Принципиальная схема регулирования частоты вращения турбины. Схема турбины
принцип работы, устройство, кпд, схема
Идея практического применения энергии пара далеко не нова, использование паровых турбин в промышленных масштабах давно стало частью нашей жизни. Именно эти агрегаты, установленные на различных электростанциях и ТЭЦ, на 99% снабжают электричеством наши дома. Однако, некоторые мастера-умельцы умудряются внедрить принцип преобразования тепловой энергии в электрическую у себя дома. Для этого используется самодельная паровая турбина минимальных размеров и мощности. О том, как ее собрать в домашних условиях, и пойдет речь в данной статье.
Как работает паровая турбина?
В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.
На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:
- твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
- полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
- по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
- сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
- вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
- отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.
Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.
Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:
Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:
Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:
1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.
Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.
Как сделать паровую турбину в домашних условиях?
Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.
В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.
Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.
Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.
С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.
Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.
Применение паровой турбины
Налив в чайник воды и поставив его на включенный газ, можно убедиться, что при закипании энергии выходящего из трубки пара достаточно, чтобы на выходе электродвигателя появилась ЭДС. Для этого к нему стоит подключить светодиодный фонарик. Помимо питания для электрических лампочек, возможно и другое применение паровой турбины, например, для зарядки аккумулятора сотового телефона.
В условиях квартиры или частного дома подобная мини-электростанция может показаться простой игрушкой. А вот оказавшись в походе и взяв с собой турбированный чайник с электрогенератором, вы сможете оценить по достоинству его функциональность. Возможно, в процессе вам удастся найти еще какое-нибудь назначение турбины. Больше информации об изготовлении походного генератора из чайника можно узнать, посмотрев видео:
Заключение
К сожалению, конструктивно паровые машины достаточно сложны и сделать дома турбину, чья мощность достигала хотя бы 500 Вт, весьма затруднительно. Если стремиться к тому, чтоб соблюдалась схема работы турбины, то затраты на комплектующие и потраченное время будут неоправданными, КПД самодельной установки не превысит 20%. Пожалуй, проще купить готовый дизель-генератор.
cotlix.com
Принципиальная схема регулирования частоты вращения турбины
Схема регулирования частоты вращения турбины показана на рис. 20.3, в которой основными элементами являются: 1- регулятор скорости; 2 - отсечной золотник; 3 - сервомотор; 4, 5 - напорная и сливная линии системы; 6 - регулирующий клапан турбины. С ростом частоты вращения ротора турбины под действием центробежных сил грузы регулятора скорости перемещают его муфту (сжимая пружину в ней), в результате чего рычаг АВ поворачивается вокруг точки В. Тогда отсечной золотник 2 смещается вверх и соединяет верхнюю полость сервомотора 3 с напорной линией 4, а нижнюю - со сливной линией 5. Поршень сервомотора перемещается вниз и через передаточные механизмы формируется усилие на закрытие регулирующего клапана 6. В итоге расход водяного пара в турбину сокращается и уменьшается крутящий момент на валу турбины, что приводит к смещению моментной характеристики MТ в положение, обеспечивающее исходное значение частоты вращения ротора. Одновременно с помощью обратной связи (правый конец рычага АВ связан со штоком сервомотора) отсечной золотник возвращается в исходное среднее положение, что стабилизирует переходный процесс и обеспечивает устойчивость регулирования. При снижении частоты вращения процесс регулирования протекает аналогично, но этот процесс связан с ростом расхода водяного пара в турбину.
Рис. 20.3. Принципиальная схема САР с однократным усилением
1- регулятор скорости; 2 - отсечной золотник; 3 - сервомотор; 4 - напорная линия системы;
5 – сливная линия; 6 - регулирующий клапан турбины
Совокупность установившихся режимов работы турбины и положений органов ее САР представляются развернутой статической характеристикой (рис. 20.4,а). Здесь зависимость перемещения муфты регулятора скорости от частоты вращения x=f(n) в квадранте II представленной диаграммы является статической характеристикой регулятора частоты, характер которой определяется его конструкцией. Зависимость хода поршня сервомотора от перемещения муфты регулятора является прямолинейной (z=f(x) в III квадранте). В IV квадранте дана зависимость электрической мощности от хода сервомотора (NЭ=f(z)). В итоге простых построений в I квадранте получается собственно статическая характеристика регулирования n=f(NЭ), связывающая частоту вращения с мощностью. Из нее следует, что при изменении мощности турбины частота вращения не остается постоянной, например, несколько снижается с ростом мощности. Наклон статической характеристики определяется степенью неравномерности регулирования частоты
, (20.2)
где nxx - частота вращения при холостом ходе, nнн - то же при номинальной мощности, n0 – то же номинальная (рис. 20.4,а). В соответствии с ГОСТ 24278-89 при номинальных значениях параметров водяного пара в турбине d = 4…5%. При больших значениях степени неравномерности возрастают динамические забросы частоты при сбросах нагрузки, а при меньших значениях d трудно обеспечивается устойчивость регулирования. Статические характеристики САР обычно имеют участки с разной крутизной, а при мощности 0,15NЭном степень неравномерности не регламентируется для повышения устойчивости работы на малых нагрузках, а также для облегчения процесса включения турбоагрегата в сеть. Горизонтальные участки статической характеристики регулирования исключаются из-за потери устойчивости САР. Вместе с тем, в системах автоматического регулирования мощных паровых турбин имеется возможность оперативно изменять степень неравномерности в пределах d=0,02-0,08.
а) б)
Рис. 20.4. Развернутая (а) и реальная (б) статические характеристики САР турбины
Наличие сил трения в механических элементах системы автоматического регулирования, люфтов в ее передаточных механизмах и других приводит к нечувствительности регулирования (рис. 20.4,б), которая характеризуется степенью нечувствительности по частоте вращения: en=Dn/n0. Этой величиной определяется совершенство САР. В соответствии с ГОСТ 13109-87 для паровых турбин мощностью свыше 150 МВт с гидравлическими системами регулирования степень нечувствительности en<0,1% должна быть, а в электрогидравлической системе с регулятором мощности - en<0,06%. Один из путей совершенствования САР – отказ от механических связей в системе регулирования и замена их гидравлическими или электрическими.
Частота электрического тока в энергосистеме в соответствии с ПТЭ (Правилами технической эксплуатации энергетического оборудования) должна поддерживаться на уровне 50±0,1 Гц. Временно допускается отклонение частоты не более ±0,2 Гц. В то же время степени неравномерности d=4…5% соответствует изменение частоты 2…2,5 Гц, т.е. на порядок больше допустимого уровня. Кроме того, приходится изменять частоту вращения ротора турбины в процессах включения турбогенератора в сеть (при синхронизации электрогенератора) и при испытаниях автоматов безопасности турбины. Поэтому в САР должен быть механизм для изменения частоты вращения при работе турбины в энергосистеме, когда частота в ней поддерживается всеми параллельно работающими турбоагрегатами. Этот механизм называют МУТ – механизмом управления турбиной. С его помощью изменяется положение какого-либо звена системы (буксы золотника регулятора частоты вращения) передачи импульса на перемещение от регулятора скорости к регулирующим клапанам. В регуляторе ЛМЗ (рис. 20.1) воздействие ручкой 14 переводит буксу 13 в новое положение, чем изменяется открытие окна 11 и в итоге давление рх. Если турбина работает в изолированной сети, то ее мощность, определяемая положением поршня сервомотора (положением штока регулирующего клапана), практически не изменится, но частота вращения валопровода турбоагрегата станет другой. Если турбина работает в энергосистеме, это же воздействие МУТ приведет к возрастанию мощности турбины при неизменной частоте вращения. В обоих случаях воздействие МУТ приводит к смещению характеристики z=f(x) в III квадранте развернутой статической характеристики САР (рис. 20.4,а), что, в свою очередь, вызывает смещение характеристики n=f(NЭ) в I квадранте. Механизм управления турбиной используется в процессе синхронизации электрического генератора при включении турбоагрегата в энергосистему для его параллельной работы с другими турбоустановками.
Похожие статьи:
poznayka.org
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
energetika.in.ua
Устройство и принцип действия паровой турбины
Паровая турбина представляет собой тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и двукратным преобразованием тепловой энергии пара в механическую работу вращения вала. При истечении пара через специальные насадки (сопла) его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая передается па рабочие лопатки и преобразуется в механическую работу вращения вала турбины.
Совокупность неподвижных насадок и рабочих лопаток, в которых происходит двойное преобразование энергии пара, называется ступенью турбины. Ступени турбины и сами турбины могут быть активными или реактивными. Ступени, в которых расширение пара происходит в соплах или в каналах между неподвижными направляющими лопатками, называются активными. Давление пара перед и за лопатками в этом случае одинаково, поэтому ступени называют ступенями равного давления. Ступени, в которых расширение пара совершается в направляющих каналах и между рабочими лопатками, называются реактивными. Давление в реактивной ступени перед рабочими лопатками больше, чем за ними, и поэтому их называют ступенями избыточного давления.
Схема простейшей одноступенчатой активной турбины показана на рис. 1, а. Свежий пар поступает в неподвижную насадку (сопло) 1 ив результате расширения преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую, приобретая большую скорость. Далее пар поступает в каналы рабочих лопаток 2 и в результате поворота струи возникает динамическое давление па лопатки, под действием которого вращается диск 3 и вал 4 турбины.
На рис. 1, б изображена схема действия центробежной силы частиц пара на рабочую лопатку активной ступени. Струя пара поступает на рабочую лопатку полукруглой формы со скоростью С1. В канале между лопатками пар совершает криволинейное движение и, изменяя направления движения, уходит со скоростью С2.
Движение струи пара по криволинейному каналу лопаток сопровождается действием центробежных сил частиц пара на эту поверхность. Центробежные силы выделенных частиц пара а, б и в обозначены на рисунке векторами Р. Согласно законам механики их можно разложить на составляющие: Ра, направленные по оси турбины, и Ри, направленные по направлению движения лопаток. При этом составляющие Ра вследствие симметричной формы профиля лопаток взаимно уничтожаются, а составляющие Ри суммируются и совершают работу перемещения лопатки.
В реактивных турбинах расширение пара происходит как перед поступлением пара на рабочие лопатки, так и на самих рабочих лопатках, что достигается устройством сужающегося сечения каналов между рабочими лопатками. Изменение давления и скорости пара показаны на рис. 2, а.
Из графика видно, что в неподвижном аппарате 1 происходит расширение пара с изменением давления от р0 до р1, в каналах рабочих лопаток 2 — дополнительное расширение пара до давления р2. Это вызывает появление реактивной силы. Таким образом, на реактивную лопатку действуют две силы: центробежная и реактивная.
На рис. 2, б показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины. Движущая лопатку сила Р равна сумме сил Ракт и Рреакт, примерно равных по значению. Разность давлений р1 и р2 у входа и выхода из каналов рабочих лопаток создает добавочную силу Ракс, которая действует на лопатку вдоль оси ротора и в сумме с равнодействующей силой Р дает результирующее усилие Ррез. Направление результирующей силы не совпадает с направлением движения лопатки, и поэтому у реактивных турбин всегда имеется значительное осевое давление на ротор, которое необходимо уравновешивать различными разгрузочными устройствами.
vdvizhke.ru
Схема реактивной турбины
Свежий пар подводится в кольцевое пространство перед первым рядом направляющих лопаток. Здесь он расширяется и приобретает скорость С1. Вступив на рабочие лопатки пар отдает им часть своей кинетической энергии и покидает их со скоростью С2 равной относительной скорости W1. Далее процесс повторяется. С понижением давления удельные объемы пара возрастают, поэтому длина лопаток турбины от ряда к ряду увеличивается. Из-за возникающей разности давлений по обе стороны рабочих лопаток на ротор в осевом направлении действует осевое усилие, которое воспринимается либо разгрузочным поршнем, либо упорным подшипником.
Наивыгоднейшее отношение (U/ С1)
Выделим из проточной части турбины реактивного типа 1 ряд направляющих и 1 ряд рабочих лопаток.
Поток, проходя между направляющими лопатками, расширяется от давления Р0 до Р1 и теплоперепад had = i0 – i1 преобразуется в кинетическую энергию. При ютом скорость увеличивается от С0 до С1. На рабочих лопатках, которые имеют такой же профиль как направляющие лопатки, давление пара продолжает уменьшаться от Р1 до Р2. За счет теплоперепада 
has = i1 – i2 происходит увеличение относительной скорости от W1 до W2.
has = had; W1 = С2 = С0; С1 = W2.
β1 = α2; β2 = α1;
Lu = max при α2 = π/2 = 90°
Построим входной и выходной треугольники скоростей
С1·cosα1 = U
Наивыгоднейшее отношение (U/ С1)
α1 = 12÷18°, U = 200 м/с, С1 = 200 м/с
had = 20 кДж/кг
Похожие статьи:
poznayka.org
Общее описание конструкции турбины на примере К-160-130
В 1958 г. ХТЗ выпустил турбину К-150-130 (старое название ПВК-150) мощностью 150 МВт, рассчитанную на параметры свежего пара 12,75 МПа и 565ºС, с промежуточным перегревом пара до 565ºС, при давлении в конденсаторе 3,43 кПа и частоте вращения 50 1/с. Позже турбина была модернизирована, и в настоящее время ее мощность составляет 160 МВт.Регенеративный подогрев питательной воды производится сначала в подогревателях, в которых конденсируется отработавший пар основных пароструйных эжекторов и пар отсосов из крайних камер уплотнений, а затем – в пяти подогревателях низкого давления, три из которых питаются отборами из ЦНД, а два других – из отборов ЦВД.
В деаэраторе с давлением 0,6 МПа происходит выделение растворенных газов и нагрев питательной воды до температуры насыщения, равной 158ºС. Питательный электронасос перекачивает питательную воду в котел через три подогревателя высокого давления с температурой 229ºС (при нормальной мощности блока).
Пар от котла по двум паропроводам подводится к стопорному клапану и затем направляется к четырем регулирующим клапанам, каждый из которых соединен со свой сопловой коробкой. Две сопловые коробки установлены в нижней половине внутреннего корпуса ЦВД, а две – в верхней. (рис1)
- Номинальная мощность, МВт………….160
- Максимальная мощность, МВт…………165
- Давление свежего пара перед стопорным клапаном, мпа…..12,7
- температура свежего пара перед стопорным клапаном, С…..565
- давление пара перед блоками клапанов промперегрева при номинальной мощности,МПа……………..2,8
- температура пара перед блоками клапанов промперегрева при номинальной мощности,С……………..565
- температура охлаждающей воды при входе в конденсатор,С….12
- давление пара при входе в конденсатор,кПа….3,43
- температура подогрева питательной воды,С…………229
- частота вращения ротора,1/с……………………..50
- число цилиндров……………………………………2
- число выходов пара…………………………2
- число ступеней в ЧВД……………………7
- число ступеней в ЧСД……………………8
- число ступеней в ЧНД……………………12
- число регенеративных отборов пара……………7
- общая масса турбины с комплектующим оборудованием……..420 т
- длина турбины………………14,44 м
- высота…………………..5,79 м
- ширина……………………6,48 м
Рисунок 1.Общая конструкция турбины
Турбина имеет сопловое парораспределение. Первые два регулирующих клапана диаметром 120 мм открываются одновременно и подводят пар к сопловым коробкам, расположенным в нижней половине корпуса. Это позволяет обеспечить равномерный прогрев корпуса по окружности и исключить его коробление. При полном открытии двух первых клапанов турбина развивает 75% номинальной мощности. Номинальная мощность обеспечивается при дополнительном открытии третьего клапана диаметром 135 мм (левого верхнего, если смотреть на генератор). Четвертый клапан является перегрузочным и работает при снижении начальных параметров пара вплоть до 12 МПа и 555ºС или при ухудшении вакуума. Открытие четырех клапанов при номинальных параметрах пара позволяет получить мощность 165 МВт.
С параметрами 3,18 МПа и 375ºС пар по четырем паропроводам направляется в промежуточный пароперегреватель котла и возвращается оттуда с параметрами 2,8 МПа и 565ºС к двум клапанам части среднего давления (ЧСД), от которых по четырем паропроводам пар поступает в часть среднего давления, расположенную в едином корпусе с ЧВД. Таким образом, в турбине К-160-130 ЧВД и ЧСД конструктивно совмещены в одном ЦВД. Между этими частями установлена разделительная диафрагма с развитым средним уплотнением.
Часть среднего давления заключает в себе восемь ступеней активного типа. Из ЧСД по двум реверсивным трубам пар поступает в двухпоточный симметричный ЦНД. Расширение каждого потока пара происходит в шести ступенях. Последняя ступень имеет длину рабочей лопатки 780 мм при среднем диаметре 2125 мм, что обеспечивает кольцевую площадь выхода пара одного потока 5,21 м2.
В турбоустановке используется двухпоточный конденсатор типа К-160-9115 с поверхностью охлаждения 9115 м2, расчетный вакуум в котором обеспечивается при расходе 21000 м3/ч охлаждающей воды с температурой 12ºС.
Совмещение ЧВД и ЧСД в одном ЦВД позволило уменьшить вдвое число концевых уплотнений, уменьшить и организовать оригинальную систему уплотнений (рис.2).
Рисунок 2.Схема концевых уплотнений уплотнений штоков клапанов турбины К-160-130 ХТЗ
Переднее уплотнение ЦВД развито, в то время как заднее уплотнение почти такое же, как и в ЦНД. Как обычно, из последних камер всех уплотнений пар отсасывается в охладитель пара эжектора уплотнений, а предпоследние камеры подается уплотняющий деаэраторный пар.
Концевые и диафрагменные уплотнения выполнены лабиринтовыми: непосредственно на валу выточены впадины и выступы, по отношению к которым с малым зазором в расточках обойм концевых уплотнений и диафрагм установлены сегменты с усиками.
Каждый из роторов установлен на двух опорных подшипниках со сферическими вкладышами .Передний подшипник является комбинированным опорно-упорным, со сферическим вкладышем. Корпус переднего подшипника – выносной, двух других встроены в выходные патрубки ЦНД. Крышки подшипников содержат аварийные масляные емкости (турбины первых выпусков имели масляный насос на валу турбины и поэтому аварийных емкостей не имели).
Полумуфта ротора ЦВД откована заодно с валом; роторы ЦВД и ЦНД, а также ЦНД и генератора соединяются полужесткими муфтами.
Валоповоротное устройство размещено на крышке подшипника между ЦНД и генератором и имеет частоту вращения 3,33 1/мин.
Ротор ЦВД – цельнокованый, выполнен из стали ЭИ-415. Лопатки закреплены на дисках грибовидными хвостовиками с заплечиками и перевязаны в пакеты периферийными ленточными бандажами.
Ротор ЦНД — сварной, симметричный. Его отдельные элементы откованы из хромомолибденовой стали 34 ХМ. Освоение заводом производства сварных роторов таких размеров не только явилось большим техническим достижением того времени, но и создало основу для производства роторов ЦНД будущих мощных турбин. Отсутствие посадки диска на вал, центрального сверления в поковках дисков и их правильная профилировка по радиусу создает в роторе небольшие, практически постоянные по радиусу напряжения.
Все рабочие лопатки ЦНД, кроме лопаток последней ступени, посажены на диски посредством грибовидных хвостовиков; лопатки последней ступени имеют елочный хвостовик с торцевой заводкой.Лопатки первых трех ступеней ЦНД имеют ленточные периферийные бандажи и по одному ряду демпферной проволоки, последних трех ступеней – только по два ряда трубчатых бандажей.
Корпус ЦВД – двойной, с сопловыми коробками. Внутренний и наружный корпуса имеют горизонтальные разъемы. Внутренний корпус отлит из хромомолибденованадиевой стали 15Х1М1ФЛ, и в нем размещены первые пять ступеней. Наружный корпус состоит из двух частей, соединенных вертикальным сварочным швом; основная часть отлита из стали 20ХМФЛ, а выходная – из углеродистой. В наружном корпусе подвешены внутренний корпус, обойма двух последних диафрагм ЧВД, разделительная диафрагма и три обоймы диафрагм ЧСД.
Диафрагмы ЧВД имеют несущие стойки и узкие сопловые лопатки. В ЧСД диафрагмы сварные.
Инженерная помощь о турбинахСовмещение ЧВД и ЧСД в одном цилиндре потребовало тщательной проработки конструкции разделительной диафрагмы, на которую действует перепад давления около 0,3-0,5 МПа при некоторых нагрузках турбины и, главное, разность температур пара за и перед промежуточным перегревом, достигающая 180-190ºС. Без принятия специальных мер неравномерность нагрева вызвала бы значительные температурные напряжения и деформации диафрагмы. Для уменьшения нагрева диафрагмы со стороны поровпуска ЧСД установлены тепловые экраны с зазором по отношению к стенке диафрагмы. В зазор подается охлаждающий пар из камеры отвода пара на промежуточный перегрев. Аналогичные экраны установлены на паровпускной части среднего давления и сопловых коробках. Они препятствуют интенсивному теплообмену и снижают температурные напряжения в корпусе.
Корпус ЦНД выполнен двойным. Обе его части сварены из листов углеродистой стали. Внутренний корпус подвешен в наружном, и его фикспункт находится на пересечении осей паровпуска и оси турбины. Для уменьшения коробления внутреннего корпуса, особенно при частичных нагрузках и сбросах пара из БРОУ в конденсатор, он и его паровпускной патрубок экранированы.
Литые чугунные диафрагмы первых четырех ступеней ЦНД установлены во внутреннем корпусе, диафрагмы двух последних ступеней – в обойме, располагаемой во внутреннем корпусе.
На крышках внешнего корпуса ЦНД расположены атмосферные клапаны.
Корпус ЦВД опирается лапами на корпус выносного подшипника и на встроенный в корпус ЦНД средний подшипник. ЦНД опирается на фундаментные рамы опорным поясом. Между корпусом ЦВД и корпусами смежных подшипников установлены вертикальные шпонки.
Фикспункт турбины расположен в зоне паровпуска ЦНД; турбина расширяется в сторону переднего подшипника. Для увеличения маневренности турбина снабжена паровым обогревом фланцев и шпилек ЦВД.
После выпуска первых экземпляров турбины и их освоения на заводе много работали над повышением ее экономичности и надежности. Практически полностью была модернизирована проточная часть турбины, введено экранирование внутреннего корпуса ЦНД, установлены аварийные масляные емкости на крышках корпусов подшипников, усовершенствованы заднее концевое уплотнение ЦВД и другие узлы.
В настоящее время ХТЗ гарантирует следующие показатели турбоустановки К-160-130 (при номинальных параметрах свежего пара, промежуточного перегрева и вакуума в конденсаторе):
| Мощность на клеммах генератора, МВт | 165 | 160 | 150 | 130 | 100 |
| Расход пара через стопорный клапан, кг/с | 130,6 | 126,9 | 118,6 | 102,8 | 80,0 |
| Температура питательной воды, ºС | 230 | 229 | 226 | 218 | 206 |
| Гарантийный удельный расход теплоты, кДж/(кВт ч) | 8217 | 8246 | 8271 | 8309 | 8506 |
Схема маслоснабжения подшипников турбоагрегата показана на рис. 3
Рис.3 Схема маслоснабжения турбины К-160-130 ХТЗ
При работе турбины небольшая часть масла из главного масляного насоса, установленного на валу турбины, поступает по линии 1 на питание инжекторов 9 и 7, расположенных в масляном баке 8. Инжектор 9 подсасывает масло из бака и подает его, с одной стороны, к главному масляному насосу, питающему систему регулирования, с другой – к инжектору 7 и через обратный клапан 2 – к маслоохладителям 6, а из них с давлением 0,2-0,25 МПа – к подшипникам турбоагрегата.
При пуске турбины, когда главный масляный насос не создает достаточного напора масла, инжекторы питаются от пускового масляного насоса 3 высокого давления. При падении давления в системе смазки вступает в работу электромасляный насос 4 с двигателем переменного тока, питаемым от шин собственных нужд. В случае его отказа или исчезновения напряжения на шинах в работу вступает электронасос 5 с двигателем постоянного тока, подключенным к аккумуляторной батарее. Слив масла от подшипников выполняется в грязный отсек масляного бака.
Турбина оснащена гидродинамической системой регулирования (рис.4).
Рис.4 Принципиальная схема регулирования турбины ХТЗ К-160-130
Регулирующие клапаны ЧВД и ЧСД перемещаются сервомоторами одностороннего действия: клапаны поднимаются под действием давления силового масла, поступающего под поршень сервомотора, а отпускаются под действием пружин.
В установившемся режиме работы, когда регулирующие клапаны неподвижны, отсечные золотники 4 и 10 своими кромками препятствуют проходу силового масла от главного масляного насоса 11 в сервомоторы 6 и 7. При этом каждый из них находится в равновесии под действием давлений силового (в камере а), импульсного (в камере b) и давления масла (в камере с) связанной с гидравлическими выключателем 5 или 8 сервомотора.
При изменении давления импульсного масла в камереbравновесие золотника нарушается, и он смещается, открывая проход силового масла в сервомоторы для передвижения регулирующих клапанов. Движение последних вызывает восстановление давления в камере с отсечных золотников, т.е. приводит к новому установившемуся состоянию при новом положении регулирующих клапанов.
Изменение давления импульсного масла осуществляется датчиками систем регулирования и защиты.
В качестве датчика частоты вращения используется гидравлический тахометр 1 (импеллер), приводимый непосредственно от вала турбины. Давление за импеллером изменяется пропорционально квадрату частоты вращения, поэтому при ее изменении смещается золотник 2 регулятора частоты вращения, который изменяет давление масла в импульсной линии.
Дроссели 3 и 9 предназначены для настройки смещения начала открытия регулирующих клапанов ЧСД относительно регулирующих клапанов ЧВД.
| Рис.5 Принципиальная тепловая схема турбины,1-паропровод свежего пара,2-паропровод холодного промперегрева к котлу 3-задвижка на паропроводе холодного промперегрева,4-5-стопорный и предохранительный клапаны,6-коллектор холодного промперегрева,7-паропровод свежего пара от стопорного клапана к турбине,8-регулирующий клапан свежего пара,9-паропровод холодного промперегрева от турбины10-паропровод горячего промперегрева от котла,11-задвижка,12-ЧВД,13-блок клапанов промперегрева,14-паропровод горячего промперегрева от блоков клапанов к турбине, 15-ЧСД,16-ресивер,17-ЧНД,18-конденсатор,19-кондесатный насос,20-эжектор основной с охладителем,21-эжектор уплотнений с охладителем,22-ПНД1,23-сливной носос ПНД1,24-26-ПНД2-ПНД4,27-деаэратор,28-бустерный носос,29-питательный насос,30-ПВД6,31-ПВД7,32-ПВД8
|
Поделитесь материалом с друзьями в социальных сетях
helpinginer.ru
Газовая турбина. Устройство и принцип действия. Промышленное оборудование :: SYL.ru
«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.
Российский машиностроительный лидер ОДК
России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков – "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики.
Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.
А начиналось все так просто…
Поиски и пар
Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.
Рождение газовых турбин
Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.
Газовая турбина Николы Тесла
Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.
Принципиальная схема
Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.
Достоинства авиационных турбин
Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.
Есть у газотурбинных двигателей и недостатки
Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.
Охлаждение газовых турбин – сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.
Правильное применение
Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого – газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…
Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.
Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.
Тригенераторные электростанции
Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.
Ядерные энергоустановки
Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.
Широкое применение
Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.
www.syl.ru
