Марочек В.И. Турбины ТЭС и АЭС. Конспект лекций - файл n1.doc

Марочек В.И. Турбины ТЭС и АЭС. Конспект лекций
скачать (7192.7 kb.)
Доступные файлы (3):
n1.doc1121kb.05.05.2000 10:28скачать
n2.docскачать
n3.doc1238kb.13.01.1998 12:54скачать

n1.doc

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Дальневосточный Государственный технический университет


Центр модернизации котельной техники
Кафедра теоретической и общей теплотехники


Турбины ТЭС и АЭС

Часть 1

Принцип действия, классификация и история создания турбин

Конспект лекций канд. техн. наук доцента Марочек В.И.
Владивосток

Введение

Конспект по курсу "Турбины ТЭС и АЭС", часть I, составлен на основании лекций по этому предмету, читавшихся для студентов специальности 1005 "Тепловые электрические станции" факультета Механики и теплофизики Естественнонаучного института Дальневосточного Государственного технического университета.

Цель курса в целом - сообщить студентам основные сведения по всему комплексу вопросов, касающихся принципа действия тепловых турбин, их разновидностей, конструктивного выполнения деталей и узлов турбоустановок и тепловых процессов, в них происходящих.

В курсе также рассматриваются вопросы проектирования паротурбинных агрегатов и тепловых расчетов турбинного двигателя как на основном, так и на переменных режимах; вопросы конструирования и расчетов на прочность деталей и узлов турбин.

Программой также предусмотрен специальный раздел по газотурбинным установкам.

Курс "Турбины ТЭС и АЭС" предполагает хорошее знакомство с технической термодинамикой и гидрогазодинамикой в пределах учебной программы специальности.

В части I конспекта лекций рассматриваются принцип действия тепловых турбин, их классификация и история создания.

Вопросы проектирования паротурбинных агрегатов: расчет регенеративной схемы, предварительный и детальный тепловой расчет проточной части, расчеты на прочность отдельных узлов и деталей, а также знакомство с конструкцией турбин и методикой теплотехнических испытаний паровых турбин рассмотрены в уже изданных учебных пособиях, методических указаниях и руководствах:

1.В.И.Марочек, Ю.Д.Башаров, Н.Н.Попов "Проектирование паротурбинных агрегатов. Тепловые расчеты". Уч. пособ. Владивосток, ДВГТУ, 1994 г. 2.В.И.Марочек, Н.Н.Попов "Проектирование паротурбинных агрегатов. Расчет на прочность деталей паровых турбин". Метод, указ., Владивосток, ДВГТУ, 1999 г.

3.В.И.Марочек, Н.Н.Попов "Ревизия паровой турбины". Метод, указ. к лабор. раб. Владивосток, ДЕЛИ, 1982 г.

4.В.И.Марочек, Н.Н.Попов "Эксплуатационные испытания паротурбинного агрегата" (применительно к ВладТЭЦ-2). Метод, указ. к лабор. раб. Владивосток, ДВГТУ, 1993 г.

5.В.И.Марочек, Н.Н.Попов "Эксплуатационные испытания паротурбинного агрегата" (применительно к электростанции ЛуТЭК). Метод, указ к лаб. работе. Владивосток, ДВГТУ, 1999 г. Остальные вопросы предполагается осветить в последующих изданиях.

Энергетика - одна из ведущих отраслей народного хозяйства высокоразвитых стран. Ведущая роль в деле энергообеспечения как в мире в целом, так и в России, принадлежит тепловым электрическим станциям, включая атомные. На долю тепловых электростанций приходится более 80 % всей мощности и, соответственно, выработки электроэнергии.

Для привода электрогенераторов в подавляющем большинстве случаев используются турбины, как правило, паровые.

Современные тепловые турбинные установки существуют в двух основных разновидностях: паровые и газовые. Рабочим телом в каждой из них является, соответственно, пар (как правило, водяной) или же газ (обычно - продукты сгорания жидкого или газообразного топлива).

Принцип работы турбины


Турбина - ротативный тепловой двигатель с непрерывным процессом преобразования тепловой энергии рабочего вещества в механическую работу. Кинематическая схема её предельно проста.

Турбина состоит из двух основных узлов:

1.Вращающаяся часть - ротор, и

2.Неподвижная часть - корпус (статор).

Перед каждым диском с рабочими лопатками укреплен сопловой аппарат, состоящий из нескольких неподвижных сопел, закрепленных в корпусе.

Основным условием работы турбины является наличие разности давлений – перед сопловым аппаратом и за рабочими лопатками.

Сопла, совместно с рабочими лопатками, образуют проточную часть турбины. В проточной части происходит двойное преобразование энергии рабочего вещества:

1.в соплах потенциальная энергия пара или газа превращается в кинетическую; на выходе из соп


Рис.1

1, 9 – камеры подвода и отвода пара;

2, 4, 6 – сопла; 3, 5, 8, - рабочие лопатки;

7 – диафрагмы.
ел скорость потока составляет сотни метров в секунду;

2.на рабочих лопатках кинетическая энергия потока непосредственно превращается в механическую работу вращения вала турбины; скорость вращения, как правило, составляет тысячи оборотов в минуту.

Общая классификация паровых и газовых турбин


1. По принципу действия: активные и реактивные,

2. По количеству ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые.

Многоступенчатые, в свою очередь, могут быть со ступенями давления, со ступенями скорости и комбинированные (как со ступенями скорости, так и со ступенями давления).

3. По направлению потока рабочего вещества:

осевые, радиальные и тангенциальные.

Подразделение турбин по принципу действия


Активные турбины (турбинные ступени)

Проточная часть, состоящая из одного ряда сопел и одного ряда рабочих лопаток, образует простейшую турбинную ступень.

В активном варианте ступени расширение рабочего вещества (падение давления) имеет место только в соплах; на рабочих лопатках давление остается постоянным.

Работа осуществляется за счет непосредственного ударного действия потока на лопатки.

Характер изменения давления и скорости показан на графике, рис.2, где Р0 – Р1 – Р2 - линия изменения давления, а С0 – С1 – С2 - линия, характеризующая изменение абсолютной скорости потока; С - сопловой аппарат, РЛ - рабочие лопатки.

Реактивные турбинные ступени


Расширение рабочего вещества имеет постепенный характер: давление частично падает в соплах, а затем - до конечного значения - на рабочих лопатках, что обусловливается соответствующим профилем проточной части.

На лопатках, вследствие наличия перепада давлений, наряду с непосредственным ударным (активным) действием струи, появляется реактивная отдача, т.е., полная сила, действующая на лопатку, складывается из двух составляющих.

Характер изменения давления и абсолютной скорости дан на рис.За, а действующих сил - на рис.3б, где Рд - сила активного воздействия, Рр - реактивная сила, а Р - полная сила, действующая на рабочую лопатку.

Подразделение турбин по количеству ступеней

Одноступенчатые турбины


Комбинация одного ряда (по окружности) сопел и одного венца рабочих лопаток называется активной или реактивной ступенью.

Многоступенчатые турбины

Турбины со ступенями давления


В

данном случае турбина состоит из нескольких, последовательно расположенных простейших одноступенчатых турбин, являющихся "ступенями" многоступенчатой турбины. Расширение рабочего вещества происходит постепенно, от ступени к ступени. Такие турбины могут быть как активного, так и реактивного типа.

Рис.4

Характер изменения давления и абсолютной скорости потока в этом случае представлен на рис.4а (активный вариант) и рис.4б (реактивный).

Турбины со ступенями скорости


Идея ступеней скорости состоит в том, что кинетическая энергия, полученная в соплах, превращается в механическую работу не на одном венце рабочих лопаток, а на нескольких, расположенных последовательно. Между венцами рабочих лопаток находятся венцы (ряды) направляющих лопаток для придания струе нужного направления.

В этом случае каждый из рабочих венцов представляет собой ступень скорости. Турбины такого типа могут быть двух- и трехвенечными.

На рис.5а показана проточная часть двухвенечной турбины. Здесь С - сопла; РЛ1 - рабочие лопатки первого венца; НЛ - направляющие лопатки; РЛ2 - рабочие лопатки второго венца.

Турбины со ступенями скорости могут быть чисто активного типа или же с небольшой степенью реакции (т.е., небольшим падением давления на рабочих и направляющих лопатках).

Характер изменения давления и скорости в турбине такого типа показан на рис.5б (активный вариант) и 5в (вариант с реакцией).



Рис.5

Турбины со ступенями скорости и давления (комбинированные)

В этом случае обычно первая ступень выполняется в виде колеса с двумя венцами скорости, а остальные - ступени давления активного или реактивного типа.

Подразделение турбин по направлению потока рабочего вещества


Турбины могут быть осевого типа, радиальные и тангенциальные.

Турбины осевого типа


В турбинах осевого типа генеральное направление движения рабочего тела совпадает с направлением оси ротора. К турбинам такого типа относятся все выше рассмотренные конструкции, и это самый распространенный вариант турбин, используемых для привода электрогенераторов.

Турбины радиального типа

В турбинах такого типа генеральное направление движения рабочего потока осуществляется в радиальном направлении: либо из района оси ротора к периферии дисков, либо наоборот - от периферии в район оси



Первый вариант показан на рис.6. Турбина с единой проточной частью имеет два диска, насаженных на отдельные валы, и вращающихся в разные стороны. Соответственно, единый турбоагрегат имеет два электрогенератора. Путь пара на рис.6а показан стрелками, а на рис.6б изображена проточная часть. В турбине нет неподвижных направлявших аппаратов; все расширение рабочего вещества происходит на рабочих лопатках.



."~ а. б.

Рис.6 Рис.7

Второй вариант радиальной турбины (центростремительный) показан на рис.7. Рабочее тело подводится к диску через сопловой аппарат, расположенный по периферии, и, после взаимодействия с рабочими перегородками, на диске, отводится вдоль оси.

Этот вариант имеет место при создании турбин для газотурбинных установок малой мощности.

Турбины тангенциального типа


Рабочее вещество подходит к колесу почти по касательной (тангенциально) к его наружной части, где располагаются лопаточные карманы. Схема турбины и её элементов дана на рис.8.



Классификация паровых турбин

Может быть предложена следущая классификация паровых турбин:

А. В зависимости от характера теплового процесса паротурбинной установки.

1.Турбины конденсационные

а). турбины конденсационные без отборов пара

б). турбины конденсационные с промежуточными отборами пара

1.с нерегулируемыми отборами

2.с регулируемыми отборами

3.как с регулируемыми, так и нерегулируемыми отборами

в). турбины с промежуточным подводом пара

г). турбины мятого пара

2.Турбины с повышенным давлением на выхлопе

а). турбины с ухудшенным вакуумом

б). турбины с противодавлением

в). турбины предвключенные

Б. В зависимости от давления пара, поступающего в турбину: низкого, среднего, высокого и сверхкритического.

Турбины конденсационные без отборов пара


В
этих турбинах всё количество подводимого свежего пэра, пройдя турбину и расширившись в ней до давления, меньшего, чем атмосферное (обычно 0,0035  0,005 МПа), направляется в конденсатор, где тепло отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется (рис.9).

Турбины конденсационные с нерегулируемыми отборами


Н


Рис.10
ерегулируемые отборы пара, называемые также регенеративными, предназначены для подогрева питательной воды, поступающей затем в парогенераторы. Количество регенеративных отборов зависит от начальных параметров пара в турбоустановке и составляет от 5 до 8 (рис.10). Свое название (нерегулируемые) они получили от того, что давление пара в них не остается постоянным, а изменяется самопроизвольно, в зависимости от расхода пара на турбоагрегат.

Турбины с регулируемыми отборами


Р


Рис.11
егулируемыми называются отборы, в которых давление отбираемого пара на всех режимах работы турбоагрегата автоматически поддерживается постоянным или же регулируется в заданных пределах с тем, чтобы потребитель получал пар определенного качества. Существует два вида тепловых потребителей: промышленные, где требуется пар с давлением до 1,3  1,5 МПа (производственный отбор) и отопительные, с потребным давлением 0,05  0,25 МПа (теплофикационный отбор) (Рис.11а). Если требуется пар как производственного, так и отопительного назначения, то в одной турбине могут быть осуществлены два регулируемых отбора: промышленный и теплофикационный (рис11б).

Турбины с регулируемыми и нерегулируемыми отборами


В таких турбинах предусмотрены как регенеративные, так и регулируемые. Отборы (рис.12, а). и б).). Как правило, из камеры регулируемого отбора часть пара направляется на подогрев питательной воды, а остальное количество (по потребности) - тепловым потребителям.



Турбины с промежуточным подводом пара (турбины двух давлений)

В этих турбинах в промежуточную ступень подводится пар, имеющий достаточный потенциал (давление), отработавший где-либо в технологических процессах, т.е., пар с производства, который по каким-то причинам не может быть рационально использован на самом производстве (рис.13).

Турбины мятого пара


Эти турбины применяются для использования пара низкого давления, отходящего с производства после технологических процессов, который по каким-либо причинам не может быть использован для отопительных или технологических нужд. Давление такого пара обычно несколько выше атмосферного, и он направляется в специальную конденсационную турбину, называемую турбиной мятого пара.

Турбины с ухудшенным вакуумом


Турбины с ухудшенным вакуумом имеют давление на выхлопе ниже атмосферного, но в 15  20 раз выше, чем обычные конденсационные, т.е., 0,05  0,09 МПа. Отработавший пар, соответственно, имеет значительную температуру - до 90 °С. Вместо конденсатора здесь ставится бойлер, через который прокачивается сетевая вода, используемая далее для отопительных, бытовых или агрономических целей.

Турбины с противодавлением


У этих турбин отсутствует конденсатор. Отработавший пар, имеющий давление выше атмосферного, поступает в специальный сборный коллектор, откуда направляется к тепловым потребителям, отопительным или производственным.

Давление на выхлопе (и в коллекторе) поддерживается в соответствии с требованиями объекта теплоснабжения, (рис.14).

Предвключенные турбины


Предвключенными называются турбины с противодавлением, отработавший пар которых направляется далее в обычные конденсационные турбины для глубокого расширения. В таком варианте предусматриваются два электрогенератора (рис.15), т.е., турбоагрегат является единым по паровому потоку, но с раздельной выработкой электроэнергии.

Подразделение турбин в зависимости от давления свежего пара


Это подразделение носит весьма условный характер и может быть представлен® следующим образом.




Начальное давление пара, МПа

Низкого давления

не выше 0,9

Среднего давления

не выше 4,0

высокого давления

9  14

Сверхкритического давления

24




Из истории создания паровых турбин

Идея использования энергии струи пара для совершения механической работы известна человечеству очень давно. Еще за 2100 лет до наших дней Героном Александрийским был изобретен прибор в виде полого шара, питаемого через полую ось паром, который выпускался из шара через трубки в тангенциальном направлении, приводя шар во вращение (рис.1б). Подобным прибором пользовались египетские жрецы. Прибор, названный Героном "эолпилом", был отдаленным прототипом реактивной турбины.

В 1629 г. итальянский математик и инженер Джовани Бранка предложил проект турбины в виде укрепленного на вертикальной оси диска с лопатками, вращаемого струей пара, которая подводилась тангенциально к диску. По принципу работы колесо Бранка является прототипом активных паровых турбин.

Колесо Бранка предназначалось для привода ткацких станков, однако вследствие малой производительности и очень низкой экономичности эта турбина не получила промышленного применения.

Попытки создать турбинный двигатель предпринимались во многих промышленно развитых странах.

Применение паровых турбин в качестве первичного двигателя являлось очень заманчивым, т.к. в турбинах сразу получалось равномерное вращательное движение ротора и не было необходимости в специальных преобразующих кривошипно-шатунных устройствах, усложнявших двигатель.

Так, за первые две трети XIX века было сделано свыше 200 предложений на постройку паровых турбин.

Такие работы имели место и в России. В частности, в 1806 - 1813 годах на Сузунском заводе на Алтае сооружал модели паровых активных турбин изобретатель Поликарп Залесов. 13 ноября 1806 г. Залесов в донесении на имя начальника Колывано-Воскресенских заводов предложил построить паровую машину, в которой "...будет деревянное колесо в подобие водяного наливного, и пар, пущенный из котла, будет действовать ударом на перья колеса."

В рапорте 3 апреля 1807 г. П.Залесов пишет: "Модель паровой машины кончена и приводится в надлежащее действие; я принимаюсь теперь рассматриванием обстоятельств, находящихся в устроении большой паровой машины". Модель, в которой "перья" (т.е., рабочие лопатки) были сделаны из железа, была направлена после её изготовления для испытания на Барнаульский завод.

Однако по ряду причин теоретического и технологического плана паровая турбина получила практическое применение лишь в самом конце XIX века. Последовательно в этот период развитие паровой турбины происходило следующим образом.

В 1878 г. шведский инженер Лаваль сконструировал сепаратор для молока, который должен был работать при 6000 - 7000 об/мин. В качестве двигателя к сепаратору он предложил реактивную паровую турбину в примитивной форме сегнерова колеса (рис.17), и в 1883 г. получил патент на турбину такого типа. Однако эта турбина имела крупный недостаток - огромный расход пара и, соответственно, низкую экономичность. В результате, Лаваль стал проводить работы и экспериментальные исследования в другом направлении, и в 1890 г. его заводом была выпущена паровая турбина совершенно другого типа: она была одноступенчатая, активная и при числе оборотов 30000 в минуту развивала мощность 5 л.с. (3,68 КВт). В комплекте с турбиной имелся зубчатый редуктор с понижением числа оборотов на выходном валу до 3000 об/мин. К 1900 г. турбины Лаваля строились уже мощностью до 300 - 500 л.с. при числе оборотов до 10000 в минуту.

Пар использовался насыщенный при давлении до 10 кгс/см2 с выпуском в конденсатор с глубоким вакуумом.

Промышленная реактивная турбина была построена английским инженером Чарльзом Парсонсом. В теоретической части Парсонс исходил из широко известных исследований Леонарда Эйлера и его струйной теории течения вещества. Парсонс успешно перенес струйную теорию, разработанную Эйлером применительно к водяным турбинам, на паровую турбину.

Первая турбина Парсонса была построена в 1884 году; она была осевого типа, многоступенчатая и при числе оборотов 17000 в минуту развивала мощность 6 л.с. Начальное давление пара составляло 7 кгс/см2. Турбина предназначалась для привода электрогенератора.

В рассматриваемый нами период начинается использование электроэнергии для целей освещения, а затем и для энергетических нужд промышленности. Появляются первые электростанции постоянного тока первоначально с приводом электрогенератора от паровой поршневой машины.

Однако паровая машина вскоре начинает заменяться турбиной как более простой, быстроходной, компактной и экономичной.

Таким образом, к концу XIX века паровая турбина вышла из стадии экспериментальных исследований, и началось её практическое использование для привода электрогенераторов. Дальнейшее развитие стационарных паровых турбин самым тесным образом связано с ростом выработки и использования электроэнергии для различных целей.

На европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов только с 1899 г. В этом году в немецком городе Эльберфельде на электростанции для привода генераторов впервые были применены две турбины Парсонса мощностью по 1000 кВт. Заказ на английские турбины при высоком уровне строительства паровых машин в Германии приковал пристальное внимание мировой технической общественности. Испытание турбин было поручено лучшим и авторитетнейшим немецким специалистам. Опубликованный ими в 1900 г. отчет установил неоспоримое преимущество паровой турбины перед другими типами двигателей, служившими для привода генераторов электрических станций. Эти события получили в истории название "эльберфельдской битвы", и именно после нее начинается широкое использование паровых турбин на электростанциях. Мнение технических и промышленных кругов резко изменилось в пользу паровых турбин, тем более, что энергетическое хозяйство в начале XX века уже требовало выработки энергии на крупных электростанциях, и те мощности, которые можно было получать от паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, не удовлетворяли потребителей.

Развитии паротурбостроения в России и Советском Союзе


В дореволюционной России строились как стационарные, так и судовые паровые турбины. Особенно большие успехи были достигнуты российскими конструкторами и технологами в 1910 - 1914 годах в проектировании и изготовлении корабельных паровых турбин. В этот период был построен ряд паротурбинных агрегатов единичной мощностью до 11000 16000 л.с. для крупных военных кораблей. По некоторым данным общая мощность построенных в России корабельных паровых турбин превысила 1000000 л.с.

Стационарное же турбостроение в дореволюционной России развивалось менее успешно. Первым строителем отечественных стационарных паровых турбин стал Металлический завод в Санкт-Петербурге (впоследствии Ленинградский металлический завод). Здесь в 1904 году была создана паротурбинная мастерская и в 1907 году здесь был изготовлен первый паротурбинный агрегат для привода электрогенератора мощностью 200 кВт.

Турбина была конденсационная с начальным давлением пара 10 кгс/см2 и температурой 250 °С.

Завод строил активные многоступенчатые турбины с единичной мощностью агрегата до 1250 кВт; основная же масса турбин имела мощность 100  335 кВт. До 1917 года было построено всего 26 турбоагрегатов суммарной мощностью около 9000 кВт.

В послереволюционные годы постройка паровых турбин получила в Советском Союзе большой размах, по следующим причинам:

1.паровая турбина - основной тип двигателя на тепловых электростанциях, строительство которых предусматривалось сначала планом ГОЭЛРО (20 электростанций), а затем Государственными пятилетними планами;

2.паровая турбина - основной тип двигателя для кораблей с силовыми установками большой мощности.

Металлический завод возобновил постройку турбин в 1923 году.

Отсутствие квалифицированных кадров, опыта в производстве турбин, имеющем много специфического, усложнило эту задачу. Год уходит на изготовление первой турбины мощностью в 2000 кВт, выпущенной в 1924 году. Турбина - конденсационная с начальным давлением пара 11 кгс/см2 и температурой 300 °С.

К 1926 г. завод выпустил ряд турбин мощностью до 3000 кВт при тех же параметрах пара. В 1926 г. ЛМЗ построил турбину в 10000 кВт и стал подготавливать производство турбин более крупных мощностью 24000 и 50000 кВт при давлении пара 26 кгс/см2 - и температуре 375 °С.

К октябрю 1928 г. ЛМЗ выпустил 81 турбину на разные мощности в общей сложности на 140000 кВт.

В 1931 г. ЛМЗ начал выпускать конденсационные двухцилиндровые турбины мощностью 50000 кВт, с параметрами пара 29 кгс/см2 и 400 С.

Турбостроение в СССР развивалось на базе широко развернутой научно-исследовательской работы, позволившее критически использовать зарубежный опыт и создать свои собственные оригинальные конструкции.

К 1933 г. выпуск турбин настолько возрос, что Советский Союз освободился от иностранной зависимости в этом отношении.

Наряду с развитием конденсационных турбин в стране особое внимание было обращено на турбины для комбинированной выработки электроэнергии и тепла: с промышленным и теплофикационным отборами, а также с противодавлением.

В 1937 г. на ЛМЗ была выпущена первая конденсационная двухцилиндровая одновальная турбина мощностью 100000 кВт при параметрах пара 29 кгс/см2 и 400 °С.

С 1938 г. такие же турбинн стал строить Харьковский турбинный завод.

Стационарные турбины меньших мощностей строились на других заводах: Кировском заводе в Ленинграде, Невском заводе им.Ленина, Уральском турбостроительном заводе, Брянском машиностроительном заводе, а затем и на Калужском турбинном заводе и на других.

Таким образом, до Великой Отечественной войны заводы нашей страны выпускали большое количество типов турбин от самых малых мощностей (0,5  5 кВт) до турбин средних мощностей (до 6000 кВт) и наиболее мощных - до 100000 кВт.

В годы Отечественной войны темп постройки новых турбин резко снизился. Основные турбостроительные заводы были полностью или частично эвакуированы на восток и переведены на производство военной продукции. Однако в военные годы была проделана большая конструкторская работа по подготовке послевоенного производства паровых турбин, стоящих на более высоком техническом уровне. Особое внимание было обращено на широкую унификацию элементов и узлов турбин. Унификация стала рассматриваться как один из основных принципов проектирования, который существенно удешевлял серийное производство турбин. Кроме того, в отечественном турбостроении стала широко применяться сварка, что также благоприятно сказывается на качестве турбинных деталей и на стоимости турбины.

Очередной задачей послевоенного турбостроения явилось проектирование и создание паровых турбин на высокие и сверхвысокие параметры пара и широкое внедрение их.

В 1946 г. на ЛМЗ была построена турбина мощностью 100000 кВт при начальных параметрах пара 90 кгс/см2 и 480 °С.

В 1952 г. была построена первая турбина мощностью 150000 кВт при параметрах пара 170 кгс/см2 и 550 °С.

Таким образом, примерно за три десятка лет в Советском Союзе была создана мощная промышленность, изготавливающая турбины стационарные и судовые в широком диапазоне мощностей и на различные параметры пара.

В последующие годы продолжалось прогрессивное развитие турбостроения. На ведущих турбостроительных заводах - Ленинградском и Харьковском - с 1958 г. был освоен выпуск паровых турбин мощностью 150000 и 200000 кВт при параметрах пара 130 кгс/см2 и 565 С.

С этими же параметрами начали производиться турбины для комбинированной выработки электроэнергии и тепла мощностью 50000, 80000 и 100000 кВт на Уральском заводе.

В период с 1960 по 1968 годы в Ленинграде и Харькове был освоен выпуск турбин мощностью 300000, 500000 и 800000 кВт, работающих со сверхкритическими параметрами пара: 240 кгс/см2 и 540 С.

В 1977 г. была построена и сдана в эксплуатацию самая крупная отечественная конденсационная паровая турбина мощностью 1200000 кВт со сверхкритическими параметрами пара.

В 1954 г. возникло новое направление в паротурбостроении - создание турбин для атомных электростанций.

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5000 кВт была введена в эксплуатацию 27 июня 1954 г. В течение 10 лет после этого производилась проверка и отработка всех вопросов, связанных с особенностями эксплуатации, надежности, экономичности, и осуществлялась подготовка к производству промышленных образцов турбин.

Начиная с 1964 г. был освоен выпуск турбин для АЭС мощностью 70000, 220000, 500000 и 1000000 кВт при давлении пара перед турбинами, соответственно, 29, 44 и 65 кгс/см2.

Краткое обозначение основных заводов, производящих турбины


ЛМЗ - Ленинградский металлический завод

ХТГЗ (ХТЗ) - Харьковский турбогенераторный завод

УТМЗ (УТЗ, ТМЗ) - Уральский турбомоторный завод

НЗЛ - Невский завод им.Ленина (в Ленинграде)

БМЗ - Брянский машиностроительный завод

КТЗ - Калужский турбинный завод

Стандартные обозначения паровых турбин

Стандартные обозначения, которые были приняты до введения ГОСТа 3618-58


Стандартные обозначения состоят из букв и цифр. Буквы соответствуют определенным начальным параметрам пара и типу турбины.

М - турбины мятого пара с начальным давлением до 1,5 кгс/см2.

Параметры пара




давление, кгс/см2

температура С

О -

15

350

А -

35

435

В -

90

535

ПВ -

130

565

СВ -

170

550

СК -

240

540

К - конденсационная турбина

П - конденсационная турбина с промышленным отбором

Т - то же, с теплофикационным отбором

ПТ - то же, с двумя регулируемыми отборами: промышленным и теплофикационным

Р - турбина с противодавлением

Первая цифра после букв соответствует мощности турбины в МВт, а вторая (для конденсационных турбин) номеру модели турбины; для турбин с противодавлением - давлению отработавшего пара.

Обозначения д паровых турбин по ГОСТу 3618-58 (новые)

На первом месте - буквы, обозначающие тип турбины: те же, что и при старых обозначениях: К, П, Т, ПТ и Р. Далее идет цифра - мощность в МВт.

Для турбин с промышленным или теплофикационным отбором эта цифра может быть двойной - через дробь. Меньшая цифра соответствует мощности при полностью открытом отборе, а большая - при закрытом отборе.

Следующая цифра соответствует давлению свежего пара перед турбиной в кгс/см2 или же в МПа.

Далее, для конденсационных турбин и турбин с теплофикационным отбором - через тире - номер модели, а для конденсационных турбин с промышленным отбором пара или же турбин с противодавлением - через дробь - давление в промышленном отборе или же противодавление.

Для сверхмощных турбин атомных электростанций последняя цифра (через дробь) обозначает число оборотов ротора в минуту - 3000 или 1500.

Примеры обозначений


Старые

Новые



Конденсационные турбины








МК - 2,5

К - 2,5 - 1,5




АК - 6 - 1

К - 6 - 35




ВК - 50 - 3

К - 50 - 90 - 3 (К - 50 - 8,8)




АЛ - 2,5 - 3

П - 2,5 - 35/5




АТ - 12 - 2

Т - 12 - 35 - 2




ПЖ - 160 СКК - 300

К - 1Ш - 1Ш - <; К - 300 - 240







ВТ - 25 - 5

Т - 25 - 90 - 5







АПТ - 12 -I

ПТ - 12 - 35/10







ВПТ - 50 - 2

ПТ - 50 - 90/13










К - 210 - 130 - 3










ПТ - 80/100 - 130/13










Т - 180/210 -130-1










К - 1000 - 65/1500






Турбины с противодавлением







ОР - 2,5 - 6

Р - 2.5 - 15/6







АР-2,5-6

Р - 2,5 - 35/6




Паротурбостроение за рубежом

Турбостроительные предприятия имеются во многих странах мира, но наиболее крупные - в США, Великобритании, Германии, Франции, Японии, Швейцарии. Здесь освоен выпуск паровых турбин различного назначения, в том числе и для тепловых электростанций, работающих как на органическом топливе, так и для атомных.

Турбины выпускаются от небольших мощностей - от нескольких МВт до сверхмощных - 1000 МВт и более. Наибольшие мощности турбин - для АЭС - 1000  1200  1500 МВт.

Пример - турбина французской фирмы "Альстом" для атомной электростанции Шуз мощностью 1500 МВт, работающая при 1500 об/мин.

Начальные параметры пара изменяются в зависимости от мощности турбоагрегата. У самых мощных, предназначенных для обычных тепловых электростанций, они не превышают 25,5 МПа и 566 °С.

Лишь единичные турбоагрегаты работают при более высоких параметрах.

Например, на японской тепловой электростанции Кавагое эксплуатируется турбоагрегат мощностью 700 МВт при начальном давлении пара 31 МПа и температуре 566°С.

Турбины АЭС, по условиям работы атомных реакторов, используют насыщенный пар при начальном давлении 6,5  7,1 МПа.

Практически существует единый мировой уровень паротурбостроения как по мощностям турбоагрегатов, так и по параметрам пара.

В последние десятилетия XX века новых образцов турбоагрегатов создано мало. Как правило, идет усовершенствование существующих.

Газотурбинные установки

Простейшая схема газотурбинной установки дана на рис.18.

В её состав входят: К – компрессор, КГ – камера горения, ГТ – газовая турбина, ТН – топливный насос, ПМ – пусковой мотор.

Компрессор забирает воздух из атмосферы. сжимает его до нужного давления и подаёт в камеру горения, куда от топливного насоса поступает топливо. Компрессор приводится в действие от газовой турбины, но мощность, им потребляемая, меньше мощности, развиваемой турбиной. В результате, одновременно с вращением компрессора, турбина дает полезную мощность на привод электрогенератора. Рабочим телом в данном случае служат продукты сгорания топлива. Отработавший газ из турбины выбрасывается в атмосферу. Пусковой мотор необходим для раскручивания системы роторов, в том числе - компрессора, с целью получения начального сжатия воздуха при пуске установки.

Газотурбинная установка, работающая по такой схеме, называется установкой открытого цикла.

Более сложная схема газотурбинной установки, работающей по замкнутому циклу, дана на рис.19.



В качестве рабочего тела здесь используется воздух или же какой-то другой газ, циркулирующий в замкнутом контуре и не смешивающийся с продуктами сгорания.

Камера горения здесь заменена газовым котлом ГК, представляющем из себя трубчатую конструкцию, подобную обычным водотрубным котлам, работающим на органическом топливе. На схеме В - подвод воздуха, ПС - отвод продуктов сгорания.

Кроме известных уже элементов в схему включен регенератор - Р и охладитель воздуха - 0.

Регенератор - теплообменный аппарат, служащий для подогрева рабочего газа, идущего в газовый котел, теплом, содержащимся в отработавшем газовом потоке, идущем из турбины.

Охладитель воздуха перед компрессором обеспечивает отвод тепла в окружающую среду в соответствии со вторым законом термодинамики.

В настоящее время практически все газотурбинные установки работают по схеме открытого цикла.

Основные достоинства и недостатки газотурбинных установок


К достоинствам газотурбинных установок можно отнести:

1. Газотурбинная установка проще по устройству, чем паросиловая из-за отсутствия котельной установки, сложной системы паропроводов, конденсатора, а также большого числа вспомогательных механизмов, применяющихся в паровых установках.

Металлозатраты и вес газотурбинной установки на единицу мощности вследствие указанных причин будут значительно меньше, чем паротурбинной.

2. Установка требует минимального расхода воды - практически только на охлаждение масла, идущего к подшипникам.

З. Для газотурбинных установок характерен быстрый ввод турбоагрегата в работу. Пуск мощных установок из холодного состояния до принятия нагрузки занимает порядка 15  18 минут, в то время как подготовка к пуску паросиловой установки занимает несколько часов, увеличиваясь с повышением начальных параметров пара.

Недостатки газотурбинных установок:

1. Для того, чтобы установка давала полезную мощность, начальная температура газа перед турбиной должна быть больше 550 °С, т.е., весьма высокой. Это вызывает определенные трудности при практическом выполнении газовых турбин, требуя как специальных весьма жаростойких материалов, так и специальных систем охлаждения наиболее высокотемпературных частей.

2. На привод компрессора расходуется до 50  70 % мощности, развиваемой турбиной. Поэтому полезная мощность газотурбинной установки гораздо меньше фактической мощности газовой турбины.

3. В газотурбинных установках исключено применение твердого топлива по обычной схеме. Наилучшие виды топлива для ГТУ - природный газ и качественное жидкое (керосин). Мазут же требует специальной подготовки для удаления шлакообразующих примесей.

4. Единичная мощность газотурбинной установки ограничена. На конец XX века она составляет 120  150 МВт. Это обусловлено большими габаритными размерами установки из-за невысокого начального давления газа перед турбиной - до 25 кгс/см2 и его гораздо меньшей работоспособности по сравнению с водяным паром.

5. Очень большая шумность при работе, значительно превышающая ту, что имеет место при эксплуатации паротурбинных установок.

Из истории создания газотурбинных установок


Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно. По имеющимся данным она была высказана и реализована еще Героном Александрийским, которым был построен прибор, где для целей вращения использовалась энергия восходящего горячего газового потока.

Позднее, в ХV веке, Леонардо да Винчи была высказана идея "дымового вертела" для обжарки туш животных. Принцип действия "дымового вертела" совершенно подобен принципу .действия ветряной мельницы. "Дымовой вертел" размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями (рис.20).

Подобное устройство было осуществлено в средние века. Первый патент на проект газотурбинной установки был выдан в 1791 году в Англии Джону Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения.

В XIX веке продолжались попытки многочисленных ученых и изобретателей различных стран создать газотурбинную установку, пригодную для практического использования. Однако эти попытки были обречены на неудачу вследствие низкого уровня науки и техники. Металлы, которые могли бы длительное время противостоять температурам порядка 500 С и выше еще не были получены. Свойства, газов и паров были изучены недостаточно. Состояние газодинамики не могло обеспечить создания хороших проточных частей турбины и .компрессора.

В России также предпринимались попытки создать газотурбинную установку, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П.Д.Кузьминским. Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру. Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа (рис.21).



Горение топлива (керосина) происходило при постоянном давлении порядка 10 кгс/см2. При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера горения быстро прогорала и выходила из строя. Создать длительно действующую установку не удалось.

В период 1900 - 1904 гг. в Германии инженером Штольце была построена и испытана газотурбинная установка, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в турбину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения. Испытания установки не дали положительных результатов. Вся мощность, развивавшаяся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора. Полезная мощность установки была равна нулю.

В 1905 - 1906 гг. французскими инженерами Арманго и Лемалем были построены две газотурбинные установки, работавшие на керосине.

Снижение температуры газов перед турбинами примерно до 560 °С достигалось впрыскиванием воды. Мощность газовой турбины первой установки равнялась 25 л.с., второй - 400 л.с. От второй установки впервые была получена полезная мощность. КПД установки был чрезвычайно низок и не превышал 3  4 %, хотя КПД собственно турбины достигал уже 70  75 %.

Над созданием газотурбинных установок работал также немецкий ученый доктор Хольцварт, который провел обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях. Начиная с 1908 г. по проектам Хольцварта было построено несколько газотурбинных установок. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за период до 1927 г. составил 14 %.

В общем же можно сказать, что те немногие, фактически работавшие газотурбинные установки, которые были построены за рассмотренный период времени, либо обладали низким КПД, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.

Реальное применение газовых турбин началось в 50-х годах XX века.

Первые практически эксплуатировавшиеся газовые турбины выполнялись утилизационными. Они работали на газах, отходивших от двигателей внутреннего сгорания, и приводили в действие воздуходувку, осуществлявшую наддув того же двигателя (увеличение воздушной зарядки цилиндров). Подобная система впервые была применена в авиации и позволила уменьшить падение мощности мотора с увеличением высоты полета.

Первая газотурбинная электростанция с турбоагрегатом мощностью 5000 кВт была введена в эксплуатацию в 1939 г. в Швейцарии. Установка была выполнена по простейшей схеме и работала при температуре газа перед турбиной порядка 560 °С.

Позднее, в 50-х годах, в Швейцарии же была построена и эксплуатировалась газотурбинная электростанция в местечке Бецнау с турбоагрегатами мощностью в 12 и 25 МВт при начальной температуре газа 650 °С.

Тепловая схема установок была усложнена, что обеспечило более высокий КПД.

С 50-х годов XX века начинается быстрое развитие газотурбостроения во всех странах, имевших развитую турбостроительную промышленность.

В стационарном применении газотурбинных установок наметились два основные направления:

использование на магистральных газопроводах и

для выработки электроэнергии на электростанциях.

На газопроводах газотурбинные агрегаты применяются для привода компрессоров, перекачивающих газ.

На отечественных заводах (НЗЛ, УТЗ, ЛМЗ) был освоен выпуск подобных турбонагнетателей первоначально мощностью 4 МВт, затем 5, 6, 10, 16, 25 МВт и более мощных.

Суммарная мощность газотурбинных установок, выпущенных для этих целей только заводами Советского Союза и России, превышает многие миллионы кВт.

Газотурбинные установки на электростанциях, как основной тип двигателя для привода электрогенераторов, используются главным образом в тех районах, где имеется природный газ, а так же, учитывая их возможности к быстрому пуску, для покрытия пиковых нагрузок, возникающих в энергосистемах в относительно кратковременные периоды наибольшего потребления энергии. На ЛМЗ, в частности, освоен выпуск турбоагрегатов мощностью 100 МВт.

Предпринимались попытки применения газотурбинных агрегатов в новых технологических процессах - с использованием в качестве топлива для ГТУ продуктов подземной газификации угля. С этой целью на ЛМЗ были изготовлены два турбоагрегата мощностью по 12 МВт, смонтированы на Шацкой электростанции (Рязанская область) и запущены в эксплуатацию.

Однако работы, проводившиеся в течение ряда лет, показали, что путь использования в газотурбинных агрегатах низкокалорийных продуктов подземной газификации в энергетике неперспективен с экономической точки зрения. Паротурбинные установки с обычной схемой использования топлива экономичнее и надежнее. Поэтому в 1961 г. работы по освоению сжигания продуктов перегонки твердого топлива в газотурбинных агрегатах были прекращены, а Шацкая электростанция остановлена.

Еще одно из направлений по применению газотурбинных установок для выработки электроэнергии - использование авиационных газотурбинных агрегатов. Эти агрегаты имеют высокое техническое совершенство, компактны, надежны, не требуют охлаждающей воды, быстро запускаются в работу (1-3 мин) и при минимальных работах по реконструкции могут быть использованы для привода электрогенераторов как для передвижных автоматизированных энергоустановок небольшой мощности (1000 - 3000 кВт), так и для более мощных, в том числе пиковых. Транспортабельные установки монтируются на трейлерах и могут быть доставлены практически в любой район для обслуживания строительных объектов и снятия пиковых нагрузок.

Стандартные обозначения газотурбинных установок, принятые в отечественной практике (как пример): ГТ-35-770-2, ГТ-50-800, ГТ-100-750-1, ГТ-45-950. Здесь первые цифры - мощность в МВт, вторые - температура газа перед турбиной, С и третья - номер модели.

В газотурбостроении промышленно развитых стран, так же, как и в паротурбостроении, практически существует единый мировой уровень по тенденциям развития, мощностям турбоагрегатов и их параметрам.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации