ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ВЫНОСИМЫХ НА ЭКЗАМЕН
Технологическая схема паротурбинной установки
Машины, преобразующие тепловую энергию в механическую работу, называются тепловыми двигателями.
Источники тепловой энергии являются:
на ТЭС – парогенераторы ПГ (паровые котлы), теплота в которых выделяется за счет химических реакции окисления (горения) органического топлива;
на АЭС – ЯР, в которых выделение тепла происходит при ядерных реакциях.
Получение электрической энергии происходит в 2 этапа:
Преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Для этого используются тепловые двигатели:
паровые машины,
паровые турбины,
газовые турбины,
двигатели внутреннего сгорания.
Реактивные двигатели также относятся к тепловым двигателям..
Преобразование механической энергии в электрическую энергию реализуется в электрических генераторах.
Наибольшее применение в энергетике нашли паровые турбины.
В паровых машинах, которые являлись предшественниками паровых турбин, преобразование потенциальной энергии в механическую работу является одноступенчатым, т. е. потенциальная энергия пара преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, которое через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение. Вследствие больших инерционных масс скорость движения поршня и частота вращения коленчатого вала остаются довольно низкими. Для повышения частоты вращения применялись повышающие редукторы. Размеры редукторов могли быть сопоставимы с размерами паровой машины, поэтому получение большой единичной мощности было проблематичным.
Паровая турбина – это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется сначала в кинетическую энергию движения струи пара, а затем кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора.
Рис. Преобразование энергии в паровой турбине
Потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движения струи пара в сопловом аппарате (СА).
Кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора в рабочем аппарате (РА).
Потребителями механической энергии вращения ротора могут быть любые рабочие машины:
электрические генераторы,
насосы, компрессоры, воздуходувки и т.д.
Как правило, паровая турбина соединена с рабочей машиной непосредственно (без промежуточных механизмов).
Турбина, соединенная с электрическим генератором, называется турбогенератором.
Ниже, на рисунке, показана принципиальная схема двухконтурной АЭС с паротурбинной установкой.
(Дать расшифровку элементов схемы).
Принцип действия паровой турбины
Сопла раб. лопатки
Т
урбинная
ступень
состоит из соплового аппарата
(неподвижного) и рабочего аппарата
(вращающегося).
Сопловые и рабочие решетки образуются с помощью профилей.
Профили сопловых и рабочих лопаток устанавливаются с определенным постоянным шагом и под определенным углом.
Между этими профилями образуются сопловые и рабочие каналы.
Каналы между сопловыми лопатками должны быть либо суживающимися, либо расширяющимися (в виде сопел Лаваля). Это зависит от необходимой степени преобразования потенциальной энергии в кинетическую.
Каналы между рабочими лопатками применяются либо постоянного сечения (активная ступень), либо суживающиеся (реактивная ступень).
Активная ступень
В
активных ступенях преобразование
потенциальной энергии в кинетическую
происходит только в сопловом аппарате,
а на рабочих лопатках кинетическая
энергия преобразуется в механическую
работу.
Поэтому в сопловых решетках могут использоваться суживающиеся или комбинированные каналы.
В рабочих решетках каналы имеют постоянное сечение.
Изменение параметров пара в активной ступени
Сопла Раб. лопатки
В
сопловом аппарате пар расширяется, его
давление уменьшается от Р0
до Р1
, а скорость возрастает от С0
до С1
.
В каналах рабочих лопаток, имеющих постоянное сечение, давление пара не изменяется.
Пар, движущийся со скоростью С1 , взаимодействует с рабочими лопатками, его кинетическая энергия уменьшается за счет преобразования в механическую работу (энергию).
Пар покидает ступень со скоростью С2 .
Реактивная ступень
В
отличии от активной ступени, в реактивной
ступени процесс
преобразования потенциальной энергии
в кинетическую происходит не только в
соплах, но и на рабочих лопатках.
Механическая энергия создается как за счет кинетической энергии струи, натекающей на рабочие лопатки, так и за счет реактивного усилия, возникающего из-за расширения пара.
В реактивной ступени каналы сопловой решетки могут быть суживающимися или комбинированными, а каналы рабочей решетки – суживающимися.
Изменение параметров пара в реактивной ступени
Сопла раб. лоп.
В классической реактивной ступени тепловой перепад H0 делится пополам между сопловой и рабочей решетками.
В
общем случае тепловые перепады сопловой
и рабочей решеток не равны H01
H02
Их соотношение определяется
степенью реактивности (реакцией) ступени.
=============================================================
Понятие о степени реактивности ступени.
Степень реактивности ступени ρ - это отношение теплового перепада, сработанного в рабочих лопатках, к располагаемому тепловому перепаду ступени.
ρ= H02 / H0
.Для активной ступени: ρ=0
Для классической реактивной ступени: ρ=0,5
В современных турбинах чисто активные ступени не выполняются. Обычно выполняются ступени с небольшой степенью реактивности для увеличения степени конфузорности потока в каналах рабочих лопаток.
ρ=(0,1
0,15)
Основные уравнения движения пара
Основные уравнения движения пара.
Уравнение состояния.
Уравнение неразрывности.
Уравнение сохранения энергии.
Уравнение сохранения импульса массы.
Уравнение состояния.
Для идеального газа оно выглядит следующим образом:
PV=RT,
где R – универсальная газовая постоянная.
Однако, даже для перегретого пара это уравнение является неточным, т. к.
R=f(P, T).
Для перегретого пара более точно соблюдается зависимость:
,
где i
– энтальпия.
Эта зависимость говорит о том, что на линии постоянной энтальпии произведение PV является постоянной величиной. Пар, который удовлетворяет этому уравнению, иногда называют идеальным. Если расширение пара происходит без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то такой процесс называют изотропным и параметры состояния починяются уравнению:
k=1.26÷1.33 (обычно k=1.3) – перегретый пар.
K=1.135 – сухой насыщенный пар.
При переходе пара из области перегретого пара в область влажного пара эти соотношения становятся неточными. Приходится пользоваться таблицами воды и водяного пара, которые графически интерпретируются h,s-диаграммой. Точность расчетов с помощью h,s-диаграммы зависит от ее масштаба.
Иногда, когда приходится определять изменение состояния в малых отклонениях, то более достоверным может оказаться аналитический расчет.
У
равнение
неразрывности.
G=const
-
уравнение неразрывности в интегральной
форме.
Если прологарифмировать,
а затем продифференцировать это выражение, то получим:
-
уравнение неразрывности в дифференциальной
форме. Или
Приращение площади проходного сечения канала определяется суммой приращений удельного объема и скорости истечения.
Уравнение сохранения энергии.
В интегральной форме его можно получить из уравнения энергии в тепловых величинах:
Если рассматривать энергетически изолированный поток, то: Q=L=0
Уравнение сохранения импульса массы
Без вывода в форме, удобной для задач, решаемых в турбомашинах.
Типичная конструкция паровой турбины
П
ринципиальная
конструктивная схема многоступенчатой
паровой турбины.
СК – стопорный клапан.
РК – регулирующий клапан.
1 – сопловой аппарат (СА).
2 – рабочий аппарат (РА).
3 – диски.
Рабочие лопатки 2 крепятся на дисках 3, которые закреплены на валу 4.
Совокупность рабочих лопаток, дисков и вала называется ротором турбины. Ротор турбины опирается на подшипники 5.
Сопловые лопатки 1 крепятся в диафрагмах 6, которые закреплены в корпусе 7. Сопловые лопатки неподвижны, а ротор турбины вращается.
Пар на турбину подается через стопорный клапан СК, который предназначен для быстрого прекращения подачи пара при необходимости ее останова.
РК – регулирующий клапан. Он предназначен для регулирования (изменения) расхода пара, подаваемого на турбину, и, следовательно, изменения ее мощности.
-
давление перед РК.
-
давление за РК,
т.е. перед соплами первой ступени.
По мере открытия РК, увеличивается и стремится к . Расход пара возрастает, поэтому растет мощность турбины. При этом, частота вращения ротора сохраняется постоянной, что обеспечивается системой регулирования турбины.
Система регулирования, в общем случае, предназначена для поддержания баланса между мощностью турбины и мощностью рабочей машины. Именно эта система формирует импульсы и обеспечивает перестановочное усилие, действующее на РК, открывая или закрывая его.
Пар
последовательно проходит все ступени
турбины, его давление от ступени к
ступени уменьшается, а удельный объем
пара увеличивается, что требует увеличения
площади проходного сечения. Поэтому
высота сопел и рабочих лопаток по мере
движения пара увеличивается. Отработанный
пар достигает конечного давления
и сбрасывается через выхлопной патрубок
(ВП)
в конденсатор.
Совокупность одного ряда сопел и рабочих лопаток называется ступенью. (На схеме показана 5-ступенчатая турбина).
Совокупность всех ступеней называется проточной частью.
Проточная часть размещается в корпусе. Для предотвращения утечки пара из корпуса в окружающую среду предназначены переднее (ПКУ) и заднее (ЗКУ) концевые уплотнения.
ДУ – диафрагменное уплотнение. Оно предназначено для снижения утечки пара между неподвижной диафрагмой и вращающимся ротором, т. е. мимо СА.
ПУ – периферийное уплотнение. Оно предназначено для снижения утечки пара в зазор между рабочими лопатками и корпусом.
Корпус имеет горизонтальный разъем вдоль оси вала. Верхняя и нижняя часть соединяются фланцами.
Диафрагмы также имеют горизонтальный разъем. Их половинки крепятся между собой в процессе сборки турбины.
По условиям надежности в турбинах применяются только подшипники скольжения.
К вспомогательным системам турбины относится система маслоснабжения, которая предназначена для подачи масла в подшипники скольжения. Масло после подшипников собирается в корпусе подшипника, затем поступает в маслобак, очищается, охлаждается и снова подается в подшипники.
Процесс истечения пара в турбинной решетке. Основные соотношения параметров
Турбинная решетка (сопловая или рабочая) представляет собой каналы, образованные профилями, и эти каналы по своей форме могут быть:
постоянного сечения - рабочие или направляющие решетки,
суживающиеся - сопловые или рабочие решетки,
расширяющиеся (комбинированные, сопла Лаваля) - только сопловые решетки.
Индекс «t» означает, что истечение происходит без потерь.
Уравнение сохранения энергии
Теоретическая скорость истечения пара
-
тепловой перепад, сработанный в решетке
по статическим параметрам.
Кинетическая энергия на входе в решетку:
тепловой
перепад в решетке, по параметрам
торможения.
Теоретическая скорость истечения пара
Истечение через суживающиеся и расширяющиеся решетки
Расширение в косом срезе суживающейся решетки
Расширение в косом срезе суживающейся решетки.
Если
,
то критические параметры устанавливаются
в горле канала, а косой срез поток
проходит по инерции. При этом
.
Расширение в косом срезе суживающейся решетки.
Если
расширение потока будет происходить
в 2 этапа:
В суживающейся части канала до
.В косом срезе от до
.
При
этом, фронт давления займет промежуточное
положение
и
.
========================================================