6.4. Парові турбіни.

Турбомашина є двигуном, в якому теплота робочого тіла — водяна пара послідовно перетворюється в кінетичну енергію струмини, а потім в механічну роботу. Парова турбіна разом з регенеративними паропідігрівачами, конденсатором, насосами, трубопроводами та арматурою складають паротурбінну установку.

Потужність сучасних парових турбін досягають 800 МВт. Підвищення потужності парових турбін дозволяє побудувати ТЕС високих потужностей при зниженні ціни їх будівництва та експлуатації і зниженні витрат палива. Турбіна повинна швидко здійснювати пуск, набір і зміну навантаження, а також зупинятися. Робочий процес у турбінах неперервний. На потужних турбінах робоче тіло - водяна пара може досягати критичних параметрів (23 МПа, 540-560°С). Турбіна складається із обертової частини — ротора та нерухомої - статора. Ротор представляє собою вали, на якому закріплений диск з лопатками 3. Статор складається із паровпускних органів, соплової решітки 1, підшипників і т.п. (рис.6.11). Корпус турбіни виготовляють роз'ємним в горизонтальній площині по центральній лінії вала, нижня його частина упирається на фундамент. Через паровпускні органи в соплову коробку підводять свіжу пару. Корпус закінчується випускним патрубком, через які відводиться відпрацьована пара.

Рис. 6.11. Схема найпростішої парової турбіни.

В соплах пара розширюється і при цьому тиск і температура зменшуються, а швидкість зростає. Якщо температура зменшується, то швидкість зростатиме до кілька сот м/с і відповідно кінетична енергія зростає. Між дисками розміщують нерухомі перегородки — діафрагми із закріпленими в них соплами. Діафрагми і диск

являють собою ступінь турбіни, яких досягає до 20-30. Частота обертання становить 3000 об/хв, що відповідає частоті 50 Гц.

На кожній ступені відпрацьовує певна частина теплоперепаду, тобто частина внутрішньої енергії перетворюється в механічну роботу (рис.6.12).

Підвищення кількості ступенів приводять до збільшення кількості обертів, тому що кожна ступінь працює в більш оптимальному режимі. Але таке збільшення має межі, бо пара високих параметрів, виконуючи роботу в турбіні, на останніх її ступенях зволожується, шо приводить до зменшення частоти обертання і ерозійному впливу капель вологи на робочі лопатки. Тому в потужних турбінах використовують проміжні паропідігрівачі.

В турбінах АЕС пара має нижчі параметри, тому в них встановлюють більш високі лопатки виготовлені із титанових сплавів (3000 -» 1500 об/хв).

Рис..6.12. Загальний вигляд парової турбіни з трьома ступенями. 1-сопло, 2-

вхідний патрубок, 3-робоча лопатка І ступеню, 4-сопло, 5-робоча лопатка II

ступеня, 6-сопло, 7-робоча лопатка III ступеня, 8-вихлопний патрубок, 9-

діафрагми.

Відпрацьована пара поступає в конденсатор, де підтримується тиск, який нижче атмосферного, тут здійснюється відвод теплоти при можливо низьких температурах і тисках із перетворенням пари в конденсат. Теплота передається охолоджувальній воді, конденсат не повинен змішуватися з водою, яка має багато домішок. Тому конденсатором слугує теплообмінник поверхневого типу. Теплообмін здійснюється через тонкі стінки трубок (латунні), всередині яких рухається вода. На 1 тонну охолоджуваної в конденсаторі пари потрібно перекачати через нього 50-60 т води. Повітрявідкачуюче обладнання — це пароструминні або водоструминні ежектори. Конденсат відкачується конденсаційними насосами.

Існує наступна класифікація турбін:

- конденсаційні, в яких відпрацьована пара має тиск нижче, ніж атмосферний. Вся пара повністю надходить в конденсатор, і тоді теплота в конденсаторі повністю втрачається;

- конденсаційні з регулюванням за величиною тиску відбором пари для промислових цілей, коли частина пари направляється в конденсатор. Відбор пари здійснюється як для теплофікаційних, так і для виробничих цілей;

- турбіни з протитиском, в яких тепло відпрацьованої пари, що мають тиск вище атмосферного, використовують для виробничих і теплофікаційних цілей. Р.

За способом перетворення енергії потоку пари в механічну роботу вони поділяються на активні і реактивні. В активних (рис.6.13) перетворюється в механічну роботу лише кінетична складова енергії потоку, а в реактивних (рис.6.14), як кінетична так і потенціальна складова енергії потоку. В активній турбіні пара надходить до сопла 4 з параметрами Р₀ і С₀. З сопла пара з параметрами P_h Q потрапляє в канали робочих лопаток З, де тиск пари залишається сталим (Р₂ = Р|), а швидкість зменшується від С, до С₂, тобто кінетична енергія пари перетворюється на механічну роботу обертання диска 2 і з'єднаного з ним вала 1. Соплові апарати в реактивних турбінах виготовлені у вигляді каналів що мають звуження 2, які утворені кожною парою нерухомих лопаток 1. У сопловому апараті відбувається часткове розширення від початкового тиску Р₀ до проміжного pj (Р₀ > Р,). При цьому у звужених соплах лише частина енергії перетворюється у кінетичну. Лопатки 3 реактивного ступеня менш зігнуті, чим у активного, і утворюють канали із звуженням 4. Внаслідок цього пара, рухаючись по цьому простору, продовжує розширюватись (тиск зменшується від Р, до Р₂ за рахунок чого підвищується відносна швидкість від Wj до w₂. Зусилля, що обертають ротор, зумовлено реактивною дією каналу робочих лопаток. Спад тиску викликає прискорення течії пари відносно робочих лопаток. При цьому виникає сила відштовхування - реактивна сила. В таких турбінах виникають великі осьові зусилля, що потребує зміцнення опор підшипників потора. Тому в енергетиці не використовують чисто реактивні турбіни, а комбінований варіант - активні турбіни з певною ступінню реактивності. Маркірування турбін є таким. Перша буква (чи дві букви) характеризують тип турбіни: К - конденсаційна, Т -конденсаційна з опалювальним (теплофікаційним) відбором пари, П — з виробничим відбором пари, ПТ - з двома регульованими відборами пари, Р - з протитиском, ПР - з виробничим відбором пари і протитиском. Наступна за буквами цифра означає номінальну потужність турбіни в МВт. Потім цифрою позначається тиск пари перед турбіною в атмосферах. Для прикладу марка ПТ - 60-130/13 - відбір теплофікаційної пари з тиском 13 ат., з номінальною потужністю 60 МВт, тиском пари, що подається на турбіну 130 ат. Тиск пари в системах опалення встановлюють 1,2 ат. Швидкість витікання пари із сопла визначають за формулою для випадку адіабатичного процесу.

Рис.6.13. Принципова схема обладнання активної турбіни.

де h₁ ,h₂,- ентальпія водяної пари до входу і після виходу із сопла.

Щоб швидкість пари перевищувала швидкість звуку використовують сопла Лаваші.

Рис.6.14. Схема реактивної дії пари на лопатки турбіни.

Втрати енергії в турбіні бувають зовнішні та внутрішні. Внутрішні втрати безпосередньо впливають на зміну стану робочого тіла при його розширенні в турбіні і знижують тешіоперепад. До них відносяться:

- втрати кінетичної енергії в соплах і на робочих лопатках внаслідок тертя і завихрення. Вони в кінцевому результаті перетворюються в теплоту і підвищують ентальпію робочого тіла в кінці процесу;

втрати кінетичної енергії із вихідною швидкістю відпрацьованої пари між діафрагмою і валом;

- втрати між робочими лопатками та корпусом турбіни між діафрагмою і валом;

- втрати внаслідок вологості пари, тому що фракції вологи, ударяючись об стшки лопаток, гальмують обертання ротора і знижують корисну роботу.

До зовнішніх витрат відносять :

- втрати за рахунок пропускання (сочіння) пари через кінцеві зазори між корпусом і валом;

- механічні втрати, які включають витрати енергії на подолання тертя в підшипниках турбіни і на привід допоміжних механізмів.Робота турбіни як теплового двигуна, характеризується внутрішньою (індикаторною) і ефективною потужністю.

Ni - внутрішня (індикаторна) потужність, що розвивається на лопатках турбіни,

Ne - ефективна потужність, що є на валу турбіни. Індикаторна потужність завжди більша за ефективну на величину втрат енергії..

Відповідно до цього розрізняють - внутрішній індикаторний ефективний к.к.д. та - механічний к.к.д. Дляпарових турбін вони знаходяться в межах: