что давление выхлопных газов двигателя выше чем атмосферное давление
* Снижение давления и температуры происходит во время прохождения через турбину (7), которая (как и все гениальное) просто использует бесплатную энергию выхлопных газов для привода компрессора и нагнетания давления
Компоненты, составляющие конструкцию турбокомпрессора
В дополнение нужно отметить что температура выхлопных газов бензиновых двигателей гораздо выше этого параметра у дизелей, а как следствие — турбокомпрессоры для дизельных двигателей, при схожей конструкции сделаны из более дешевых, но менее жаропрочных материалов. Так что использование дизельных турбокомпрессоров на бензиновом двигателе мы не рекомендуем — выкинете деньги…
Другие компоненты системы турбонаддува
Клапаны Блоуофф (Байпас)
Описание данных компонентов вы сможете найти в материале Как читать турбокарты
Вестгейты (Wastegates)
Вестгейт, также как и блоуофф, является средством управления наддувом, только со стороны выхлопа. Некоторые коммерческие дизельные системы турбонаддува вовсе обходятся без оного (т.н. система свободно плавающего турбонагнетателя). Однако, использование турбонаддува на бензиновых двигателях требует применения этого компонента.
Существуют две разновидности вестгейтов — внутренний и внешний. И тот и другой обеспечивают обход выхлопных газов мимо колеса турбины. Обход газов колеса, как вы уже понимаете, уменьшает мощность турбокомпрессора, позволяя турбине соответствовать мощности, требуемой для данного уровня наддува. Аналогично блоуоффам, вестгейты используют в своей конструкции силу пружины, для регулировки потока, проходящего в обход турбины.
Внутренние вестгейты встроены в корпус турбины и состоят из клапана "хлопушки", тяги, наконечника, и пневматического привода (актюатора).
Очень важно подсоединить актюатор исключительно к давлению наддува, т.к. механизм не работает с вакуумом и не может относиться к впускному коллектору.
Внешние вестгейты монтируются на специально изготавливаемом для них приливе на коллекторе. Преимущество внешнего вестгейта заключается в том, что обойдя турбину, поток воздуха может быть повторно включен в поток газов, идущий ниже по течению турбины. Это позволяет улучшить производительность турбины. Для гоночной техники, этот поток может быть выведен прямиком в атмосферу.
Втулки против шариковых подшипников
Втулки долгое время были основой для турбокомпрессоров. Они дешевы, практичны, но шарикоподшипник является новой вехой в постройке турбокомпрессоров и несет с собой существенное улучшение их характеристик.
Массовое появление турбин на шарикоподшипниках началось в результате участия группы Garrett Motorsports в нескольких гоночных сериях, где получило название "картридж подшипник"
Картридж — одинарная втулка, которая содержит ряд шарикоподшипников с каждой стороны, в то время как традиционная система подшипника содержит набор втулок и подшипник осевого давления
Использование шарикоподшипников положительно сказывается на отклике турбины, что в свою очередь благоприятно сказывается на динамике автомобиля
Принцип работы турбины на дизельном двигателе
Турбокомпрессор — это инновационное устройство, которое позволяет увеличить мощность двигателя автомобиля на целых 30%, не требуя физического увеличения объема цилиндров. Это делает его одним из самых важных компонентов в современных автомобилях, независимо от используемого типа топлива.
Принцип работы турбокомпрессора заключается в использовании отработанных газов, которые выделяются при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. Эти газы направляются в турбину, которая в свою очередь приводит в движение компрессор, увеличивая объем подаваемого воздуха в цилиндры двигателя. Благодаря этому, происходит увеличение мощности двигателя, что позволяет автомобилю ехать быстрее и более эффективно.
Как и у любой другой технологии, есть и некоторые минусы при использовании турбокомпрессора. Одним из них является увеличение температуры воздуха, который поступает в цилиндры двигателя. Это может привести к перегреву и повреждению двигателя. Кроме того, турбокомпрессор может быть достаточно дорогим в обслуживании и ремонте, а также требует более тщательного ухода, чем обычный двигатель.
Несмотря на это, турбокомпрессоры остаются очень популярными и широко используются на современных автомобилях. Они обеспечивают более быстрое и эффективное движение автомобиля, что делает их отличным выбором для тех, кто ищет максимальную мощность и производительность от своего автомобиля.
Устройство и особенности турбины
Агрегат, который применяется в технологии турбонаддува, состоит из двух ключевых устройств — турбины и компрессора. Каждое из них выполняет свою уникальную функцию. Турбина направлена на преобразование энергии выхлопных газов, в то время как компрессор отвечает за поставку сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Основными элементами этой установки являются лопастные колеса компрессора и турбины.
Компрессор можно описать как насос, который занимается подачей сжатых атмосферных воздушных масс в цилиндры двигателя. Кислород, содержащийся в этих сжатых воздушных массах, необходим для сжигания топлива в цилиндрах. Чем больше кислорода поступает в цилиндры, тем больше топлива можно сжечь, что приводит к увеличению мощности двигателя без необходимости увеличения объема или количества цилиндров.
Турбонаддув состоит из нескольких компонентов, таких как корпус компрессора, корпус турбины, корпус подшипников, компрессорное и турбинное колеса, а также ось или вал ротора.
Хотя технология турбонаддува имеет свои преимущества, такие как увеличение мощности двигателя без необходимости увеличения его размера, она также имеет некоторые недостатки. Например, высокая температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, может привести к его перегреву. Кроме того, система турбонаддува может быть дорогой в обслуживании и ремонте.
Основным элементом в технологии турбонаддува является ротор, который защищен корпусом и крепится к специальной оси. Для изготовления ротора и корпуса турбины используются термостойкие сплавы, так как они находятся в постоянном контакте с газами высокой температуры.
Ротор и крыльчатка вращаются в разных направлениях с большой скоростью, что обеспечивает их плотное прижимание друг к другу. Принцип работы турбонаддува заключается в следующем:
Отработанные газы поступают в выпускной коллектор, затем в специальный канал, расположенный в корпусе нагнетателя, который выполнен в форме улитки. В улитке газы разгоняются до большой скорости и подаются на ротор, что обеспечивает вращение турбины.
Ось турбонагнетателя крепится на специальных подшипниках скольжения и смазывается жидкостью из моторного отсека. Утечка смазочной жидкости предотвращается за счет наличия прокладки и уплотнительных колец. Кроме того, смешанные и отдельные потоки отработанных газов и воздуха обеспечивают дополнительную герметизацию.
Хотя такое технологическое решение не гарантирует 100% защиту от попадания выхлопных газов в сжатый воздух, система турбонаддува не требует этого.
Принцип работы Турбины
Для начала необходимо разобраться с двумя терминами, связанными с турбонаддувом.
Турбоподхват — это состояние, когда быстро вращающийся ротор увеличивает подачу воздуха в цилиндры, что приводит к увеличению мощности двигателя.
Турбояма — это короткая задержка, которая возникает при повышении количества топлива при нажатии на педаль газа. Задержка происходит из-за того, что ротору требуется время, чтобы разогнать газы.
Турбонаддув повышает давление выхлопных газов, увеличивая интенсивность работы двигателя, однако это также приводит к увеличению давления наддува. При достижении критических значений может произойти поломка, поэтому процесс необходимо контролировать. Клапаны отвечают за регулировку давления, а мембрана и пружина следят за предельно допустимыми значениями. При достижении определенной величины мембрана открывает клапан для снижения давления.
Работа турбины на дизельном двигателе требует контроля давления, который осуществляется следующими процессами:
- Если поступает слишком много воздуха, компрессор (используя клапан) освобождается от избытка.
- Клапан снижает давление, когда воздуха поступает слишком много, что позволяет двигателю работать стабильно и забирать ровно столько воздуха, сколько ему необходимо.
Работа турбокомпрессора на дизельном двигателе
Работа турбонаддува осуществляется по следующей схеме:
- Компрессор сжимает атмосферный воздух, увеличивая его давление и плотность.
- Сжатый воздух поступает в цилиндры двигателя и смешивается с топливом.
- Полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется, поршни начинают движение, что приводит к работе двигателя.
- Отработанные газы направляются в выпускной коллектор, где их скорость значительно увеличивается.
- Вращение ротора турбины передается на компрессорный ротор через вал. Компрессорный ротор втягивает новую порцию воздуха и сжимает его.
- Ротор турбины вращается все быстрее, когда в цилиндры поступает больше воздуха. Чем больше воздуха поступает, тем быстрее вращается ротор турбины.
Таким образом, турбонаддув позволяет увеличить количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, что приводит к увеличению мощности и крутящего момента. Однако, для эффективной работы турбонаддува необходим правильный контроль давления, а также регулярное обслуживание и замена деталей.
Минусы турбины на дизельном двигателе
Как и любое устройство, у турбины есть свои преимущества и недостатки. Одним из основных недостатков является увеличенный расход топлива, особенно при неправильной настройке агрегата. Еще один недостаток — чувствительность к качеству топлива, что особенно актуально в условиях России. Некачественный дизель может вызвать детонацию, что негативно сказывается на работе двигателя.
Кроме того, есть и другие недостатки, такие как повышенные требования к моторному маслу, необходимость частой замены масла и фильтров (примерно каждые 5-6 тыс. км), а также воздушного фильтра. Ресурс турбины на дизельном двигателе значительно ниже, чем на бензиновом, из-за более высокой температуры выхлопа. Средний ресурс агрегата составляет 200-250 тыс. км, после чего потребуется замена или капитальный ремонт. Ремонт турбины достаточно сложен и среднестатистическому автовладельцу не под силу его произвести самостоятельно.
Однако стоит отметить, что преимущества турбины перевешивают недостатки, иначе она не пользовалась бы такой популярностью. Турбина позволяет увеличить мощность двигателя без физического увеличения объема цилиндров на 30%. Благодаря использованию выхлопных газов, турбина повышает эффективность работы двигателя и уменьшает выбросы вредных веществ в атмосферу.
Основные неисправности — признаки и причины
Исходя из вышесказанного, турбина имеет свои плюсы и минусы. Среди недостатков можно выделить увеличение расхода топлива, особенно при неправильной настройке агрегата. Также турбина чувствительна к качеству топлива, особенно в условиях России, где некачественный дизель может вызвать детонацию.
Кроме того, турбина требует повышенных требований к моторному маслу, а также частой замены масла и фильтров (примерно каждые 5-6 тыс. км) и воздушного фильтра. Ресурс турбины на дизельном двигателе значительно ниже, чем на бензиновом из-за более высокой температуры выхлопа. Средний ресурс агрегата составляет 200-250 тыс. км, после чего потребуется замена или капитальный ремонт. Ремонт турбины достаточно сложен, и среднестатистическому автовладельцу не под силу его произвести самостоятельно.
Тем не менее, преимущества турбины перевешивают ее недостатки. Турбина позволяет увеличить мощность двигателя без необходимости увеличения объема цилиндров на 30%. Благодаря использованию выхлопных газов, турбина повышает эффективность работы двигателя и уменьшает выбросы вредных веществ в атмосферу. Турбина широко используется в современных автомобилях независимо от типа используемого топлива. Компоненты системы турбонаддува, такие как ротор, турбина и компрессорные лопатки, работают вместе, чтобы увеличить объем воздуха в цилиндрах двигателя и обеспечить более эффективное сгорание топлива.
Что делать, если турбина сломалась
Когда на автомобиле обнаруживается неисправность, первым шагом является проведение диагностики. Чем раньше это будет сделано, тем лучше. Если заменить неисправную деталь вовремя, можно избежать более серьезных проблем в будущем. Например, часто автовладельцы игнорируют легкие постукивания, думая, что это не имеет значения. В результате, через какое-то время, может потребоваться покупка новой турбины, хотя изначально можно было обойтись небольшим ремонтом.
Однако, следует отметить, что не достаточно знать, как работает турбина на дизельном двигателе, необходимо идеально разбираться во всех ее компонентах. Только обладая соответствующими навыками, опытом и оборудованием, можно провести качественный ремонт. Именно поэтому, рекомендуется не пытаться самостоятельно отремонтировать агрегат (это может только ухудшить ситуацию).
Паротурбинные установки тепловых электростанций (ТЭС)
Паровая турбина вместе с относящимися к ней регенеративными подогревателями, конденсатором, насосами, трубопроводами и арматурой образует паротурбинную установку.
Современная паровая турбина состоит из большого числа деталей, тщательно изготовленных и собранных в единый агрегат. Мощности современных энергетических турбоагрегатов постоянно повышаются, и в настоящее время основной прирост мощностей в энергосистемах происходит за счет ввода агрегатов 300, 500, 800 МВт. На Костромской ГРЭС сооружен головной агрегат мощностью 1200 МВт.
Увеличение мощности турбоагрегатов позволяет сооружать ТЭС большой мощности при одновременном удешевлении их строительства и эксплуатации и снижении расходов топлива на выработанный киловатт-час. Наряду с экономичностью современная турбина должна отвечать высоким требованиям безопасности, надежности и маневренности. Требование высокой маневренности предъявляется ко всему энергетическому оборудованию. Турбина должна допускать быстрый пуск, набор и изменение нагрузки и остановку. Эта задача весьма сложна для агрегатов, работающих при высоких начальных параметрах пара (26 МПа, 540-570 °С) и имеющих стенки корпусов и фланцы большой толщины.
При разработке и эксплуатации турбин приходится сталкиваться с весьма сложными проблемами аэродинамики, теории колебаний, теплопередачи, изменения свойств материалов при высоких температурах и вибрации, автоматического регулирования и контроля турбоустановки.
Рис. 1. Схема простейшей турбины
На рис. 1 показана схема простейшей турбины, а на рис. 2 — схема устройства многоступенчатой паровой турбины. Простейшая турбина состоит из соплового аппарата 1, рабочей лопатки 2, вала 3 и диска 4.
Рис. 2. Схема устройства многоступенчатой паровой турбины
1 — вал турбины; 2 — диски; 3 — рабочие решетки; 4 — нижняя половина корпуса; 5 — верхняя половина (крышка) корпуса; 6 — диафрагмы (нижние половины); 7, 8 – сопловые решетки; 9 – уплотнения диафрагмы; 10 – сопловая решетка первой ступени давления; 11 – переднее уплотнение; 12 – заднее уплотнение; 13 – опорные подшипники; 14 – упорный подшипник; 15 — соединительная муфта; 16 — червячная передача; 17 — масляный насос; 18 — фундаментные плиты; 19 — регулятор скорости; 20 — масляный бак; 21 — регулятор безопасности; 22 — камера отбора; 23 — окна для отбора пара; 24, 27 — опорные фланцы корпуса; 25, 26 — фланцы опорных блоков
Турбина состоит из вращающейся части — ротора и неподвижной части — статора. К ротору относятся вал и закрепленные на нем диски с рабочими лопатками. Статор включает в себя паровпускные органы, сопловые решетки, подшипники и др. Корпус турбины делается разъемным в горизонтальной плоскости по центровой линии вала. Нижняя его часть опирается на фундамент, а верхняя часть устанавливается на нижнюю и крепится по фланцам с помощью шпилек и гаек. Через паровпускные органы в сопловую коробку вводится свежий пар. Корпус заканчивается выхлопным патрубком, через который отработавший пар отводится из турбины.
В неподвижных каналах-соплах пар расширяется; при этом его давление и температура снижаются, скорость парового потока возрастает до нескольких сот метров в секунду и соответственно увеличивается его кинетическая энергия.
Она используется в подвижных рабочих лопатках, закрепленных на дисках, насаженных на вал турбины (рис. 2). Между дисками располагаются неподвижные перегородки — диафрагмы с закрепленными в них соплами. Диафрагма и диск с рабочими лопатками образуют ступень турбины.
При большом числе ступеней (20 — 30) турбина состоит из нескольких цилиндров. Частота вращения ротора паровых энергетических турбин обычно составляет 3000 об/мин или 50 с -1 , что соответствует принятой в СНГ частоте переменного тока 50 Гц.
На каждой ступени турбины лишь часть внутренней энергии пара преобразуется в механическую энергию, передаваемую с вала турбины на вал генератора электрического тока. Увеличение числа ступеней приводит к повышению КПД турбинной установки, так как в этом случае каждая ступень «работает» в более оптимальном режиме. Однако увеличение числа ступеней оправдывает себя лишь до определенного предела, так как с ростом числа ступеней турбина усложняется и становится дороже.
Крупные энергоблоки, работающие при высоком и закритическом давлении пара, выполняются с промежуточным перегревом. Пар высоких параметров, совершая работу в турбине, на последних ее ступенях увлажняется, а это приводит к снижению КПД и эрозионному воздействию капелек влаги на лопатки турбины. При использовании же промежуточного перегрева пара не только понижается его конечная влажность, но и повышаются показатели тепловой экономичности цикла. На рис. 3 дана схема одной из наиболее распространенных в нашей энергетике конденсационных турбин К- 300 — 240 мощностью 300 МВт, работающей при начальном давлении пара 240 атм (23,5 МПа). Температура свежего пара принята 540 — 560 °С, частота вращения 3000 об/мин.
Турбина состоит из трех цилиндров: цилиндра высокого давления (ЦВД), цилиндра среднего давления (ЦСД) и цилиндра низкого давления (ЦНД). В двенадцати ступенях ЦВД пар расширяется от указанных выше начальных параметров до давления 4 МПа, после чего направляется в промежуточный пароперегреватель (ПП), установленный в котле, и далее с давлением 3,5 МПа и температурой 540 — 560 °С поступает в ЦСД. В двенадцати головных ступенях ЦСД пар расширяется до давления 0,2 МПа, затем разделяется на два потока: одна треть проходит пять ступеней низкого давления, расположенных в ЦСД, и поступает в конденсатор, а две трети пара по перепускным трубам подаются в ЦНД, где, разделяясь на два потока, проходят по пяти ступеням низкого давления и направляются также в конденсатор. Давление пара за последними ступенями перед входом в конденсатор равно 0,0035 МПа. Разделение пара в части низкого давления на три потока связано с большими объемами пара в последних ступенях. Выпуск всего объема пара через одну решетку приводил бы к недопустимым по соображениям прочности высотам рабочих лопаток. Даже при разделении пара в последних ступенях на три потока высота лопаток составляет 960 мм, а окружная скорость на их вершинах — 540 м/с. При массе последней лопатки 9,8 кг центробежная сила, действующая на нее, равна
Еще более сложны турбины большей мощности. Так, у турбин мощностью 500 МВт делается 4 выхлопа в конденсатор, а у турбины К-800-240 мощностью 800 МВт — шесть выхлопов в конденсатор. В турбине К-1200-240 мощностью 1200 МВт, установленной на Костромской ГРЭС, лопатки последних ступеней имеют длину 1200 мм, но для уменьшения центробежных сил они выполнены из более легкого титанового сплава.
Рис. 3. Изменение параметров рабочего тела в активной турбине:
1, 9 — камеры свежего и отработанного пара; 2,4,6 — сопла; 3,5,8 — рабочие лопатки; 7 — диафрагма.
Рис. 4. Схема турбины К-300-240 (z — число ступеней)
Теплофикационные турбины, устанавливаемые на ТЭЦ, могут иметь 1 или 2 регулируемых отбора (например, промышленный и теплофикационный). В теплофикационной турбине Т — 250 — 240 имеются 2 отбора пара для подогрева воды в системе теплоснабжения (из них один регулируемый) и, кроме того, может быть осуществлен предварительный нагрев сетевой воды в специальном подогревателе, встроенном в конденсатор.
Отработавший пар конденсационных турбин и турбин с промышленными и теплофикационными отборами поступает в конденсатор, где поддерживается давление значительно ниже атмосферного. В конденсаторе осуществляется отвод тепла от рабочего тела — пара — при возможно более низкой температуре и давлении с превращением пара в конденсат, идущий вновь на питание котлов. Здесь тепло отдается охлаждающей (циркуляционной) воде. Конденсат не должен смешиваться с охлаждающей водой, имеющей большое количество примесей. Поэтому конденсатор представляет собой теплообменник поверхностного типа.
На рисунке 5 приведена схема конденсатора паровой турбины.
Теплообмен от пара к охлаждающей воде происходит через стенки трубок небольшого диаметра, чаще всего латунных, внутри которых движется охлаждающая вода. В конденсатор поступает влажный пар; температура насыщения конденсирующегося пара tк тем ниже, чем ниже температура циркуляционной воды. При прямоточном водоснабжении, когда вода в конденсатор забирается из реки или пруда, ее температура колеблется от 2 до 20 °С (среднегодовая расчетная температура 10 — 12 °С). Если же водоснабжение является оборотным с охлаждением воды в градирнях, то температура воды меняется в зависимости от времени года от 10 — 12 °С до 35 -40 °С.
Рис.5. Схема конденсатора паровой турбины:
1 – патрубок для выхода воды, 2 – крышка водяных камер, 3 — водяные камеры, 4 – трубные решетки, 5 – корпус конденсатора, 6 – пароприемная горловина, 7 — трубки, 8 — сборник конденсата, 9 — патрубок для подвода воды, 10 — патрубок для удаления воздуха.
Обычно циркуляционная вода в конденсаторе нагревается на 8 -10 °С. При поддержании давления в конденсаторе pк = 0,0035 МПа температура конденсации составляет tk = 26,4 °С. В летнее время, когда температура охлаждающей воды выше среднегодовой расчетной, давление в конденсаторе может повышаться до 0,01 МПа, что соответственно снижает экономичность работы турбоустановки. На одну тонну конденсируемого пара расходуется 50 — 60 т охлаждающей воды.
Для поддержания хороших условий теплообмена и постоянного парциального давления воздуха, а вместе с ним и общего давления в конденсаторе просачивающийся в конденсатор воздух необходимо непрерывно удалять. Для этого устанавливаются воздухоотсасывающие устройства — пароструйные или водоструйные эжекторы.
Конденсат из нижней части конденсатора откачивается конденсатными насосами и подается через подогреватели в котел. Конденсатор устанавливается под турбиной и представляет собой горизонтально расположенный сосуд, сваренный из листовой стали. Внутри корпуса конденсатора на некотором расстоянии от его торцов ввариваются специальные пластины с отверстиями, называемые трубными досками, в которые завальцовываются трубки, образующие поверхности теплообмена. Корпус с торцов закрывается крышками так, что между крышками и трубными досками образуются водяные камеры.
Если в одной из камер установить горизонтальную перегородку, то по-лучим двухходовой конденсатор: охлаждающая вода поступает в нижний (подводящий) патрубок передней камеры, проходит по нижним рядам труб и через заднюю камеру поступает в верхние ряды труб, после чего удаляется из конденсатора.
Для рассмотренной выше турбины К-300-240 Ленинградского металлического завода конденсатор имеет следующие характеристики:
| Количество трубок, шт. | 19600 |
| Длина трубок, м | 8,9 |
| Диаметр dн, мм | 28 |
| Диаметр dвн, мм | 26 |
| Расход пара при номинальной нагрузке турбины, т/ч | 570 |
| Номинальный расход охлаждающей жидкости, т/ч | 36000 |
Источник: Полещук И.З., Цирельман Н.М. Введение в теплоэнергетику: Учебное пособие пособие / Уфимский государственный авиационный технический университет. – Уфа, 2003.