Международный государственный экологический университет

им. А.Д.Сахарова

Кафедра «Возобновляемые источники энергии»

Практическая работа

Изучение принципа работы, устройства и основных циклов турбинных установок

по дисциплине «Энергопреобразующие машины»

Минск 2012

Цель работы:

- закрепить знания по теоретическим основам работы турбинной ступени;

- изучить принцип работы и основные циклы работы газотурбинных установок (ГТУ):

- изучить принципиальное устройство ГТУ;

- ознакомиться с основными конструктивными решениями ГТУ.

Схема простейшей одноступенчатой турбины пока­зана на рис. 1, а. Свежий пар поступает в неподвижную насадку (сопло) 1 и в результате расширения преобразует свою потенци­альную энергию в кинетическую энергию потока, 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.

1- сопло (неподвижная насадка); 2- рабочие лопатки; 3 – диск; 4- вал турбины

С₁ - скорость струи пара поступающей на рабочую лопатку;

С₂ - скорость струи уходящего пара;

Р – вектора центробежных сил выделенных частиц пара а, б, в;

Ра, Рu - составляющие вектора Р, направленные по оси турбины (Ра), и по направлению движения лопаток (Рu).

Рис.1 - Схема простейшей одноступенчатой турбины. Схема действия центробежной силы частиц пара на лопатку

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: Р_а, направленные по оси турбины, и Р_и, направленные по направлению движения лопа­ток. При этом составляющие Р_а вследствие симметричной формы профиля лопаток взаимно уничтожаются, а составляющие Р_и суммируются и совершают работу перемещения лопатки.

Активная и реактивная турбинные ступени. В зависимости от формы каналов рабочей решетки реализуют принцип действия ступени: активный и реактивный. 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. 

В активной ступени тепловой перепад перерабатывается полностью в неподвижном сопловом аппарате. Р₂ = Р₁

Реактивные ступени - расширение пара совершается в направляющих кана­лах и между рабочими лопатками. Дав­ление в реактивной ступени перед рабочими лопатками больше, чем за ними, и поэтому их называют ступенями избыточного дав­ления. 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. Р₁ > Р₂ 

Изменение давления и ско­рости пара показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Изменение давления и ско­рости пара

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.

При обтекании рабочих лопаток паром, выходящим из сопловой решетки, на поверхности возникает распределение давления. Профили рабочих лопаток проектируют и устанавливают так, чтобы давление на вогнутой стороне было больше, чем на спинке. В результате возникает усилие, действующее на профиль.

На рис. 2, б показаны силы, действующие на рабочую лопатку реактивной турбины. Движущая лопатку сила Р равна сумме сил Р_акт и Р_реакт, примерно равных по значению. Разность давлений р₁ и р₂ у входа и выхода из каналов рабочих лопаток создает до­бавочную силу Р_акс, которая действует на лопатку вдоль оси ро­тора и в сумме с равнодействующей силой Р дает результирую­щее усилие Р_рез.

Газотурбинная установка

Газотурбинная установка (ГТУ) — энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор. ГТУ состоит из двух основных частей: силовая турбина  и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

На рис. 3 приведена схема ГТУ и цикл ГТУ.

Основные циклы работы ГТУ.

Простой цикл

Рис. 4 - Схема простого цикла

При работе ГТУ в простом цикле вырабатывается только электрическая энергия. Выхлопные газы ГТУ выбрасываются в атмосферу сразу же за ГТУ.

Преимущества: малые капитальные вложения; простая надёжная схема; компактность.

Недостатки: низкий КПД (равный электрическому КПД газотурбинной установки) – 29-35 %; не использование тепла уходящих газов для выработки тепловой энергии. Температура уходящих газов 490-540 °С.

Когенерационный цикл

Когенерация — процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. При работе ГТУ в когенерационном цикле, выхлопные газы после ГТУ поступают в котёл-утилизатор (КУ) – теплообменный аппарат, нагревающий рабочее тело (вода, пар) за счёт теплоносителя (выхлопные газы). Таким образом, получается дополнительный продукт – тепловая энергия в виде горячей воды или пара, или же пар на технологические нужды.

Рис. 5 - Схема когенерационного цикла

Простой КУ не потребляет топлива, потребление ограничиваются лишь затратами электроэнергии на прокачку рабочего тела через КУ. Использование когенерационной схемы с простым КУ позволяет дополнительно получить 1.5-1.7 МВт тепловой энергии на каждый выработанный МВт электрической энергии.

КУ с дожигом позволяет увеличить выработку тепловой энергии или пара. Дожиг представляет собой горелочное устройство, установленное в КУ. Горелочное устройство потребляет природный газ. Мощность КУ с дожигом ограничивается количеством кислорода, содержащимся в выхлопе ГТУ (как правило 15~16%).

Использование когенерационной схемы с КУ с дожигом позволяет получить дополнительно до 3.2 МВт тепловой энергии на каждый выработанный МВт электрической энергии.

КУ сбросного типа представляет собой КУ с дожигом, в горелочное устройство которого помимо топлива подаётся воздух для горения. Мощность такого котла не ограничивается ничем. По сути представляет собой отдельный котёл, в который сбрасываются выхлопные газы ГТУ.

КУ сбросного типа может работать в трех разных режимах:

1. Совместно с газотурбинной установкой ( как КУ с дожигом).

2. Совместно с газотурбинной установкой (как КУ без дожига).

3. Самостоятельно без газотурбинной установки (как обычный котел).

Преимущества:

- выработка одновременно с электричеством тепловой энергии без существенных дополнительных затрат;

- общий КПД станции – до 80~86%;

- простая, проверенная, надёжная схема.

Недостатки:

- более высокие по сравнению с простым циклом капиталовложения.

- при использовании КУ с дожигом или сбросных котлов-утилизаторов возникает дополнительный расход газа;

- в летний период, когда потребность в тепле отсутствует или незначительна, мощность КУ снижают (вплоть до полного отключения), большая часть выхлопа выбрасывается в атмосферу, что снижает общий КПД станции вплоть до значений простого цикла.