Паровые турбины, их назначение, типы и принципы

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество. Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт. Назначением паровых турбин является :

• -создание и поддержание определенного давления (разрежения) в выхлопном патрубке турбины;
• -превращение в конденсат отработавшего в турбине пара для питания им котла или парогенератора реакторной установки энергоблоков АЭС;
• -удаление неконденсирующихся газов из всех пароводяных потоков, поступающих в конденсатор.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины подразделяются на три группы: конденсационные, теплофикационные и турбины специального назначения. По типу ступеней турбин они классифицируются как активные и реактивные.

Конденсационные паровые турбины.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование).

Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными. Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Теплофикационные паровые турбины.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин — тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением.

Паровые турбины специального назначения.

Паровые турбины специального назначения обычно работают на технологическом тепле металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся турбины мятого (дросселированного) пара, турбины двух давлений и предвключённые (форшальт).

Турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющих давление немного выше атмосферного.

Турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней.

Предвключённые турбины представляют собой агрегаты с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих турбин направляют в другие с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанной с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции турбоагрегаты.

Также к турбинам специального назначения относятся и приводные турбины различных агрегатов, требующих высокой мощности привода. Например, питательные насосы мощных энергоблоков электростанций, нагнетатели и компрессоры газокомпрессорных станций и т. д.

Обычно стационарные паровые турбины имеют нерегулируемые отборы пара из ступеней давления для регенеративного подогрева питательной воды. Паровые турбины специального назначения не строят сериями, как конденсационные и теплофикационные, а в большинстве случаев изготовляют по отдельным заказам.

Устройство и принцип действия паровой турбины.

Паровую турбину относят к типу лопаточного двигателя. Рабочим органом ее является насаженный на вал диск с венцом изогнутых рабочих лопаток. Перед лопатками расположен ряд простых или комбинированных сопл. Сопла являются неподвижной частью турбины; их крепят к корпусу или диафрагме. Совокупность вращающихся частей турбины — вал, диски с рабочими лопатками — это ее ротор, а неподвижных частей — статор. Статор турбины состоит из фундаментной рамы, разъемного стального или чугунного корпуса, лабиринтовых уплотнений в местах прохода вала через корпус, диафрагм с сопловой решеткой, разделяющих пространство внутри корпуса на отдельные камеры — ступени давления. Принцип действия турбины объясним двумя процессами, происходящими в сопловых решетках и каналах, образованных рабочими лопатками, при прохождении через них рабочего тела — пара или газа. В соплах потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую; в лопаточном канале под воздействием струи пара возникает центробежная сила, воздействующая на лопатки и вызывающая вращение ротора турбины. При соединении вала с генератором тока механическая энергия преобразуется в электрическую. В однодисковой турбине не удается достаточно полно использовать кинетическую энергию струи пара. Значительная часть ее теряется с выходной скоростью пара, покидающего турбину, что снижает КПД турбины. Кроме этого, для генераторов тока чрезмерно высокая частота вращения не требуется. В целях снижения угловой скорости и повышения экономичности работы турбины их выполняют многоступенчатыми — со ступенями скорости и давления. По принципу действия в зависимости от характера сил, вызывающих вращение вала, турбины подразделяют на активные и реактивные. Особенностью реактивных турбин является несимметричная форма лопаток, образующих криволинейные суживающиеся каналы. При движении по таким каналам пар на выходе из сопла продолжает расширяться, повышая свою относительную скорость. В дополнение к центробежной силе это вызывает действующую на лопатки реактивную силу давления. Турбины, работающие по активному принципу, имеют симметричную форму лопаток и лопаточный канал почти постоянного сечения. Поэтому падение давления и увеличение скорости пара в них происходят только в соплах, на рабочих лопатках используется только кинетическая энергия пара. Турбина на одном диске имеет два параллельных венца лопаток. Между ними расположены неподвижные направляющие лопатки для плавного перехода струи пара с одного венца на другой с целью сохранения одного направления силы, действующей на лопатки каждого ряда. Давление от р0 до р падает только в соплах, на рабочих лопатках оно остается постоянным. С падением давления в соплах увеличивается кинетическая энергия, которая поровну распределяется между двумя рядами рабочих лопаток, превращаясь в работу навалу турбины. Изменение скорости на направляющих лопатках весьма незначительно за счет некоторой потери энергии на трение. Турбины имеют низкий КПД и небольшую мощность; их применяют для привода машин небольшой мощности (центробежных насосов и пр.).