Parní turbína -Steam turbine

Rotor moderní parní turbíny používané v elektrárně

Parní turbína je stroj , který získává tepelnou energii z tlakové páry a využívá ji k mechanické práci na rotujícím výstupním hřídeli. Jeho moderní podoba byla vynalezena Charlesem Parsonsem v roce 1884. Výroba moderní parní turbíny zahrnuje pokročilou kovovýrobu pro tvarování vysoce kvalitních ocelových slitin do přesných dílů pomocí technologií, které byly poprvé dostupné ve 20. století; pokračující pokroky v odolnosti a účinnosti parních turbín zůstávají ústředním bodem energetické ekonomiky 21. století.

Parní turbína je forma tepelného motoru , která těží ze svého zlepšení termodynamické účinnosti z použití více stupňů expanze páry, což vede k bližšímu přístupu k ideálnímu reverzibilnímu expanznímu procesu. Vzhledem k tomu, že turbína generuje rotační pohyb , je zvláště vhodná pro pohon elektrického generátoru — asi 85 % veškeré elektřiny vyrobené ve Spojených státech v roce 2014 bylo pomocí parních turbín. Parní turbína spojená s elektrickým generátorem se nazývá turbogenerátor .

Od roku 2021 patří mezi největší parní turbíny na světě parní turbíny Arabelle vyráběné společností GE na základě originálního návrhu společnosti Alstom . Turbína Arabelle má průměr 7 m, váží 4000 tun a točí se rychlostí 1500 otáček za minutu. V typickém jaderném zařízení je zapotřebí dalších 4000 tun nosné ocelové konstrukce a také 1000 tun čerpadel, ventilů a potrubí.

Technické problémy zahrnují nevyváženost rotoru , vibrace , opotřebení ložisek a nerovnoměrnou expanzi (různé formy tepelného šoku ). Ve velkých instalacích je i ta nejrobustnější turbína schopna se roztřást, když je provozována mimo seřízení.

Dějiny

Průmyslová parní turbína o výkonu 250 kW z roku 1910 (vpravo) přímo spojená s generátorem (vlevo)

První zařízení, které může být klasifikováno jako reakční parní turbína, bylo o něco víc než hračka, klasický Aeolipile , popsaný v 1. století hrdinou Alexandrie v římském Egyptě . V roce 1551 Taqi al-Din v osmanském Egyptě popsal parní turbínu s praktickou aplikací otáčení rožně . Parní turbíny popsali také Ital Giovanni Branca (1629) a John Wilkins v Anglii (1648). Zařízení popsaná Taqi al-Dinem a Wilkinsem jsou dnes známá jako parní zvedáky . V roce 1672 navrhl Ferdinand Verbiest vůz s impulsní turbínou . Modernější verze tohoto vozu byla vyrobena někdy na konci 18. století neznámým německým mechanikem. V roce 1775 v Soho James Watt navrhl reakční turbínu, která tam byla uvedena do provozu. V roce 1807 Polikarp Zálesov navrhl a zkonstruoval impulsní turbínu, která ji používala k provozu požárního čerpadla. V roce 1827 si Francouzi Real a Pichon patentovali a zkonstruovali složenou impulsní turbínu.

Moderní parní turbína byla vynalezena v roce 1884 Charlesem Parsonsem , jehož první model byl připojen k dynamu , které vyrábělo 7,5 kilowattů (10,1 hp) elektřiny. Vynález Parsonsovy parní turbíny umožnil levnou a vydatnou elektřinu a způsobil revoluci v námořní dopravě a námořním válčení. Parsonsův návrh byl reakční typ. Jeho patent byl licencován a turbína krátce poté zvýšena Američanem Georgem Westinghousem . Ukázalo se také, že Parsonsova turbína se dá snadno zvětšit. Parsons měl zadostiučinění, když viděl, že jeho vynález byl přijat pro všechny velké světové elektrárny, a velikost generátorů se zvýšila z jeho prvních 7,5 kilowattů (10,1 hp) na jednotky s kapacitou 50 000 kilowattů (67 000 hp). Během Parsonsova života byla výrobní kapacita jednotky navýšena asi 10 000krát a celkový výkon turbogenerátorů zkonstruovaných jeho firmou CA Parsons and Company a jejich držiteli licence, jen pro pozemní účely, přesáhl třicet milionů koňských sil. -Napájení.

Byly vyvinuty další varianty turbín, které efektivně pracují s párou. Turbína de Laval (vynalezená Gustafem de Lavalem ) urychlila páru na plnou rychlost, než ji rozběhla proti lopatkám turbíny. Impulzní turbína De Laval je jednodušší a levnější a nemusí být odolná vůči tlaku. Může pracovat s jakýmkoli tlakem páry, ale je podstatně méně účinný. Auguste Rateau vyvinul tlakově složenou impulsní turbínu využívající de Lavalův princip již v roce 1896, získal americký patent v roce 1903 a v roce 1904 aplikoval turbínu na francouzský torpédový člun. Učil na École des mines de Saint-Étienne . desetiletí až do roku 1897 a později založil úspěšnou společnost, která byla po jeho smrti začleněna do firmy Alstom . Jedním ze zakladatelů moderní teorie parních a plynových turbín byl Aurel Stodola , slovenský fyzik a inženýr a profesor na Švýcarském polytechnickém institutu (nyní ETH ) v Curychu. Jeho dílo Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (anglicky: The Steam Turbine and its prospective use as a Heat Engine) vyšlo v Berlíně v roce 1903. Další kniha Dampf und Gas-Turbinen (anglicky: Steam and Gas Turbines) vyšla v roce 1903. 1922.

Brown-Curtisova turbína , impulsní typ, který byl původně vyvinut a patentován americkou společností International Curtis Marine Turbine Company, byl vyvinut v roce 1900 ve spolupráci s John Brown & Company . Byl používán v obchodních lodích a válečných lodích s motorem Johna Browna, včetně parníků a válečných lodí Royal Navy.

Výrobní

Parní turbína bez horního krytu

Současný zpracovatelský průmysl pro parní turbíny vyrábí výrobci včetně:

Typy

Parní turbíny se vyrábí v různých velikostech, od malých jednotek <0,75 kW (<1 hp) (vzácné) používaných jako mechanické pohony pro čerpadla, kompresory a jiná zařízení poháněná hřídelí, až po turbíny o výkonu 1 500 MW (2 000 000 hp) používané k výrobě elektřiny. . Existuje několik klasifikací moderních parních turbín.

Návrh čepele a scény

Schematický diagram znázorňující rozdíl mezi impulsní a 50% reakční turbínou

Turbínové lopatky jsou dvou základních typů, lopatky a trysky . Lopatky se pohybují výhradně vlivem páry na ně a jejich profily se nesbíhají. To má za následek pokles rychlosti páry a v podstatě žádný pokles tlaku, když se pára pohybuje lopatkami. Turbína složená z lopatek střídajících se s pevnými tryskami se nazývá impulsní turbína .Curtisova turbína , Rateauova turbína nebo Brown-Curtisova turbína . Trysky vypadají podobně jako lopatky, ale jejich profily se sbíhají blízko výstupu. To má za následek pokles tlaku páry a zvýšení rychlosti, jak se pára pohybuje tryskami. Trysky se pohybují jak v důsledku dopadu páry na ně, tak v důsledku reakce v důsledku vysokorychlostní páry na výstupu. Turbína složená z pohyblivých trysek střídajících se s pevnými tryskami se nazývá reakční turbína nebo Parsonsova turbína .

S výjimkou aplikací s nízkým výkonem jsou lopatky turbíny uspořádány ve více stupních v sérii, nazývané skládání , což výrazně zlepšuje účinnost při nízkých rychlostech. Reakční stupeň je řada pevných trysek následovaná řadou pohyblivých trysek. Více reakčních stupňů rozděluje tlakovou ztrátu mezi vstupem a výfukem páry na četné malé kapky, což vede ke vzniku tlakově složené turbíny. Impulzní stupně mohou být buď tlakově složené, rychlostně složené nebo tlakově-rychlostní složené. Tlakově složený impulsní stupeň je řada pevných trysek, za nimiž následuje řada pohyblivých lopatek s více stupni pro míchání. Toto je také známé jako turbína Rateau, po svém vynálezci. Rychlostně složený impulsní stupeň (vynalezený Curtisem a také nazývaný "Curtisovo kolo") je řada pevných trysek následovaných dvěma nebo více řadami pohyblivých lopatek, které se střídají s řadami pevných lopatek. To rozdělí pokles rychlosti napříč scénou na několik menších kapek. Řada rychlostně složených impulsních stupňů se nazývá tlakově-rychlostně složená turbína.

Schéma námořní parní turbíny AEG kolem roku 1905

V roce 1905, kdy se parní turbíny začaly používat na rychlých lodích (jako HMS  Dreadnought ) a v pozemních energetických aplikacích, bylo rozhodnuto, že je žádoucí použít jedno nebo více Curtisových kol na začátku vícestupňového turbína (kde je tlak páry nejvyšší), následují reakční stupně. To bylo účinnější u vysokotlaké páry kvůli sníženým únikům mezi rotorem turbíny a skříní. To je znázorněno na výkresu německé námořní parní turbíny AEG z roku 1905. Pára z kotlů vstupuje zprava pod vysokým tlakem přes škrticí klapku , kterou ovládá ručně obsluha (v tomto případě námořník zvaný škrtič). Prochází pěti Curtisovými koly a četnými reakčními stupni (malé lopatky na okrajích dvou velkých rotorů uprostřed), než vystoupí pod nízkým tlakem, téměř jistě do kondenzátoru . Kondenzátor zajišťuje vakuum, které maximalizuje energii extrahovanou z páry a kondenzuje páru na napájecí vodu , která se vrací do kotlů. Vlevo je několik dodatečných reakčních stupňů (na dvou velkých rotorech), které otáčejí turbínu obráceně pro provoz vzadu, přičemž pára vstupuje do samostatné škrticí klapky. Vzhledem k tomu, že lodě jsou zřídka provozovány obráceně, účinnost není u turbín na zádi prioritou, takže se pro úsporu nákladů používá pouze několik stupňů.

Výzvy v designu čepele

Hlavním problémem, kterému čelila konstrukce turbíny, bylo snížení tečení lopatek. Kvůli vysokým teplotám a vysokému provoznímu namáhání se materiály parní turbíny těmito mechanismy poškozují. Jak se teploty zvyšují ve snaze zlepšit účinnost turbíny, tečení se stává významným. Pro omezení tečení se v konstrukcích čepelí používají tepelné povlaky a superslitiny se zpevněním tuhým roztokem a zpevněním hranic zrn .

Ke snížení tepelného poškození ak omezení oxidace se používají ochranné nátěry . Tyto povlaky jsou často stabilizované keramiky na bázi oxidu zirkoničitého . Použití tepelné ochranné vrstvy omezuje vystavení niklové superslitiny teplotě. To snižuje mechanismy tečení, ke kterým dochází u čepele. Oxidační povlaky omezují ztráty účinnosti způsobené usazováním na vnější straně lopatek, což je zvláště důležité v prostředí s vysokou teplotou.

Čepele na bázi niklu jsou legované hliníkem a titanem pro zlepšení pevnosti a odolnosti proti tečení. Mikrostruktura těchto slitin se skládá z různých oblastí složení. Rovnoměrná disperze primární gama fáze – kombinace niklu, hliníku a titanu – podporuje pevnost čepele a odolnost proti tečení díky mikrostruktuře.

Pro zlepšení pevnosti při tečení lze do slitiny přidat žáruvzdorné prvky, jako je rhenium a ruthenium . Přidání těchto prvků snižuje difúzi primární fáze gama, čímž se zachovává odolnost proti únavě , pevnost a odolnost proti tečení.

Podmínky přívodu a odvodu páry

Nízkotlaká parní turbína v jaderné elektrárně. Tyto turbíny odvádějí páru při tlaku nižším než je atmosférický.

Typy turbín zahrnují kondenzační, nekondenzační, přihřívací, extrakční a indukční.

Kondenzační turbíny

Kondenzační turbíny se nejčastěji vyskytují v elektrárnách. Tyto turbíny přijímají páru z kotle a odvádějí ji do kondenzátoru . Odsávaná pára má tlak hluboko pod atmosférickým tlakem a je v částečně kondenzovaném stavu, typicky o kvalitě blízké 90 %.

Nekondenzační turbíny

Nekondenzační turbíny jsou nejrozšířenější pro aplikace procesní páry, ve kterých bude pára po vyčerpání z turbíny využívána pro další účely. Výstupní tlak je řízen regulačním ventilem tak, aby vyhovoval potřebám procesního tlaku páry. Ty se běžně vyskytují v rafineriích, jednotkách dálkového vytápění, celulózkách a papírnách a odsolovacích zařízeních, kde je potřeba velké množství nízkotlaké procesní páry.

Ohřívejte turbíny

Dohřívací turbíny se také používají téměř výhradně v elektrárnách. V dohřívací turbíně proud páry vystupuje z vysokotlaké části turbíny a vrací se do kotle, kde se přidává další přehřátí. Pára se poté vrací zpět do středotlaké sekce turbíny a pokračuje ve své expanzi. Použití opětovného ohřevu v cyklu zvyšuje pracovní výkon z turbíny a také expanze dosáhne konce před kondenzací páry, čímž se minimalizuje eroze lopatek v posledních řadách. Ve většině případů je maximální počet opětovných ohřevů použitých v cyklu 2, protože náklady na přehřátí páry negují zvýšení pracovního výkonu z turbíny.

Těžební turbíny

Turbíny odsávacího typu jsou běžné ve všech aplikacích. V turbíně odsávacího typu se pára uvolňuje z různých stupňů turbíny a používá se pro potřeby průmyslového procesu nebo se posílá do ohřívačů napájecí vody kotlů , aby se zlepšila celková účinnost cyklu. Extrakční průtoky mohou být řízeny ventilem nebo ponechány neregulované. Odebíraná pára má za následek ztrátu výkonu v následujících stupních turbíny.

Indukční turbíny přivádějí nízkotlakou páru v mezistupni k výrobě dodatečné energie.

Uspořádání skříně nebo hřídele

Tato uspořádání zahrnují jednoplášťové, tandemové sdružené a křížově složené turbíny. Jednotky s jedním pouzdrem jsou nejzákladnějším typem, kde jsou ke generátoru připojeny jediné pouzdro a hřídel. Tandemová směs se používá tam, kde jsou dvě nebo více skříní přímo spojeny k pohonu jednoho generátoru. Uspořádání křížové složené turbíny se vyznačuje dvěma nebo více hřídeli, které nejsou v řadě, pohánějící dva nebo více generátorů, které často pracují při různých rychlostech. Křížová složená turbína se obvykle používá pro mnoho velkých aplikací. Typická námořní instalace z 30. a 60. let 20. století je znázorněna níže; to ukazuje vysokotlaké a nízkotlaké turbíny poháněné společným redukčním převodem s převodovou cestovní turbínou na jedné vysokotlaké turbíně.

Uspořádání strojů s parní turbínou na pravoboku japonských křižníků třídy Furutaka - a Aoba

Dvouproudové rotory

Dvouproudový rotor turbíny. Pára vstupuje do středu hřídele a vystupuje na každém konci, čímž vyrovnává axiální sílu.

Pohybující se pára uděluje jak tangenciální, tak axiální tah na hřídel turbíny, ale axiální tah v jednoduché turbíně je neomezený. Aby byla zachována správná poloha rotoru a vyvážení, musí být tato síla vystavena působení síly opačné. Pro hřídelová ložiska lze použít axiální ložiska, rotor může používat makety pístů, může být dvouproudový - pára vstupuje uprostřed hřídele a vystupuje na obou koncích, nebo kombinace obou. V rotoru s dvojitým prouděním jsou lopatky v každé polovině obráceny opačným směrem, takže axiální síly se navzájem negují, ale tangenciální síly působí společně. Tato konstrukce rotoru se také nazývá dvouproudový , dvouosý průtok nebo dvojitý výfuk . Toto uspořádání je běžné u nízkotlakých skříní sdružených turbín.

Princip činnosti a konstrukce

Ideální parní turbína je považována za isentropický proces nebo proces konstantní entropie, ve kterém je entropie páry vstupující do turbíny rovna entropii páry opouštějící turbínu. Žádná parní turbína není skutečně izoentropická, avšak s typickými izoentropickými účinnostmi v rozmezí od 20 do 90 % podle použití turbíny. Vnitřek turbíny obsahuje několik sad lopatek nebo kbelíků . Jedna sada stacionárních nožů je připojena k plášti a jedna sada rotačních nožů je připojena k hřídeli. Soupravy se prolínají s určitými minimálními vůlemi, přičemž velikost a konfigurace sad se mění, aby se efektivně využilo expanze páry v každé fázi.

Praktická tepelná účinnost parní turbíny se liší podle velikosti turbíny, stavu zatížení, mezerových ztrát a ztrát třením. Dosahují špičkových hodnot až kolem 50 % v turbíně o výkonu 1 200 MW (1 600 000 hp); menší mají nižší účinnost. Aby se maximalizovala účinnost turbíny, pára se expanduje a vykonává práci v několika fázích. Tyto stupně jsou charakterizovány tím, jak se z nich získává energie a jsou známé jako impulsní nebo reakční turbíny. Většina parních turbín používá směs reakčních a impulsních konstrukcí: každý stupeň se chová buď jako jeden, nebo jako druhý, ale celá turbína využívá obojí. Obvykle jsou nižší tlakové sekce reakčního typu a vyšší tlakové stupně jsou impulsního typu.

Impulsní turbíny

Výběr lopatek impulsních turbín

Impulzní turbína má pevné trysky, které orientují proud páry do vysokorychlostních trysek. Tyto proudy obsahují významnou kinetickou energii, která je přeměněna na rotaci hřídele lopatkami rotoru ve tvaru kbelíku, když proud páry mění směr. K poklesu tlaku dochází pouze přes stacionární lopatky s čistým zvýšením rychlosti páry napříč stupněm. Jak pára proudí tryskou, její tlak klesá ze vstupního tlaku na výstupní tlak (atmosférický tlak nebo obvykleji vakuum kondenzátoru). Díky tomuto vysokému poměru expanze páry opouští pára trysku velmi vysokou rychlostí. Pára opouštějící pohyblivé lopatky má velkou část maximální rychlosti páry při výstupu z trysky. Ztráta energie v důsledku této vyšší výstupní rychlosti se běžně nazývá přenosová rychlost nebo výstupní ztráta.

Zákon momentu hybnosti říká, že součet momentů vnějších sil působících na kapalinu, která dočasně zabírá řídicí objem , se rovná čisté časové změně toku momentu hybnosti řídicím objemem.

Vířící tekutina vstupuje do řídicího objemu v poloměru s tangenciální rychlostí a opouští v poloměru s tangenciální rychlostí .

Rychlostní trojúhelníky na vstupu a výstupu na lopatkách turbostroje.
Rychlostní trojúhelník

Rychlostní trojúhelník připravuje cestu pro lepší pochopení vztahu mezi různými rychlostmi. Na sousedním obrázku máme:

a jsou absolutní rychlosti na vstupu a výstupu.
a jsou to rychlosti proudění na vstupu a výstupu.
a jsou rychlosti víření na vstupu a výstupu v pohyblivé referenci.
a jsou relativní rychlosti na vstupu a výstupu.
a jsou to rychlosti lopatky na vstupu a výstupu.
je úhel vodicí lopatky a je úhel lopatky.

Pak podle zákona momentu hybnosti je točivý moment na kapalině dán vztahem:

Pro impulsní parní turbínu: . Proto je tangenciální síla na lopatky . Práce vykonaná za jednotku času nebo vyvinutého výkonu: .

Když ω je úhlová rychlost turbíny, pak rychlost lopatky je . Vyvinutá síla je pak .

Účinnost čepele

Účinnost lopatek ( ) lze definovat jako poměr práce vykonané na lopatkách ke kinetické energii dodávané kapalině a je dána vztahem

Efektivita jeviště

Konvergentně-divergentní tryska
Graf znázorňující účinnost impulsní turbíny

Stupeň impulsní turbíny se skládá ze soustrojí trysek a pohyblivého kola. Účinnost stupně definuje vztah mezi poklesem entalpie v trysce a prací vykonanou ve stupni.

Kde je měrná entalpická kapka páry v trysce.

Podle prvního zákona termodynamiky :

Za předpokladu, že je to znatelně méně než , dostaneme . Dále je účinnost stupně součinem účinnosti lopatky a účinnosti trysky, nebo .

Účinnost trysky je dána vztahem , kde entalpie (v J/kg) páry na vstupu do trysky je a entalpie páry na výstupu z trysky je .

Poměr kosinusů úhlů lopatky na výstupu a vstupu lze vzít a označit . Poměr rychlostí páry k rychlosti rotoru na výstupu a vstupu lopatky je definován koeficientem tření .

a znázorňuje ztrátu relativní rychlosti v důsledku tření, když pára proudí kolem lopatek ( pro hladké lopatky).

Poměr rychlosti lopatky k absolutní rychlosti páry na vstupu se nazývá poměr rychlosti lopatky .

je maximální, když nebo, . To znamená a proto . Nyní (pro jednostupňovou impulsní turbínu).

Proto maximální hodnotu účinnosti stupně získáme vložením hodnoty do do výrazu .

Dostáváme: .

Pro rovnoúhlé lopatky tedy , a dostaneme . Pokud se zanedbá tření způsobené povrchem lopatky, pak .

Závěry o maximální účinnosti

  1. Pro danou rychlost páry by práce vykonaná na kg páry byla maximální, když nebo .
  2. S přibývajícím množstvím se práce na lopatkách zmenšuje, ale zároveň se zmenšuje plocha lopatky, tudíž dochází k menším ztrátám třením.

Reakční turbíny

V reakční turbíně jsou samotné listy rotoru uspořádány tak, aby tvořily konvergentní trysky . Tento typ turbíny využívá reakční sílu vytvářenou při urychlování páry tryskami tvořenými rotorem. Pára je směrována na rotor pevnými lopatkami statoru . Ze statoru odchází jako proud, který vyplňuje celý obvod rotoru. Pára pak mění směr a zvyšuje svou rychlost vzhledem k rychlosti lopatek. K poklesu tlaku dochází jak na statoru, tak na rotoru, přičemž pára zrychluje statorem a zpomaluje rotorem, přičemž nedochází k žádné čisté změně rychlosti páry napříč stupněm, ale ke snížení tlaku i teploty, což odráží práci vykonanou v pohon rotoru.

Účinnost čepele

Vstup energie do lopatek ve fázi:

se rovná kinetické energii dodávané pevným lopatkám (f) + kinetické energii dodávané pohyblivým lopatkám (m).

Nebo, = pokles entalpie přes pevné lopatky, + pokles entalpie přes pohyblivé lopatky, .

Účinkem expanze páry přes pohybující se lopatky je zvýšení relativní rychlosti na výstupu. Proto je relativní rychlost na výstupu vždy větší než relativní rychlost na vstupu .

Pokud jde o rychlosti, pokles entalpie na pohybujících se lopatkách je dán:

(přispívá ke změně statického tlaku)

Diagram rychlosti

Pokles entalpie u pevných lopatek za předpokladu, že rychlost páry vstupující do pevných lopatek je rovna rychlosti páry opouštějící dříve se pohybující lopatky, je dán vztahem:

kde V 0 je vstupní rychlost páry do trysky

je velmi malý, a proto jej lze zanedbat. Proto,

Velmi široce používaný design má poloviční stupeň reakce nebo 50% reakce a toto je známé jako Parsonova turbína . Ten se skládá ze symetrických lopatek rotoru a statoru. Pro tuto turbínu je rychlostní trojúhelník podobný a máme:

,
,

Za předpokladu Parsonovy turbíny a získání všech výrazů, které dostaneme

Z trojúhelníku vstupní rychlosti máme

Provedená práce (pro jednotkový hmotnostní průtok za sekundu):

Proto je účinnost lopatky dána

Podmínka maximální účinnosti čepele

Porovnání účinnosti impulsních a reakčních turbín

Pokud , pak

Pro maximální efektivitu dostáváme

a to konečně dává

Proto se zjistí uvedením hodnoty ve vyjádření účinnosti lopatky

Provoz a údržba

Moderní instalace generátoru parní turbíny

Vzhledem k vysokým tlakům používaných v parních okruzích a použitým materiálům mají parní turbíny a jejich skříně vysokou tepelnou setrvačnost . Při zahřívání parní turbíny pro použití mají hlavní uzavírací ventily páry (za kotlem) obtokové potrubí, které umožňuje přehřáté páře pomalu obtékat ventil a pokračovat v zahřívání potrubí v systému spolu s parní turbínou. Také je zařazen otočný převod , když není k dispozici žádná pára, aby se turbína pomalu otáčela, aby se zajistilo rovnoměrné zahřívání, aby se zabránilo nerovnoměrnému rozpínání . Po prvním otočení turbíny otočným ozubeným kolem, což rotoru poskytne čas, aby zaujal přímou rovinu (žádné prohnutí), pak se otočné ozubené kolo odpojí a pára je vpuštěna do turbíny, nejprve k zadním lopatkám a poté pomalu k předním lopatkám. otáčení turbíny rychlostí 10–15 otáček za minutu (0,17–0,25 Hz), aby se turbína pomalu zahřívala. Proces zahřívání velkých parních turbín může přesáhnout deset hodin.

Během normálního provozu může nevyváženost rotoru vést k vibracím, které by v důsledku vysokých rychlostí otáčení mohly vést k odtržení listu od rotoru a skrz plášť. Pro snížení tohoto rizika je vynaloženo značné úsilí na vyvážení turbíny. Turbíny jsou rovněž provozovány s vysoce kvalitní párou: buď přehřátou (suchou) párou , nebo sytou párou s vysokým podílem sušiny. Tím se zabrání rychlému nárazu a erozi lopatek, ke kterému dochází při stříkání kondenzované vody na lopatky (přenášení vlhkosti). Také kapalná voda vstupující do lopatek může poškodit axiální ložiska hřídele turbíny. Aby se tomu zabránilo, jsou spolu s ovládacími prvky a přepážkami v kotlích pro zajištění vysoce kvalitní páry instalovány odvody kondenzátu do parního potrubí vedoucího k turbíně.

Požadavky na údržbu moderních parních turbín jsou jednoduché a vyžadují nízké náklady (obvykle kolem 0,005 USD za kWh); jejich provozní životnost často přesahuje 50 let.

Regulace rychlosti

Schéma systému generátoru parní turbíny

Řízení turbíny pomocí regulátoru je zásadní, protože turbíny je třeba rozjíždět pomalu, aby nedošlo k poškození, a některé aplikace (např. výroba elektřiny na střídavý proud) vyžadují přesné řízení otáček. Nekontrolované zrychlení rotoru turbíny může vést k překročení otáček, což způsobí uzavření regulátoru a škrticích ventilů, které řídí tok páry k turbíně. Pokud tyto ventily selžou, může turbína pokračovat ve zrychlování, dokud se nerozpadne, což je často katastrofa. Turbíny jsou drahé na výrobu, vyžadují precizní výrobu a speciální kvalitní materiály.

Při běžném provozu v synchronizaci s elektrickou sítí jsou elektrárny řízeny pětiprocentním poklesem rychlosti . To znamená, že rychlost plného zatížení je 100 % a rychlost bez zatížení 105 %. To je nutné pro stabilní provoz sítě bez lovu a výpadků elektráren. Normálně jsou změny rychlosti malé. Úpravy výkonu se provádějí pomalým zvyšováním křivky poklesu zvýšením tlaku pružiny na odstředivém regulátoru . Obecně se jedná o základní systémový požadavek pro všechny elektrárny, protože starší a novější elektrárny musí být kompatibilní v reakci na okamžité změny frekvence bez závislosti na vnější komunikaci.

Termodynamika parních turbín

Ts diagram přehřátého Rankinova cyklu

Parní turbína pracuje na základních principech termodynamiky s využitím části 3-4 Rankinova cyklu znázorněného na přiloženém schématu. Přehřátá pára (nebo suchá sytá pára, v závislosti na aplikaci) opouští kotel při vysoké teplotě a vysokém tlaku. Pára na vstupu do turbíny získává kinetickou energii průchodem tryskou (pevná tryska u turbíny impulsního typu nebo pevné lopatky u turbíny reakčního typu). Když pára opouští trysku, pohybuje se vysokou rychlostí směrem k lopatkám rotoru turbíny. Na lopatky je vytvářena síla v důsledku tlaku páry na lopatky, která způsobuje jejich pohyb. Generátor nebo jiné takové zařízení lze umístit na hřídel a energii, která byla v páře, lze nyní skladovat a využívat. Pára opouští turbínu jako nasycená pára (nebo směs kapalina-pára v závislosti na aplikaci) při nižší teplotě a tlaku, než jakým vstoupila, a je posílána do kondenzátoru, kde se ochladí. První zákon nám umožňuje najít vzorec pro rychlost, jakou se vyvíjí práce na jednotku hmotnosti. Za předpokladu, že nedochází k přenosu tepla do okolního prostředí a že změny kinetické a potenciální energie jsou zanedbatelné ve srovnání se změnou měrné entalpie , dojdeme k následující rovnici

kde

  • je rychlost, jakou se práce vyvíjí za jednotku času
  • je rychlost průtoku hmoty turbínou

Izentropická účinnost

Abychom změřili, jak dobře turbína funguje, můžeme se podívat na její izoentropickou účinnost. To porovnává skutečný výkon turbíny s výkonem, kterého by dosáhla ideální, izoentropická, turbína. Při výpočtu této účinnosti se předpokládá, že tepelné ztráty do okolí jsou nulové. Počáteční tlak a teplota páry jsou stejné pro skutečnou i ideální turbínu, ale na výstupu z turbíny je energetický obsah páry („specifická entalpie“) u skutečné turbíny větší než u ideální turbíny z důvodu nevratnosti ve skutečné turbíně. . Měrná entalpie se vyhodnocuje při stejném tlaku páry pro aktuální a ideální turbínu, aby bylo možné mezi nimi dobře porovnat.

Izentropická účinnost se zjistí vydělením skutečné práce prací ideální.

kde

  • h 3 je specifická entalpie ve stavu tři
  • h 4 je specifická entalpie ve stavu 4 pro skutečnou turbínu
  • h 4s je specifická entalpie ve stavu 4s pro isentropickou turbínu

(ale všimněte si, že sousední diagram neukazuje stav 4s: je svisle pod stavem 3)

Přímý pohon

Parní turbína s přímým pohonem 5 MW

Elektrické elektrárny využívají k výrobě většiny (asi 80 %) světové elektřiny velké parní turbíny pohánějící elektrické generátory . Příchod velkých parních turbín způsobil, že výroba elektřiny na centrální stanici je praktická, protože pístové parní stroje velkého výkonu se staly velmi objemnými a pracovaly při nízkých rychlostech. Většina centrálních stanic jsou elektrárny na fosilní paliva a jaderné elektrárny ; některá zařízení využívají geotermální páru nebo koncentrovanou solární energii (CSP) k vytvoření páry. Parní turbíny lze také přímo použít k pohonu velkých odstředivých čerpadel , jako jsou čerpadla napájecí vody v tepelné elektrárně .

Turbíny používané pro výrobu elektrické energie jsou nejčastěji přímo spojeny s jejich generátory. Protože se generátory musí otáčet konstantními synchronními otáčkami podle frekvence elektrického systému, nejběžnější otáčky jsou 3 000 ot./min pro systémy 50 Hz a 3 600 ot./min pro systémy 60 Hz. Vzhledem k tomu, že jaderné reaktory mají nižší teplotní limity než elektrárny spalující fosilní paliva, s nižší kvalitou páry , mohou být turbínové generátory uspořádány tak, aby pracovaly poloviční rychlostí, ale se čtyřpólovými generátory, aby se snížila eroze lopatek turbíny.

Námořní pohon

Turbinia , 1894, první loď poháněná parní turbínou
Vysokotlaké a nízkotlaké turbíny pro SS  Maui
Parsonsova turbína z polského torpédoborce Wicher z roku 1928

V parních lodích jsou výhody parních turbín oproti pístovým motorům menší velikosti, nižší údržba, nižší hmotnost a nižší vibrace. Parní turbína je účinná pouze při provozu v tisících otáčkách za minutu, zatímco nejúčinnější konstrukce vrtule jsou pro rychlosti nižší než 300 otáček za minutu; následně jsou obvykle vyžadovány přesné (tak drahé) redukční převody, i když četné rané lodě během první světové války , jako Turbinia , měly přímý pohon z parních turbín na hřídele vrtule. Další alternativa je turbo-elektrická převodovka , ve kterém elektrický generátor provozovaný vysokorychlostní turbínou je používán provozovat jeden nebo více pomalu-rychlostní elektrické motory spojené s hřídelemi vrtule; přesné řezání ozubených kol může být během války překážkou ve výrobě. Turboelektrický pohon byl nejvíce používán ve velkých amerických válečných lodích navržených během 1. světové války a v některých rychlých parníků a byl používán v některých transportech vojsk a doprovodu torpédoborců ve 2. světové válce .

Vyšší náklady na turbíny a související ozubená kola nebo soustrojí generátoru/motoru jsou kompenzovány nižšími nároky na údržbu a menší velikostí turbíny ve srovnání s pístovým motorem stejného výkonu, ačkoli náklady na palivo jsou vyšší než u dieselového motoru, protože parní turbíny mají nižší tepelnou účinnost. Pro snížení nákladů na palivo se v průběhu let zlepšila tepelná účinnost obou typů motorů.

Raný vývoj

Vývoji lodního pohonu parní turbínou v letech 1894 až 1935 dominovala potřeba sladit vysokou účinnou rychlost turbíny s nízkou účinnou rychlostí (méně než 300 ot./min.) lodního šroubu při celkových nákladech konkurujících pístovým motorům . V roce 1894 nebyly pro vysoké výkony vyžadované loděmi k dispozici účinné redukční převody , takže byl nutný přímý pohon . V Turbinii , která má přímý pohon na každý hřídel vrtule, byla efektivní rychlost turbíny po počátečních zkouškách snížena nasměrováním toku páry přes všechny tři turbíny s přímým pohonem (jedna na každém hřídeli) v sérii, což pravděpodobně dohromady tvořilo asi 200 turbínových stupňů v provozu. v sériích. Na každé hřídeli byly také tři vrtule pro provoz při vysokých rychlostech. Vysoké otáčky hřídele této éry jsou reprezentovány jedním z prvních amerických torpédoborců s turbínovým pohonem , USS  Smith , vypuštěným v roce 1909, který měl turbíny s přímým pohonem a jehož tři hřídele se otáčely rychlostí 724 ot./min při 28,35 uzlu (52,50 km/h; 32,62 mph).

Použití turbín v několika pláštích, které navzájem odsávají páru v sérii, se stalo standardem ve většině následujících aplikací lodního pohonu a je formou křížového slučování . První turbína se nazývala vysokotlaká (HP) turbína, poslední turbína byla nízkotlaká (LP) turbína a jakákoli turbína mezi tím byla střednětlaká (IP) turbína. Mnohem pozdější uspořádání než Turbinia lze vidět na RMS  Queen Mary v Long Beach, Kalifornie , zahájeném v roce 1934, ve kterém je každý hřídel poháněn čtyřmi turbínami v sérii připojenými ke koncům dvou vstupních hřídelí převodovky s jednou redukcí. Jsou to HP, 1. IP, 2. IP a LP turbíny.

Cestovní stroje a ozubení

Hledání hospodárnosti bylo ještě důležitější, když byly zvažovány cestovní rychlosti. Cestovní rychlost je zhruba 50 % maximální rychlosti válečné lodi a 20-25 % její maximální úrovně výkonu. To by byla rychlost používaná na dlouhých plavbách, kdy je požadována úspora paliva. Ačkoli to snížilo rychlosti vrtule na efektivní rozsah, účinnost turbíny byla značně snížena a první turbínové lodě měly špatné cestovní dosahy. Řešením, které se ukázalo jako užitečné během většiny éry pohonu parních turbín, byla cestovní turbína. Toto byla zvláštní turbína přidat ještě více stupňů, nejprve připojený přímo k jednomu nebo více šachtám, vyčerpání k stádiu částečně podél HP turbíny, a ne použitý u vysokých rychlostí. Když se kolem roku 1911 staly dostupné redukční převody, některé lodě, zejména bitevní loď USS  Nevada , je měly na cestovní turbíny, zatímco si ponechaly hlavní turbíny s přímým pohonem. Redukční převody umožňovaly turbínám pracovat v jejich efektivním rozsahu při mnohem vyšší rychlosti než hřídel, ale byly nákladné na výrobu.

Cestovní turbíny nejprve soutěžily s pístovými motory o úsporu paliva. Příkladem zachování pístových motorů na rychlých lodích byla slavná RMS  Olympic z roku 1911, která spolu se svými sestrami RMS  Titanic a HMHS  Britannic měla na dvou vnějších hřídelích trojnásobné expanzní motory, oba výfukové do LP turbíny na středové hřídeli. . Po přijetí turbín s bitevními loděmi třídy Delaware spuštěnými v roce 1909 se námořnictvo Spojených států vrátilo k pístovým strojům na bitevních lodích třídy New York z roku 1912 a poté se v roce 1914 vrátilo k turbínám na Nevadě . Přetrvávající záliba v pístových strojích byla způsobena Americké námořnictvo nemělo až do po první světové válce žádné plány na kapitálové lodě překračující 21 uzlů (39 km/h; 24 mph), takže maximální rychlost byla méně důležitá než ekonomická plavba. Spojené státy získaly Filipíny a Havaj jako území v roce 1898 a postrádaly celosvětovou síť zauhlovacích stanic britského královského námořnictva . Americké námořnictvo tedy v letech 1900–1940 ze všech národů nejvíce potřebovalo úsporu paliva, zvláště když se po první světové válce objevila vyhlídka na válku s Japonskem . Tato potřeba byla umocněna tím, že USA v letech 1908–1920 nevypustily žádné křižníky, takže torpédoborce byly povinny plnit mise na dlouhé vzdálenosti obvykle přidělené křižníkům. Na americké torpédoborce spuštěné v letech 1908–1916 byla tedy namontována různá cestovní řešení. Jednalo se o malé pístové motory a převodové nebo bezpřevodové cestovní turbíny na jedné nebo dvou hřídelích. Jakmile se však plně ozubené turbíny ukázaly jako hospodárné z hlediska počátečních nákladů a paliva, byly rychle přijaty, přičemž na většině lodí byly zahrnuty také cestovní turbíny. Počínaje rokem 1915 měly všechny nové torpédoborce Royal Navy plně ozubené turbíny a v roce 1917 je následovaly Spojené státy.

V Royal Navy byla rychlost prioritou, dokud bitva o Jutsko v polovině roku 1916 neukázala, že v bitevních křižnících bylo obětováno příliš mnoho obrněných jednotek. Britové od roku 1906 používali výhradně válečné lodě poháněné turbínou. Protože uznali, že vzhledem k jejich celosvětovému impériu by byl žádoucí dlouhý cestovní dosah, byly některé válečné lodě, zejména bitevní lodě třídy Queen Elizabeth , vybaveny cestovními turbínami od roku 1912 po dřívějších experimentálních instalacích. .

V americkém námořnictvu zavedly torpédoborce třídy Mahan , spuštěné v letech 1935–36, převody s dvojitou redukcí. To dále zvýšilo rychlost turbíny nad rychlost hřídele, což umožnilo menší turbíny než jednoredukční ozubení. Tlaky a teploty páry se také progresivně zvyšovaly, z 300 psi (2100 kPa)/425 °F (218 °C) [nasycená pára] na třídě Wickes z první světové války na 615 psi (4240 kPa)/850 °F ( 454 °C) [přehřátá pára] na některých torpédoborcích třídy Fletcher z druhé světové války a pozdějších lodích. Standardní konfigurace se objevila z axiálně průtokové vysokotlaké turbíny (někdy s připojenou cestovní turbínou) a dvouaxiální průtokové nízkotlaké turbíny spojené s dvojitou redukční převodovkou. Toto uspořádání pokračovalo během éry páry v americkém námořnictvu a bylo také použito v některých vzorech Royal Navy. Stroje této konfigurace lze vidět na mnoha dochovaných válečných lodích z dob druhé světové války v několika zemích.

Když se počátkem 50. let obnovila stavba válečných lodí amerického námořnictva, většina povrchových bojovníků a letadlových lodí používala páru 1200 psi (8300 kPa)/950 °F (510 °C). To pokračovalo až do konce éry válečných lodí s parním pohonem amerického námořnictva s fregatami třídy Knox z počátku 70. let. Obojživelné a pomocné lodě pokračovaly v používání 600 psi (4100 kPa) páry po druhé světové válce, s USS  Iwo Jima , která byla vypuštěna v roce 2001, možná poslední nejaderná loď s parním pohonem postavená pro americké námořnictvo.

Turbo-elektrický pohon

NS  50 Let Pobedy , jaderný ledoborec s jaderně-turbo-elektrickým pohonem

Turbo-elektrický pohon byl představen na bitevní lodi USS  New Mexico , zahájené v roce 1917. Během následujících osmi let americké námořnictvo vypustilo pět dalších bitevních lodí s turbo-elektrickým pohonem a dvě letadlové lodě (původně objednané jako bitevní křižníky třídy Lexington ) . Bylo plánováno deset dalších turboelektrických hlavních lodí, které však byly zrušeny kvůli omezením stanoveným Washingtonskou námořní smlouvou .

Ačkoli Nové Mexiko bylo v letech 1931–1933 znovu vybaveno ozubenými turbínami, zbývající turboelektrické lodě si systém zachovaly po celou dobu své kariéry. Tento systém používal dva velké generátory parních turbín k pohonu elektromotoru na každé ze čtyř hřídelí. Systém byl zpočátku méně nákladný než redukční převody a díky němu byly lodě lépe manévrovatelné v přístavu, přičemž hřídele mohly rychle couvat a dodávat více zpětného výkonu než u většiny převodových systémů.

Některé zaoceánské parníky byly také stavěny s turbo-elektrickým pohonem, jak byly některé transporty vojska a masově vyráběné torpédoborce doprovody ve druhé světové válce . Když však USA navrhly „smluvní křižníky“, počínaje lodí USS  Pensacola vypuštěnou v roce 1927, byly pro úsporu hmotnosti použity turbíny s ozubeným kolem a zůstaly v použití pro všechny rychlé lodě poháněné párou.

Současné použití

Od 80. let 20. století byly parní turbíny nahrazeny na rychlých lodích plynovými a na jiných lodích dieselovými motory ; výjimkou jsou lodě a ponorky s jaderným pohonem a nosiče LNG . Některé pomocné lodě nadále využívají parní pohon.

V americkém námořnictvu se konvenčně poháněná parní turbína stále používá na všech obojživelných útočných lodích třídy Wasp kromě jedné. Královské námořnictvo vyřadilo z provozu svou poslední konvenční parou poháněnou povrchovou válečnou loď třídy, přistávací plošinový dok třídy Fearless , v roce 2002 a italské námořnictvo následovalo v roce 2006 vyřazením svých posledních konvenčních povrchových válečných lodí poháněných párou, torpédoborců třídy Audace . V roce 2013 francouzské námořnictvo ukončilo svou parní éru vyřazením své poslední fregaty třídy Tourville . Mezi ostatními modrovodními námořnictvy ruské námořnictvo v současné době provozuje letadlové lodě třídy Kuzněcov na parní pohon a torpédoborce třídy Sovremennyj . Indické námořnictvo v současnosti provozuje INS Vikramaditya , upravenou letadlovou loď třídy Kyjev ; provozuje také tři fregaty třídy Brahmaputra uvedené do provozu na počátku 21. století a jednu fregatu třídy Godavari plánovanou k vyřazení z provozu. Čínské námořnictvo v současnosti provozuje letadlové lodě třídy Kuzněcov na parní pohon , torpédoborce třídy Sovremenny spolu s torpédoborci třídy Luda a osamocený torpédoborec Type 051B . Většina ostatních námořních sil buď odešla do výslužby, nebo přezbrojila své válečné lodě na parní pohon. Od roku 2020 provozuje mexické námořnictvo čtyři bývalé americké fregaty třídy Knox poháněné párou . Egyptské námořnictvo a námořnictvo Čínské lidové republiky provozují dvě a šest bývalých amerických fregat třídy Knox . Ekvádorské námořnictvo v současné době provozuje dvě parní fregaty třídy Condell (upravené fregaty třídy Leander ).

Dnes účinnost cyklu pohonu parní turbíny dosud nepřekročila 50 %, přesto dieselové motory běžně překračují 50 %, zejména v námořních aplikacích. Dieselové elektrárny mají také nižší provozní náklady, protože je zapotřebí méně operátorů. Konvenční parní pohon se tedy používá ve velmi málo nových lodích. Výjimkou jsou nosiče LNG, pro které je často hospodárnější používat vyvařený plyn s parní turbínou, než jej znovu zkapalňovat.

Lodě a ponorky s jaderným pohonem využívají jaderný reaktor k výrobě páry pro turbíny. Jaderná energie se často volí tam, kde by dieselová energie byla nepraktická (jako v podmořských aplikacích) nebo kde by logistika doplňování paliva představovala značné problémy (například ledoborce ). Odhaduje se, že palivo do reaktoru pro ponorky třídy Vanguard Royal Navy vystačí na 40 obeplutí zeměkoule – což je potenciálně dostačující pro celou životnost plavidla. Jaderný pohon byl použit pouze u velmi malého počtu komerčních plavidel kvůli nákladům na údržbu a regulačním kontrolám vyžadovaným u jaderných systémů a palivových cyklů.

Lokomotivy

Lokomotiva s parní turbínou je parní lokomotiva poháněná parní turbínou. První kolejová lokomotiva s parní turbínou byla postavena v roce 1908 pro Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Milán, Itálie. V roce 1924 Krupp postavil parní turbínovou lokomotivu T18 001, která byla uvedena do provozu v roce 1929, pro Deutsche Reichsbahn .

Hlavními výhodami parní turbínové lokomotivy jsou lepší rotační vyvážení a snížení úderů kladiva na trať. Nevýhodou je však menší flexibilní výstupní výkon, takže turbínové lokomotivy byly nejvhodnější pro dálkový provoz při konstantním výstupním výkonu.

Testování

Britské, německé, další národní a mezinárodní zkušební kódy se používají ke standardizaci postupů a definic používaných ke zkoušení parních turbín. Výběr zkušebního kódu, který se má použít, je dohodou mezi kupujícím a výrobcem a má určitý význam pro konstrukci turbíny a souvisejících systémů.

Ve Spojených státech ASME vytvořilo několik zkušebních kódů pro parní turbíny. Patří mezi ně ASME PTC 6–2004, Parní turbíny, ASME PTC 6.2-2011, Parní turbíny v kombinovaných cyklech , PTC 6S-1988, Postupy pro rutinní test výkonnosti parních turbín. Tyto zkušební kódy ASME získaly mezinárodní uznání a přijetí pro testování parních turbín. Jedinou nejdůležitější a odlišující vlastností zkušebních kódů ASME, včetně PTC 6, je to, že nejistota měření udává kvalitu zkoušky a nemá být používána jako komerční tolerance.

Viz také

Reference

Poznámky

Prameny

Další čtení

  • Cotton, KC (1998). Hodnocení a zlepšování výkonu parní turbíny . Cotton Fakt.
  • Johnston, Ian (2019). „Vzestup Brown-Curtisovy turbíny“ . V Jordánsku, John (ed.). Válečná loď 2019 . Oxford: Osprey Publishing. s. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
  • Thurston, RH (1878). Historie růstu parního stroje . New York: D Appleton and Co.
  • Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (v němčině). Springer Verlag : Berlín, Heidelberg, New York.
  • Waliullah, Noushad (2017). „Přehled technologií koncentrované solární energie (CSP) a jejích příležitostí v Bangladéši“ . 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE) . CUET. s. 844–849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020 . ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID  42153522 .

externí odkazy