Парові турбіни як основний двигун на теплових електростанціях

Реферат

на тему:

«Парові турбіни  як основний двигун на теплових електростанціях»

Історія розвитку парових турбін

Уявімо  собі закритий металевий посуд (котел), частково заповнений водою. Якщо під ним запалити вогонь, то вода почне нагріватися, а потім закипить, перетворюючись на пару. Тиск всередині котла буде підвищуватися, і якщо стінки його недостатньо міцні, він може навіть вибухнути. Це показує, що в парі накопичився запас енергії, який, нарешті, виявив себе вибухом. Чи не можна змусити пару здійснювати будь-яку корисну роботу? Це питання вже дуже давно займав вчених. Історія науки і техніки знає багато цікавих винаходів, в яких людина прагнула використовувати енергію пари. Деякі з цих винаходів були корисними, інші були просто хитромудрими іграшками, але, принаймні, два винаходи треба назвати великими, вони характеризують цілі епохи в розвитку науки і техніки. Ці великі винаходи - парова машина і парова турбіна. Парова машина, що отримала промислове застосування в другій половині XVIII ст., Здійснила переворот в техніці. Вона швидко стала головним двигуном, що застосовуються у промисловості і на транспорті. Але в кінці XIX і на початку XX ст. досяжна потужність і швидкохідність парової машини вже стали недостатніми.

Назріла необхідність у будівництві великих  електричних станцій, для яких був  потрібний потужний і швидкохідний двигун. Таким двигуном стала парова турбіна, яка може бути побудована на величезні потужності при високому числі оборотів. Парова турбіна швидко витіснила парову машину з електричних станцій і великих пароплавів.

Історія створення й удосконалення парової  турбіни, як і будь-якого великого винаходу, пов'язана з іменами багатьох людей. Більш того, як зазвичай буває, основний принцип дії турбіни був відомий задовго до того, як рівень науки і техніки дозволив побудувати турбіну.

Принцип дії парової машини полягає у  використанні пружних властивостей пара. Пар періодично надходить в циліндр і, розширюючись, здійснює роботу, переміщаючи поршень. Принцип дії парової турбіни іншою. Тут пар розширюється, і потенційна енергія, накопичена в казані, переходить у швидкісну (кінетичну) енергію. У свою чергу кінетична енергія струменя пари перетворюється в механічну енергію обертання колеса турбіни.

Історію розвитку турбіни починають з  кулі Герона Олександрійського і  колеса Бранка. Можливість використання енергії пари для отримання механічного руху була відзначена відомим грецьким вченим Героном Олександрійським більше 2000 років тому. Їм був побудований прилад, названий кулею Герона (рис. 1).

Куля  міг вільно обертатися у двох опорах, виготовлених з трубок. За цим опор пар з котла надходив в кулю і далі виходив в атмосферу з двох зігнутим під прямим кутом трубкам. Куля оберталася під дією реактивних сил, що виникають при закінченні струменів пари.

Інший проект описаний у творі італійського вченого  Джіованні Бранка (1629 р.). У верхню частину котла вставлена ​​трубка (мал. 2).

Так як тиск пари всередині котла більше, ніж атмосферний тиск повітря навколо котла, то пара спрямовується по трубці назовні.

З вільного кінця трубки б'є струмінь пари і, потрапляючи на лопаті колеса, змушує його обертатися.

Модель  Герона і колесо Бранка не були двигунами, але вони вже вказували можливі шляхи отримання механічного руху за рахунок енергії рушійного пари.

У принципах дії кулі Герона і колеса Бранка є відмінність. Куля Герона, як вже було сказано, обертається під дією реактивних сил. Це ті ж сили, які штовхають ракету. З механіки відомо, що струмінь, виштовхується з посудини під дією тиску, зі свого боку тисне на судину в напрямку, протилежному напрямку закінчення. Це очевидно на підставі третього закону Ньютона, за яким сила, що виштовхує струмінь, повинна бути рівна і протилежна за напрямом силі реакції струменя на посудину.

У турбинке Бранка потенційна енергія пари спочатку переходить у кінетичну енергію  струменя, що б'є з трубки. Потім при ударі струменя в лопаті колеса частину кінетичної енергії пари переходить в механічну енергію обертання колеса.

Якщо  куля Герона рухається реактивними  силами, то в турбинке Бранка використовується так званий активний принцип, так  як колесо черпає енергію з активної струменя.

Найбільший  зсув у конструктивному оформленні парової турбіни і надалі її розвитку намітився в кінці позаминулого століття, коли в Швеції інж. Густав Лаваль і в Англії Чарльз Парсонс незалежно один від одного стали працювати над створенням і удосконаленням парової турбіни. Досягнуті ними результати дозволили паровій турбіні з часом стати основним типом двигуна для приводу генераторів електричного струму і отримати широке застосування в якості двигуна для цивільних і військових кораблів. У паровій турбіні Лаваля, створеної в 1883 р., пара поступає в одне або кілька паралельно включених сопів, набуває в них значну швидкість і направляється на робочі лопатки, розташовані на ободі диска, що сидить на валу турбіни, і створюючі грати робочих каналів.

Зусилля, викликані поворотом струмені пари в каналах робочої грати, обертають  диск і пов'язаний з ним вал  турбіни. Відмінною особливістю цієї турбіни є те, що розширення пари в соплах від початкового до кінцевого тиску відбувається в одному щаблі, що обумовлює дуже високі швидкості потоку пари. Перетворення кінетичної енергії пари в механічну відбувається без подальшого розширення пара лише внаслідок зміни напрямку потоку в лопаткових каналах.

Турбіни, побудовані за цим принципом, тобто турбіни, в яких весь процес розширення пари і пов'язаного з ним прискорення парового потоку відбувається в нерухомих соплах, отримали назву активних турбін.

При розробці активних одноступеневих турбін було вирішено низку складних питань, що мало надзвичайно велике значення для  подальшого розвитку парових турбін. Були застосовані розширюються сопла, які припускають велику ступінь розширення пари і дозволяють досягти високих швидкостей закінчення парового потоку (1200-1500 м / сек). Для кращого використання великих швидкостей потоку пари Лаваль розробив конструкцію диска рівного опору, що допускав роботу з великими окружними швидкостями (350 м / сек). Нарешті, в одноступінчастої активної турбіні були застосовані такі високі числа оборотів (до 32 000 об / хв), які набагато перевищували числа оборотів поширених у той час двигунів. Це призвело до винаходу гнучкого валу, частота вільних коливань якого менше частоти збурюючих зусиль при робочому числі обертів.

Незважаючи  на ряд нових конструктивних рішень, використаних у одноступеневих активних турбінах, економічність їх була невисока. Крім того, необхідність застосування редукторною передачі для зниження числа оборотів провідного валу до рівня числа оборотів приводиться машини також гальмувала в той час розвиток одноступеневих турбін і особливо збільшення їхньої потужності. Тому турбіни Лаваля, отримавши на початку розвитку турбобудування значне поширення в якості агрегатів невеликої потужності (до 500 кВт), надалі поступилися місцем іншим типам турбін.

Парова  турбіна, запропонована в 1884 р. Парсонсом, принципово відрізняється від турбіни Лаваля. Розширення пари в ній виробляється не в одній сопловой групі, а в ряді наступних один за одним ступенів, кожна з яких складається з нерухомих направляючих апаратів (соплових решіток) і обертових лопаток.

Напрямні  лопатки закріплені в нерухомому корпусі турбіни, робочі лопатки  розташовуються рядами на барабані. У кожного ступеня такий турбіни спрацьовується перепад тиску, що становить лише невелику частку повного перепаду між тиском свіжої пари і тиском пари, що залишає турбіну. Таким чином, виявилося можливим працювати з невеликими швидкостями парового потоку в кожній ступені і з меншими окружними швидкостями робочих лопаток, ніж в турбіні Лаваля. Крім того, розширення пари в ступенях турбіни Парсонса відбувається не тільки в сопловой, але і в робочій решітці. Тому на робочі лопатки передаються зусилля, викликані не тільки зміною напрямку потоку пари, але і прискоренням пари в межах робочої грати, викликають реактивне зусилля на робочі лопатки турбіни.

Сходи турбіни, в яких застосовується розширення пари і пов'язане з ним прискорення  парового потоку в каналах робочих  лопаток, отримали назву реактивних ступенів. Таким чином, показана на рис. 4 турбіна стала типовим представником багатоступеневих реактивних парових турбін.

Принцип послідовного включення ступенів, в кожній з яких використовується лише частина наявного теплового перепаду, виявився дуже плідним для подальшого розвитку парових турбін. Він дозволив досягти в турбіні високої економічності при помірних числах оборотів ротора турбіни, що допускають безпосереднє з'єднання валу турбіни з валом генератора електричного струму. Цей же принцип дав можливість виконувати турбіни дуже великої потужності, що досягає декількох десятків і навіть сотень тисяч кіловат в одному агрегаті.

Багатоступеневі реактивні турбіни в даний  час мають широке розповсюдження, як в стаціонарних установках, так  і у флоті.

Розвиток  активних парових турбін пішло також по шляху послідовного розширення пара не в одній, а в ряді щаблів, розташованих один за одним. У цих турбінах ряд дисків, укріплених на загальному валу, розділений перегородками, що одержали назву діафрагм, в яких розташовані нерухомі соплові решітки. У кожній з побудованих таким чином ступенів відбувається розширення пари в межах частини загального наявного теплопаденія. У робочих гратам відбувається лише перетворення кінетичної енергії парового потоку без додаткового розширення пари в каналах робочих лопаток. Активні багатоступінчасті турбіни отримали широке поширення в стаціонарних установках, вони застосовуються також як суднових двигунів.

Поряд з  турбінами, в яких пар рухається  в напрямку осі валу турбіни (аксіальним), були створені конструкції радіальних турбін, в яких пар тече в площині, перпендикулярної осі турбіни. З останніх найбільш цікавою є радіальна турбіна, запропонована в 1912 р. у Швеції братами Юнгстрем.

З початку 90-х років розвиток парових турбін йде винятково швидким темпом. Це розвиток значною мірою визначилося таким же швидким паралельним розвитком електричних машин і широким впровадженням електричної енергії в промисловість. Економічність парової турбіни і потужність її в одному агрегаті досягли високих значень. За своєю потужністю турбіни далеко перевершили потужності всіх без виключення інших типів двигунів. Є турбіни потужністю 500 МВт, пов'язані з генератором електричного струму, причому доведена можливість виконання ще більш потужних агрегатів, принаймні до 1000 МВт.

У розвитку парового турбобудування можна відзначити декілька етапів, які позначилися  на конструктивному виконанні турбін, побудованих в різні періоди часу.

У період до імперіалістичної війни 1914 р. рівень знань в області роботи металів при високих температурах був недостатній для застосування пари високих тисків і температури. Тому до 1914 р. парові турбіни будувалися переважно для роботи пором помірного тиску (12 - 16 бар), з температурою до 350 ° С.

У відносно підвищення потужності одиничного агрегату вже в початковий період розвитку парових турбін були досягнуті великі успіхи.

У 1915 р. потужність окремих турбін досягала вже 20 МВт. ​​У післявоєнний період, починаючи з 1918-1919 рр.., Продовжує зберігатися тенденція до підвищення потужності. Проте надалі конструкторами турбін переслідувалася завдання підвищення не тільки потужності агрегату, але і числа обертів турбін великої потужності при виконанні їх з одним генератором електричного струму.

Найбільш  потужною швидкохідної турбіною в світі свого часу (1937 р.) була турбіна Ленінградського металевого заводу, побудована на 100 МВт при 3000 об / хв.

У період до імперіалістичної війни 1914 р. турбобудівних  заводи в більшості випадків випускали  турбіни з обмеженим числом ступенів, розміщених в одному корпусі турбіни. Це дозволило виконувати турбіну дуже компактними і відносно дешевими. Після війни 1914 р. напруженість в паливопостачання, яку відчувало більшість країн, зажадала всебічного підвищення економічності турбінних агрегатів.

Було встановлено, що максимального ККД турбіни  можна досягти, застосовуючи малі теплові  перепади в кожному ступені турбіни  і відповідно ладу турбіни з великим  числом ступенів. У зв'язку з цією тенденцією виникли конструкції турбін, які навіть при помірних параметрах свіжої пари мали надзвичайно велике число ступенів, що досягає 50 - 60.

Велике число  ступенів призводило до необхідності створювати турбіни з декількома корпусами навіть у тому випадку, коли тур біна з'єднувалася з одним  електричним ге нератором.

Таким чином, стали поширюватися двох-і трьохкорпусне турбіни, які, відрізняючись високою економічністю, були дуже дорогими і громіздкими.

У наступному розвитку турбобудування в цьому  питанні також намітилося відоме відступ у бік спрощення конструкції  турбіни і скорочення числа її ступенів. Турбіни потужністю до 50 МВт при 3000 об / хв досить довго будувалися тільки двокорпусними. Новітні конденсаційні турбіни такої потужності, що випускаються передовими заводами, будуються однокорпусні.

Одночасно з конструктивними удосконаленнями  турбін помірного тиску (у 20 - 30 бар) у період з 1920 по 1940 р. стали поширюватися більш економічні установки високого тиску, що досягає 120 - 170 бар.

Застосування  пари високих параметрів, що істотно  підвищує економічність турбінної установки, зажадало нових рішень в області конструювання парових турбін. Значні успіхи були досягнуті в справі застосування легованих сталей, що мають досить високу межу текучості і малі швидкості повзучості при температурах 500 - 550 ° С.

Поряд з  розвитком конденсаційних турбін вже  на початку цього століття починають застосовуватися установки для комбінованого вироблення електричної енергії і тепла, які зажадали побудови турбін з протитиском і проміжним відбором пари. Перша турбіна з регулюванням постійності тиску отбираемого пара була побудована в 1907 р.