Тепловые двигатели и нагнетатели. Паротурбинные установки (часть 1)

1. Тепловые двигатели и нагнетатели

Паротурбинные установки
(часть 1)
Лекция № 26

2. Турбина

• Турбина
(турбомашина)
является
двигателем, в котором теплота рабочего
тела (пара или газа) последовательно
преобразуется в кинетическую энергию
струи, а затем в механическую работу.

3.

• В простейшей турбине рабочее
тело поступает в сопло 1 (или
группу сопл), разгоняется в нем
до
высокой
скорости
и
направляется
на
рабочие
лопатки 2 (рис.).
• Усилия, вызванные поворотом
струи
в
каналах
рабочих
лопаток, вращают диск 3 и
связанный с ним вал 4.
• Диск с закрепленными на нем
рабочими лопатками и валом
называется ротором.
• Один ряд сопл и один диск с
рабочими
лопатками
составляют ступень.
Схема турбинной
ступени:
1 – сопло (или группа
сопл); 2 – лопатки; 3 –
диск; 4 – вал

4. 1. Принцип действия паровых турбин. Основы их устройства

Паровая или газовая турбина является двигателем,
в котором теплота и давление рабочего тела
последовательно преобразуются в кинетическую
энергию, а затем – в механическую работу.

5.

• При этом газ или пар направляется в сопло, где
он разгоняется, а из сопла он попадает на
лопатки турбины, где и производит работу.
• Сила действия струи на лопатку зависит от её
скорости w, формы и расположения лопатки.
• При прочих равных условиях наибольшая сила
воздействия на стенку возникает, когда
применяют канал, где струя меняет своё
направление.

6.

• На рисунке приведены три случая организации
взаимодействия струи газа со стенкой.
Воздействие струи газа на тело
• При прочих равных условиях (wстр = const, Mстр = const)
активная сила воздействия струи Fа одинакова с
реактивной силой Fр.
• Если же поток направить через канал, меняющий его
направление, то частично реализуются и активная, и
реактивная силы. Именно так устраивают межлопаточные
каналы в паровых и газовых турбинах.

7.

• Обычно поток пара или газа, направляется сбоку
под острым углом к плоскости вращения.
• Поток подаётся через направляющий аппарат в
виде
расположенных
по
окружности
неподвижных сопл (сопловая решётка).
• Выходящие из сопл струи пара попадают на лопатки
рабочего колеса, сидящего на валу турбины.
• Ротор турбины вращается на подшипниках в
корпусе машины, а сопловые аппараты соединены
с корпусом и при работе турбины остаются
неподвижными.

8.

Устройство соплового диска

9.

Роторы паровых турбин:
а – дискового типа; б – барабанного типа

10.

• Обычно сопловые каналы организуются с помощью
специальных сопловых лопаток, устанавливаемых по всей
окружности диска, который называют диафрагмой.
• Диафрагма имеет горизонтальный разъём, а в центре её
имеется отверстие диаметром d, через которое проходит вал
турбины.
• Сечение по среднему диаметру лопаток D называют
сопловой решёткой.
• Форма сопловых лопаток такова, что между ними образуются
суживающиеся сопла, в которых происходит разгон потока
пара. В отдельных случаях может применяться сопло Лаваля,
позволяющее разгонять пар до сверхзвуковых скоростей.

11.

• Роторы турбин выполняются или дискового типа,
когда рабочие лопатки устанавливаются на
специальных дисках, соединённых с валом, или
барабанного типа, когда лопатки монтируются на
сплошном (или полом) барабане вала.
• Турбины, в которых весь располагаемый
теплоперепад преобразуется в кинетическую
энергию потока в соплах, а в каналах между
лопатками расширения и разгона газа не
происходит, называются активными.

12.

• В активной турбине проходное сечение канала
между лопатками турбины делается постоянным, и
скорость и давление пара там не меняются.
• В реактивных турбинах используется реактивная
сила вытекающего из сопла потока.
• В
чистом
виде
–
это
авиационные
турбореактивные двигатели, толкающие самолёт
вперёд при выбрасывании продуктов сгорания в
атмосферу через сопло.

13.

• На практике к реактивным относят любые
турбины, у которых располагаемый теплоперепад
преобразуется в кинетическую энергию потока не
только в сопловом аппарате, но и в каналах между
рабочими лопатками.
• Для этого профиль рабочих лопаток делается таким,
что проходное сечение не постоянно, а уменьшается.
• В реактивных турбинах расширение пара
протекает как бы в два этапа: вначале в сопловом
аппарате, а затем и в межлопаточных каналах
рабочего колеса.

14.

• Отношение теплоперепада на рабочих лопатках ΔhЛ к
располагаемому теплоперепаду ΔhР называют степенью
реактивности турбины:
hЛ
hР
• При Ω = 1 – чисто реактивная ступень, при Ω = 0 – чисто
активная ступень. Чаще всего энергетические турбины
имеют Ω = 0,5.
• Современные
мощные
турбины
выполняются
многоступенчатыми,
потому
что
эффективно
использовать весь располагаемый теплоперепад пара или
газа в одной ступени невозможно. В каждой ступени
срабатывается только часть общего перепада давлений.

15.

• При большом числе ступеней разность давлений в
каждой ступени получается небольшой, а
скорости потока – умеренными.
• В
простых
соплах
срабатывает
критический перепад давлений
p2
крит 0,546
p1
только
(для пара).
• Делать перепад давлений большим невыгодно.

16.

Конструкция
трёхступенчатой
активной паровой
турбины, и эпюры
изменения давления и
скорости пара вдоль
потока.

17.

• При Ω = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют
одинаковый профиль и форму.
• Поэтому от ступени к ступени увеличивают
только высоту лопаток, так как при расширении в
соплах объём пара увеличивается.
• В каждом цилиндре также организуется
многоступенчатое расширение, т.е. ставятся
последовательно несколько пар сопловая решётка
– рабочее колесо с лопатками.
• При этом уменьшаются силы, действующие на
лопатки, решается проблема их прочности.

18.

• Рассмотрим сечение соплового и лопаточного каналов по
окружности рабочей зоны турбины (их называют сопловой
и лопаточной решётками).
Профили и характерные размеры сопловых (а) и
рабочих (б) лопаток

19.

• Сопловой канал (схема а) представляет собой
изогнутое сопло с косым срезом, в которое рабочее
тело поступает через сечение I–I, а выходит через
сечение II–II под углом α1 к плоскости,
перпендикулярной оси вала.
• Обычно α1 = 17 ± 2°.
• На схеме б) показан элемент рабочей решётки
активной турбины.
• Основными характеристиками решёток являются
шаг t, ширина В и хорда b, а также выходной угол α.

20.

Профили сопловой и
лопаточной решёток и
треугольники
скоростей
Схема расположения сопловых и лопаточных каналов в
осевой турбине с примерным соотношением действительных
размеров (рисунок а) и треугольники абсолютной С,
переносной (окружной) U, и относительной w скоростей на
входе и выходе из лопаточной решётки (рисунок б).

21.

• В турбинах используются сопла с косым срезом, что
накладывает некоторые особенности на течение пара или газа.
Косой срез сопла
• Из рисунка видно, длина образующих сопла при косом срезе
не одинакова, в результате чего поток пара дополнительно
отталкивается от не срезанной части сопла, что несколько
увеличивает выходной угол α1.

22. 2. Классификация паровых турбин

23.

• Познакомимся с классификацией турбин.
• По
направлению
движения
рабочего
тела
турбомашины делят на осевые (поток движется
параллельно оси), радиально-осевые и радиальные,
когда поток направлен от периферии к оси ротора
(центростремительные турбины) или наоборот
(центробежные машины).
• Преимущественное распространение получили
осевые турбины.

24.

• По характеру тепловых процессов, происходящих
в турбинах, они подразделяются на несколько
групп:
• 1. Конденсационные турбины, у которых
отработавший пар при давлении ниже атмосферного
направляется в конденсатор и конденсируется в нем,
а выделяющаяся при этом теплота полностью
теряется с охлаждающей водой.
• Существующие у таких турбин нерегулируемые по
давлению отборы пара (от 0,2 до 0,9 МПа) из
промежуточных
ступеней
используются
для
регенеративного подогрева питательной воды для
паровых котлов.

25.

• 2. Конденсационные турбины с регулируемыми по
давлению отборами пара (одним или двумя) для
производственных и отопительных целей при
частичном пропуске пара в конденсатор.
• 3. Турбины с противодавлением, у которых тепло
отработавшего пара, имеющего давление выше
атмосферного, используется для производственных и
отопительных целей.

26.

Обозначение паровых турбин включает три группы индексов.
• Первая буква (или две буквы) характеризует тип турбины:
К – конденсационная (весь отработанный пар направляется в
конденсатор),
Т – конденсационная с отопительным (теплофикационным)
отбором пара на теплофикацию,
П – конденсационные с отбором пара для промышленного
потребления,
ПТ- с двумя регулируемыми отборами пара (потребителю и
на теплофикацию),
Р – с противодавлением на выходе из установки,
ПР – с производственным отбором и противодавлением;
ТР – теплофикационные с противодавлением.

27.

• Следующая за буквами цифра указывает номинальную
мощность турбины в МВт.
• Далее цифрой обозначается начальное давление пара
перед турбиной в атмосферах.
• Под чертой для турбин П, ПТ, Р и ПР отмечается
номинальное давление производственного отбора или
противодавление турбины в атмосферах.
• Например:
турбина
ПТ-60-130/13 – номинальной
мощностью 60 МВт на начальное давление 130 атм. (12,8
МПа)
с
двумя
регулируемыми
отборами
пара:
производственным 13 атм. (1,3 МПа) и теплофикационным
1,2 атм. (0,12 МПа) – указанное давление для
отопительных
целей
устанавливается
заводом
изготовителем.

28.

• Существуют несколько классификаций турбин:
По конструктивному выполнению турбины бывают:
одноступенчатые (малой мощности), многоступенчатые;
стационарные и транспортные;
с постоянным или переменным числом оборотов.
По числу корпусов (цилиндров): одно−, двух−
и
многоцилиндровые.
По
принципу
парораспределения:
с
дроссельным
регулированием (редко); с сопловым парораспределением и
регулирующими клапанами; с обводным распределением,
когда свежий пар с пониженными параметрами полностью
или частично подаётся на последующие ступени или даже во
второй, третий цилиндры, минуя предыдущие (устарели).
По принципу действия: активные и реактивные.
По давлению: среднего, повышенного, высокого и
сверхкритического давления.

29. 3. Тепловой процесс в турбинной ступени

В турбинах происходит превращение тепловой и
упругостной энергии нагретого и сжатого пара,
расширяющегося в межлопаточных каналах, в
кинетическую энергию, а затем в механическую
энергию вращения ротора.

30.

• Схема одноступенчатой турбины Лаваля
• Пар поступает
несколько
приобретает
значительную
направляется
лопатки 5.
в одно или
сопл
4,
в
них
скорость и
на рабочие
Отработанный пар удаляется
через выхлопной патрубок 8.
1 – вал; 2, 7 – передние и
задние
лабиринтные
уплотнения; 3 – диск; 4 –
сопло; 5 – лопатка; 6 – корпус;
8 – выхлопной патрубок
• Ротор турбины состоящий из
диска 3, закрепленных на нем
лопаток 5 и вала 1, заключен
в корпус 6.

31.

• В месте прохода вала через корпус установлены передние 2 и
задние 7 лабиринтовые уплотнения, предотвращающие
утечки газа.
• Если весь теплоперепад срабатывается в одной ступени, то
скорости потока в соплах оказываются большими.
• При расширении перегретого пара, имеющего параметры 1
МПа и 500 ºС, до 10 кПа теплоперепад примерно равен 980
кДж/кг, что соответствует скорости потока с1 = 1400 м/с.
• Вследствие больших центробежных сил на лопатках по
условиям прочности в лучшем
случае допускается
окружная скорость u равная половины скорости потока, u1
= 700 м /с.

32.

• КПД активной турбины с умеренной окружной скоростью
(u≤300 м/с) можно повысить, используя рабочее колесо с
двумя рядами лопаток (двухвенчатый диск Кертиса).
Схема активной турбины с двумя ступенями скорости
1 – вал; 2 – диск; 3 – сопла; 4 – направляющие лопатки; 5 –
рабочие лопатки; 6 – корпус

33.

• Активные турбины со ступенями давления широко
применяются в качестве привода различных установок.
• Схема
активной
турбины
включает
несколько
последовательно расположенных по ходу пара ступеней,
сидящих на одном валу. Ступени отделены друг от друга
диафрагмами, в которые встроены сопла.
Схема активной турбины с тремя
ступенями давления
1 – сопло; 2 – входной патрубок; 3
– рабочая лопатка Ι ступени; 4 –
сопло; 5 – рабочая лопатка ΙΙ
ступени; 6 – сопло; 7 – рабочая
лопатка ΙΙΙ ступени; 8 –
выхлопной
патрубок;
9
–
диафрагмы

34.

• Сопла и диффузоры – специально спрофилированные каналы,
предназначенные для ускорения или торможения потока.
• Техническая работа в соплах и диффузорах не совершается,
поэтому уравнение
2
qвнеш
c
dh lтех d
2
• – выражение первого закона термодинамики для потока,
приводится к виду:
qвнеш
c
dh d
2
2

35.

• К объему РТ, движущегося в потоке, применимо выражение
первого закона термодинамики для закрытой системы:
qвнеш dh dp
• Приравняв правые части двух последних уравнений, получим:
c dc dp
• Из полученного соотношения видно, что dс и dp всегда имеют
противоположные знаки.
• Следовательно, увеличение скорости течения в канале
(dс>0) возможно лишь при уменьшении давления в нем
(dp<0). Наоборот, торможение потока (dc < 0)
сопровождается увеличением давления (dp > 0).

36.

• Длина сопла и диффузора невелика, а скорость течения
среды в них достаточно высока, то теплообмен между
стенками канала и средой при малом времени их
прохождения настолько незначителен, что в большинстве
случаев им можно пренебречь и считать процесс
истечения адиабатным (qвнеш=0).
• При этом уравнение первого закона термодинамики для
потока
2
2
lтех
• принимает вид:
c2 c1
h2 h1
2
c
2
2
qвнеш
c
h1 h2 .
2
2
1

37.

• Следовательно, ускорение адиабатного потока
происходит за счет уменьшения энтальпии, а
торможение потока вызывает увеличение энтальпии.
• Энергия рабочего тела (РТ) на входе и выходе из
устройств (сопло, лопатки диска, диафрагмы)
турбины определяется значениями абсолютных с,
относительных w, и окружных u скоростей.

38.

• Абсолютная скорость с – это скорость движения
потока относительно неподвижного корпуса
турбины.
• Абсолютная скорость с равна геометрической сумме
относительной w и переносной (окружной) u
скоростей.
• Относительная скорость w – это скорость
движения потока относительно вращающегося
диска турбины.
• Вектор ее направлен по касательной к кромке на
выходе или входе в устройства турбины.
• Вектор окружной u скорости, направленный по
касательной к данной точке устройства турбины.

39.

• Векторы
окружной
и
абсолютной
скоростей
образуют угол α; векторы
окружной и относительной
– угол β.
• Величину
и
направление
относительной скорости на
входе в каналы лопаток
находят
из
треугольника
скоростей:
w1 c1 u .
Кинематика потока в
проточной части ступени

40.

w1 c1 u .
• где
u – окружная скорость вращения лопаток;
u Dср n0 .
• где Dср – средний диаметр ступени, м , nо – частота вращения
рабочего колеса, об/мин.
• Вследствие потерь на трение и завихрения в межлопаточных
каналах относительная скорость потока на выходе w2 будет
меньше w1, что учитывается коэффициентом скорости
межлопаточных каналов φл, т.е.
w2 л w1 ,

41.

• Абсолютная скорость потока
с2 , покидающего
рабочие лопатки, уменьшается из-за преобразования
кинетической энергии потока в работу и частично изза изменения относительной скорости.
• Ее вектор можно найти путем векторного сложения
скоростей:
c2 w2 u .

42.

• Движущийся поток действует на рабочие лопатки с
силой Р.
• Проекция этой силы на ось машины Рz (осевая
сила)
воспринимается
подшипниками,
предотвращающими смещение ротора вдоль оси.
• Проекция этой силы на направление окружной
скорости Рu (окружная сила) вызывает вращение
ротора.

43.

• Если воспользоваться диаграммой скоростей потока,
то согласно закону сохранения импульса (количества
движения) окружную силу можно найти из
выражения
Pu m c1 cos 1 c2 cos 2
m w1 cos 1 w2 cos 2 .
• а осевую силу – из выражения:
Pz m c1 sin 1 c2 sin 2
m w1 sin 1 w2 sin 2 .
• где m – массовый расход рабочего тела через
ступень, кг/с.

44.

• Удельная работа ступени, развиваемая одним килограммом
рабочего тела, равна произведению силы Рu на путь,
пройденный лопаткой в секунду, т.е. на скорость
u,
деленному на расход рабочего тела:
P u
l
u
m
.
• Отношение удельной работы ступени к располагаемому
теплоперепаду Δhт называется КПД ступени:
2u
l
ст
2 w1 cos 1 w2 cos 2 .
hст c1
• здесь Δh – располагаемый теплоперепад при условии, что
скорость на входе в сопловой аппарат со равна нулю.

45.

• КПД ступени является важным показателем, поскольку он
определяет общий КПД турбины.
• На величину КПД ступени и другие ее характеристики
решающее влияние оказывают отношение скоростей u/с1 и
степень реакции (реактивность), под которой понимается
отношение теплоперепада, превращенного в кинетическую
энергию потока в рабочем колесе (h1 – h2), ко всей
подведенной тепловой энергии (h о – h2):
h1 h2
т
.
h0 h2
• Турбина с Ωт = 0 называется активной, а с Ωт > 0 –
реактивной. Полностью реактивных турбин (с Ωт > 0,6) не
строят.

46.

• В активных турбинах подвод рабочего тела к
рабочему колесу производится через одно или
несколько сопл – парциально.
• При этом отношение длины окружности, занятой
соплами,
ко
всей
длине
окружности
направляющего аппарата называют степенью
парциальности.
• В реактивных турбинах рабочее тело подводится
через
неподвижные
межлопаточные
каналы
направляющего аппарата по всей окружности.

47.

• Рассмотрим изменение параметров рабочего тела в
активной и реактивной ступенях осевой турбины.
Графики изменения
давления, скорости и
энтальпии в активной
(а) и реактивной (б)
ступенях

48.

• В активной турбине тепловая энергия РТ переходит в
кинетическую только в сопловом аппарате и поток «активно
давит» на лопатки рабочего колеса, вращая его.
• Давление РТ в рабочем колесе не меняется.
• В реактивной турбине лишь ≈ 50% тепловой энергии РТ
переходит в кинетическую в направляющем аппарате,
остальные же ≈ 50% – в межлопаточных каналах рабочего
колеса, где за счет истечения РТ с большой скоростью
возникает реактивная сила.
• Поэтому сила давления на лопатки рабочего колеса
складывается из активной и реактивной составляющих.

49.

• Зная степень реактивности Ωт, можно определить
скорость РТ на входе в колесо:
с1 л 1 т h
• где φл = 0,93÷0,98 – опытный коэффициент скорости
межлопаточных каналов.

50.

• Оптимальное значение u/с1 для активной ступени
можно определить с помощью модели тележки с
лопаточным профилем.
Треугольники скоростей с наименьшей выходной
скоростью для реактивной турбины

51.

• Полное превращение энергии потока в энергию
движения тележки произойдет при условии, что
выходная скорость с2 = 0.
• Но, w1 = с1 – u (с1 и u известны).
• Тогда из соотношений с2 = w2 – u и w1 = с1 – u
следует, что при с2 = 0 скорости w2 = w1 = w, т.е.
w1= u и u/с1 = 0,5.
• В реальных условиях с2 ≠ 0, поэтому задача сводится
к отысканию условий получения с2min → 0.

52.

• Если принять с1= const, углы β1= β2 и изменить u,
то из треугольника скоростей видно, что с2 будет
минимальной при направлении ее вдоль оси 00.
• Отсюда для активной ступени
u
0,5 cos 1 и u 0,5c1
c1 A

53.

• Треугольники скоростей реактивной ступени
обычно симметричны.
• Т.к. форма направляющих и рабочих лопаток
одинакова.
• Тогда осевые скорости с1 = с2 и в итоге получим
вполне выгодное равенство с выгодным значением:
u
cos 1 и u c1
c1 P

54.

• Т.о., при одинаковых с1 частота вращения рабочего
колеса у активных турбин примерно в два раза
меньше, чем у реактивной.
• И наоборот, при одинаковых u (т.е. одинаковые
мощности) скорость пара с1 у активной турбины
должна быть в два раза выше, а число ступеней
меньше чем у реактивной.
• Большое число ступеней и меньшие теплоперепады,
срабатываемые в них, делают реактивные турбины
более экономичными, хотя и более громоздкими и
сложными, чем активные.

55.

• Поскольку частота вращения турбин достигает n =
30 000 ÷ 40 000 об/мин, для применения их на
сухопутном и морском транспорте, где у двигателей
n < 2000 ÷ 4000 об/мин, приходится вводить
шестеренчатые редукторы, резко увеличивающие
размеры и вес.