Какие паровые двигатели называют паровыми турбинами
Паровые турбины
Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
Как устроена паровая турбина
Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.
Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго
Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
Как появились паровые турбины
Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.
В XVI веке году забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.
Турбинная революция
Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде
Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.
Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.
Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.
В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.
Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia
Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).
Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.
Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba
Эффективность паровых турбин
Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.
Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.
Интересные факты
Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens
Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia
Разница между паровым двигателем и паровой турбиной
Паровой двигатель против паровой турбины В то время как паровой двигатель и паровая турбина используют большую скрытую теплоту испарения пара для выработки энергии, основное различие заключается в ма
Содержание:
Паровой двигатель против паровой турбины
В то время как паровой двигатель и паровая турбина используют большую скрытую теплоту испарения пара для выработки энергии, основное различие заключается в максимальном обороте в минуту энергетических циклов, который могут обеспечить оба. Существует ограничение на количество циклов в минуту, которое может обеспечить поршневой поршень с паровым приводом, заложенный в его конструкции.
Паровые двигатели в локомотивах, как правило, имеют поршни двойного действия, которые работают с паром, накапливающимся поочередно с обеих сторон. Поршень поддерживается штоком поршня, соединенным с крестовиной. Крестовина дополнительно прикреплена к штоку управления клапаном с помощью рычажного механизма. Клапаны предназначены для подачи пара, а также для отвода отработанного пара. Мощность двигателя, генерируемая возвратно-поступательным поршнем, преобразуется во вращательное движение и передается на тяги привода и соединительные тяги, которые приводят в движение колеса.
В турбинах используются лопатки из стали, обеспечивающие вращательное движение с потоком пара. Можно выделить три основных технологических достижения, которые делают паровые турбины более эффективными по сравнению с паровыми двигателями. Это направление потока пара, свойства стали, из которой изготавливаются лопатки турбины, и способ получения «сверхкритического пара».
Современная технология, используемая для определения направления и схемы потока пара, более сложна по сравнению со старой технологией периферийного потока. Введение прямого удара пара лопастями под углом, который создает небольшое или почти полное отсутствие обратного сопротивления, обеспечивает максимальную энергию пара для вращательного движения лопаток турбины.
Сверхкритический пар производится путем повышения давления нормального пара таким образом, чтобы молекулы воды пара были доведены до такой степени, что он снова стал больше похож на жидкость, сохраняя при этом свойства газа; это имеет превосходную энергоэффективность по сравнению с обычным горячим паром.
Эти два технологических достижения были реализованы за счет использования высококачественной стали для производства лопаток. Таким образом, турбины можно было запускать на очень высоких скоростях, выдерживая высокое давление сверхкритического пара, с тем же количеством энергии, что и традиционная мощность пара, без поломки или даже повреждения лопастей.
Недостатками турбин являются: малый диапазон изменения, который приводит к ухудшению производительности при снижении давления или расхода пара, медленное время запуска, что позволяет избежать тепловых ударов в тонких стальных лопатках, большие капитальные затраты и высокие качество пара, требующее обработки питательной воды.
Основным недостатком паровой машины является ограничение скорости и низкий КПД. Нормальный КПД парового двигателя составляет около 10-15%, а новейшие двигатели могут работать с гораздо более высоким КПД, около 35% с введением компактных парогенераторов и за счет поддержания двигателя в безмасляном состоянии, что увеличивает срок службы жидкости.
Для небольших систем паровой двигатель предпочтительнее паровых турбин, поскольку эффективность турбин зависит от качества пара и высокой скорости. Выхлоп паровых турбин имеет очень высокую температуру и, следовательно, низкий тепловой КПД.
Благодаря высокой стоимости топлива, используемого для двигателей внутреннего сгорания, в настоящее время наблюдается возрождение паровых двигателей. Паровые двигатели очень хороши в улавливании отработанной энергии из многих источников, включая выхлоп паровых турбин. Отработанное тепло паровой турбины используется на электростанциях с комбинированным циклом. Кроме того, он позволяет выпускать отработанный пар в виде отработавших газов при очень низких температурах.