75 группа 2 вариант / ГТ и ПГУ / Книги / Общая энергетика. Часть 1

Контрольные вопросы

1.В чем различие понятий «паровой котел» и «котельная установка»?

2.Назовите тракты котельной установки.

3.Из каких поверхностей нагрева состоит паровой котел?

4.Что включают в себя понятия «воздушный» и «газовоздушный» тракты котла?

5.Назовите три основные схемы пароводяных трактов кот-

лов.

6.За счет чего создается движущая сила естественной циркуляции? Будет ли сохраняться циркуляция после прекращения горения топлива?

7.Чем отличается организация принудительной циркуляции от естественной?

8.За счет чего осуществляется движение среды в контурах барабанных котлов?

9.Какова область применения барабанных котлов с естественной циркуляцией?

10.Перечислите достоинства и недостатки прямоточного кот-

ла.

11.Какие параметры барабанных и прямоточных котлов определяются стандартом?

12.Какие технические требования предъявляются к паровому котлу?

13.В чем заключается подготовка к сжиганию твердого топ-

лива?

14.Назовите основные конструктивные элементы парового котла. Укажите особенности теплообмена в них.

15.Сравните схемы прямоточного и барабанного котлов. Перечислите их преимущества и недостатки, области использования по давлениям.

16. Приведите формулу для определения КПД парового котла по прямому балансу.

17.По каким причинам возникает потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива?

18.Приведите уравнение для определения КПД котла брутто методом обратного баланса.

101

Рис. 5.1. Устройство Герона Александрийского – прообраз современной паровой турбины

Раздел 5. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

5.1.История изобретения паровой турбины

Воснове действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен,

–реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Алексан-

дрийский изобрел оригинальное устройство (рис. 5.1). Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г- образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопл с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.

Герон использовал свое изобретение лишь в качестве игрушки.

К идее паровых турбин изобретатели вернулись в конце XIX века, когда паровые котлы позволили получать пар достаточно высокого давления.

Паровая поршневая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД. В паровой машине пар двигал не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип дви-

жение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономичную машину – паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо.

Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. Турбина Лаваля представляла собой легкое рабо-

102

Рис. 5.2. Схема простейшей паровой турбины Лаваля: 1 – сопло; 2 – рабочие лопатки; 3 – рабочее колесо

чее колесо 3, (рис. 5.2), на рабочие лопатки 2 которого через несколько поставленных под острым углом сопл 1 направляется пар. Принцип действия турбины был чрезвычайно прост.

Пар, разогретый до высокой температуры и давления, поступал из котла по трубе к соплам. В соплах скорость пара существенно возрастала в процессе расширения до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему расширение пара, получалось значительное увеличение скорости потока (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом, заключенная в паре энергия передавалась лопаткам рабочего колеса турбины. Расход, давление и тем-

пература пара определяли мощность турбины.

Турбина Лаваля существенно отличалась от «турбины» Герона. Если Герон использовал реактивный принцип действия (ротор вращается при ускорении потока пара в соплах), то Лаваль – активный принцип действия. В его турбине пар расширялся в неподвижных соплах, а в рабочих лопатках ротора давление пара оставалось неизменным, и преобразование кинетической энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины осуществлялось только за счет поворота потока пара в рабочих лопатках. На лопатку действовала со стороны движущегося криволинейного потока пара центробежная сила, которая была распределена по поверхности лопатки и оказывала на нее давление.

Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее паровых поршневых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась.

103

Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при соединении с высокоскоростными машинами: пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли и как привод электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и поэтому могла действовать только через понижающий редуктор. Именно высокие обороты ротора турбины Лаваля стали основной проблемой её применения в энергетике. Кроме того, используя только одну ступень турбины (один ряд сопл и один ряд рабочих лопаток), не удава-

лось получить достаточной мощности турбины.
				В 1884 году ан-
				глийский				инженер
				Чарльз			Парсонс по-
				лучил патент на мно-
				гоступенчатую						реак-
				тивную турбину, ко-
				торую			он	изобрел
				специально для при-
				ведения			в	действие
				электрогенератора.
				Турбина Ч. Пар-
				сонса		имела			следу-
				ющее		принципиаль-
				ное			устройство
				(рис. 5.3). На бара-
				банном роторе 6 бы-
				ли	закреплены					не-
Рис. 5.3. Схема реактивной турбины Парсон-				сколько			рядов		рабо-
са и графики изменения давления и скорости				чих	лопаток			3,		кото-
пара	в сопловых и	рабочих	лопатках:	рые	в		совокупности
1 –	патрубок подвода пара к		турбине;	образовывали						ряды
2 – сопловые лопатки; 3 – рабочая лопатка;				рабочих			решеток.
4 –	корпус турбины;	5 – вал	турбины,	Между этими рядами
6 – ротор
				находились					непо-

движные венцы с сопловыми лопатками 2, закрепленные в корпусе 4, которые также образовывали ряды сопловых решеток. Пар под большим давлением подводился к патрубку 1 турбины. Давление за турбиной было небольшое (меньше атмосферного, т.к. турбина имела конденсатор пара, в котором поддерживался вакуум).

104

Пар проходил сквозь турбину последовательно от ступени к ступени. Ступень турбины состояла из неподвижного ряда сопловых лопаток, установленных в корпусе турбины, и последующего подвижного ряда рабочих лопаток, установленных на ротор.

Здесь использовалась как активная, так и реактивная сила парового потока, так как расширение пара (его ускорение) происходило и в сопловой, и в рабочей решетках. Турбина отличалась меньшей скоростью вращения, так как каждая ступень срабатывала только часть общего теплового перепада турбины, как следствие, в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через все ступени.

5.2. Устройство и принцип действия паровой турбины

Паровые турбины можно классифицировать по двум критериям:

●по направлению движения пара по отношению к оси вращения ротора:

– радиальные турбины, в которых пар движется перпендикулярно к оси вращения ротора. Они просты по конструкции, но их трудно сделать многоступенчатыми. Радиальные турбины в энергетике не применяются;

– осевые турбины, в которых пар движется вдоль оси вращения ротора. Они легко изготавливаются многоступенчатыми

ишироко применяются в энергетике;

●по механизму передачи парового усилия ротору:

–активные турбины, в которых сопловые лопатки устанавливаются в диафрагмах, а рабочие лопатки закрепляются на дисках. Лопатки такой турбины испытывают усилия вследствие изменения направления движения потока пара, как в турбине Лаваля. Поскольку давление пара по ту и другую стороны каждой рабочей решетки одинаково (расширения пара не происходит), то на ротор практически не действуют осевые усилия, зато потери энергии в каналах рабочих лопаток больше, чем в сопловых;

–реактивные турбины, в которых сопловые лопатки крепятся непосредственно в корпусе турбины, а рабочие лопатки – на роторе барабанного типа. Лопатки такой турбины испытывают дополнительные усилия вследствие ускорения потока в суживающихся каналах рабочей решетки, как в турбине Парсон-

105

са. Давление пара на входе и выходе рабочих решеток неодинаково, поэтому на ротор действуют усилия в осевом направлении, которые необходимо компенсировать. Потери энергии в каналах рабочих решеток минимальны

(как в сопловых).

Современные паровые турбины, как правило, имеют конструкцию активного типа, но допускают небольшую (до 25 %) степень реактивности.

В турбине активного типа (рис. 5.4) пар расширяется в неподвижных каналах сопловой решетки 4, в результате чего давление пара снижается, а скорость его течения возрастает. Далее поток пара направляется на рабочие лопатки 3, закрепленные на диске 2, который вращается вместе с валом 1. Рабочие лопатки имеют такой профиль, что каналы, образованные ими,

Рис. 5.4. Устройство односту- сохраняют постоянное сечение пенчатой активной турбины: для прохода пара, давление не

1 – вал; 2	– диск; 3 – рабочие изменяется, а скорость уменьша-
лопатки; 4	– сопла; 5 – корпус;	ется, так как кинетическая энер-
6 – уплотнения вала		гия потока пара превращается в

механическую работу вращения ротора турбины.

Для обеспечения плотности корпуса, чтобы пар из турбины не вытекал через зазоры между валом и корпусом, применяют концевые лабиринтовые уплотнения 6.

Принцип действия реактивной турбины (рис. 5.5) тот же, что и активной, отличие в том, что в рабочих решетках, как и в сопловых, происходит расширение потока пара. При входе в турбину пар поступает на неподвижные сопловые решетки 4, где происходит преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потока пара. В рабочих решетках 3 осуществляется передача кинетической энергии потока пара ротору турбины с понижением давления пара и дополнительным преобразованием потенциальной энергии в кинетическую. В последующих ступенях турбины эти процессы повторяются.

106

Основной особенностью реактивной турбины является то, что из-за разницы давлений пара на входных и выходных кромках рабочих лопаток возникают осевые усилия на ротор. Для компенсации (разгрузки) осевых усилий турбина имеет разгрузочный поршень 1.

Рис. 5.5. Схематический разрез реактивной многоступенчатой турбины: 1 – разгрузочный поршень; 2 – ротор; 3 – рабочие решетки; 4 – сопловые решетки; 5 – перепускной патрубок; 6 – корпус

Пространство перед поршнем сообщается трубопроводом 5 с выходным патрубком турбины, в результате создается перепад давлений, действующий на поршень в сторону, обратную направлению движения потока пара. Диаметр поршня выбирают таким образом, чтобы при номинальном режиме работы турбины полностью компенсировать осевое усилие.

5.3. Преобразование энергии в ступени турбины

Основу рабочего процесса в турбинной ступени составляют истечение пара из сопловых каналов, образованных лопатками 1, и движение потока в каналах вращающейся рабочей решетки с лопатками 2 (рис. 5.6). Процесс изоэнтропийного расширения пара в ступени изображается на h, s - диаграмме (рис. 5.7) линией ОА, где начальная точка О находится на пересечении изобары р0 и изотермы t0 (давление и температура пара на входе в ступень), конечная точка А определяется пересечением вертикальной линии, проведенной из точки О, с изобарой р2 (давление пара за ступенью), которая определяет конец процесса

107

Рис. 5.6. Изменение скорости пара в сопловых и рабочих лопатках турбинной ступени: 1 – сопловой аппарат, 2 – рабочая решетка

Рис. 5.7. Процесс расширения пара в турбинной ступени в h, s - диаграмме

расширения пара в турбинной ступени. Отрезок ОА изображает располагаемый изоэнтропийный теплоперепад всей ступени Н0, т.е. то количество тепловой энергии, которую теоретически можно преобразовать в механическую энергию в этой ступени и передать ротору турбины.

В общем случае при истечении пара в ступени турбины его расширение происходит как в сопловых, так и в рабочих ре-

шетках. Величину Нос = h0 – h1t

называют располагаемым теп-

лоперепадом сопловой решетки,

a Hоp = h1 – h2t – располагаемым

теплоперепадом рабочей решетки, и, поэтому сумма этих

теплоперепадов H0 = Нос + Hop равна количеству тепловой

энергии, которую теоретически можно преобразовать в механическую работу на рабочих лопатках ступени. Степень расширения рабочего тела в отдельных решетках может быть различная. Отношение теплового перепада в рабочей решетке Hop к полному теплоперепаду

турбинной ступени Ho называют степенью реактивности турбинной ступени ρ. В реактивной турбинной ступени расширение

пара происходит и в сопловой, и в рабочей решетках приблизительно в равной степени, по-

этому ρ = 0,5.

ρ = Hop / ( Ho с + Hop ) = Hop / Ho ,					(5.1)

где Ho = H0 + C02 / 2 = (h0 – hА) + C02 / 2.

108

Если реактивность ступени ρ = 0, то в каналах рабочих решеток расширения пара не происходит и такую ступень называют чисто активной.

На электростанциях паровые турбины, как правило, имеют конструкцию активного типа с небольшой степенью реактивно-

сти ρ = 0 ÷ 0,25.

Теоретическая скорость истечения пара c1t, м/с, из сопл для идеального газа (без потерь и теплообмена)

с	2( h h	) C2	2		H	oc .		(5.2)
1t	о 1t	0

Реальный газ (пар) обладает вязкостью, поэтому часть энергии затрачивается на преодоление сил вязкого трения о стенки канала и действительная скорость истечения c1 на выходе из сопл становится меньше:

c1 = φc1t,

(5.3)

где φ – коэффициент скорости сопловой решетки, который показывает величину уменьшения скорости пара в сопловом канале за счет потерь (φ = c1 / c1t = 0,95...0,98).

Абсолютные потери энергии ∆Hc = h1 – h1t , кДж/кг, в сопловой

решетке определяют по формуле (5.4):
∆Hc = (c1t2 – c12)/2 = (1 – φ2) c1t2/2.	(5.4)

Эта энергия эквивалентно переходит в теплоту и повышает энтальпию потока рабочего тела от h1t до h1. Действительный процесс расширения в сопловой решетке изображается на h, s - диаграмме линией О – 1 (рис. 5.7).

Коэффициент потерь энергии в соплах ζ с (относительные потери) представляет собой отношение абсолютных потерь ∆Hc к располагаемому теплоперепаду сопловой решетки, подсчитан-

ному от параметров полного торможения потока Ho с= Нос+ с02 /2, где с0 – скорость потока пара на входе в сопловую решетку, а с02 /2 – кинетическая энергия потока:

ζ с = ∆Hc /

H

o с = 1 - φ2 .

(5.5)

Поток пара выходит из сопл с абсолютной скоростью с1 под углом α1 к линии выходных кромок сопловой решетки (рис. 5.6) и натекает на рабочие лопатки, которые двигаются с окружной скоростью u. Обычно угол α1 выбирают в интервале от 9 до

20...25°.

На рабочую решетку струя пара входит с относительной скоростью w1, равной разности векторов абсолютной скорости c1 и окружной скорости u, под углом β1. Скорость w1 и угол ее

109

направления β1 определяются из треугольника скоростей на выходе сопловой решетки.

В каналах рабочей решетки происходит дальнейшее расширение пара (при ρ > 0) и изменение направления потока.

Действительная относительная скорость потока рабочего тела на выходе из рабочей решетки определится из выражения

w	= ψ w = ψ	2 ( h h	) w 2	= ψ	2H	w2	, (5.6)
2	2t	1 2t	1		ор	1

где ψ – коэффициент скорости рабочей решетки, который показывает величину уменьшения скорости пара в рабочих каналах за счет потерь энергии и представляет собой отношение действительной относительной скорости w2 к теоретической w2t:

ψ = w2 / w 2t = 0,9...0,96,

где w2t = 2 Hоp w12 .

Абсолютные потери энергии в рабочей решетке ∆Hр = h2 – h2t, кДж/кг,

ΔHр = (w 2t2 – w 22) / 2 = (1 – ψ2) w 2t2 / 2.

(5.7)

Эти потери вызывают увеличение энтальпии пара за рабочей решеткой от h2t до h2. На h, s - диаграмме (рис. 5.7) действительный процесс расширения пара в рабочей решетке изображен линией 1 – 2. Коэффициент потерь энергии в рабочей решетке ζр (относительные потери) представляет собой отношение абсолютных потерь ∆Hр к располагаемому теплоперепаду рабочей решетки, подсчитанному от параметров полного торможения

потока: Hoр = Hор + w12 /2, где w1 – относительная скорость пото-

ка пара на входе в рабочую решетку, w12 /2 – кинетическая энергия потока:

ζ р = ΔHр /		o р = 1 – ψ2 .
	H		(5.8)

Рассмотрим усилия, создаваемые потоком пара, действующие на рабочие лопатки (рис. 5.8). За счет изменения направления движения потока в каналах решетки на рабочих лопатках создается активное усилие Rакт, а благодаря расширению пара в каналах решетки возникает реактивная сила Rреакт, ее величина и направление зависят от форм канала.

Результирующая сила R может быть разложена на две составляющие – проекции в окружном Ru и осевом Ra направлениях. Окружная составляющая силы Ru создает полезный вращающий момент ротора, а осевая составляющая Ra стремится сдвинуть ротор в осевом направлении.

110