Turbina parowa

Wirnik nowoczesnej turbiny parowej stosowanej w elektrowni

Turbina parowa to maszyna , która pobiera energię cieplną z pary pod ciśnieniem i wykorzystuje ją do wykonywania prac mechanicznych na obracającym się wale wyjściowym. Jego nowoczesny przejaw został wynaleziony przez Charlesa Parsonsa w 1884 r. Wytwarzanie nowoczesnej turbiny parowej obejmuje zaawansowaną obróbkę metali w celu uformowania precyzyjnych części ze stopów stali wysokiej jakości przy użyciu technologii, które po raz pierwszy stały się dostępne w XX wieku; ciągły postęp w zakresie trwałości i wydajności turbin parowych pozostaje centralnym elementem ekonomia energetyczna XXI wieku.

Turbina parowa jest rodzajem silnika cieplnego , który swoją poprawę sprawności termodynamicznej czerpie w dużej mierze z zastosowania wielu etapów rozprężania pary, co skutkuje bliższym podejściem do idealnego odwracalnego procesu rozprężania.

Ponieważ turbina generuje ruch obrotowy , można ją podłączyć do generatora , aby wykorzystać jej ruch do wytwarzania energii elektrycznej. Takie turbogeneratory są rdzeniem elektrowni cieplnych , które mogą być zasilane paliwami kopalnymi , paliwami jądrowymi , energią geotermalną lub słoneczną . Około 85% całej produkcji energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych w 2014 roku pochodziło z turbin parowych.

Wyzwania techniczne obejmują niewyważenie wirnika , wibracje , zużycie łożysk i nierównomierną ekspansję (różne formy szoku termicznego ). W dużych instalacjach nawet najmocniejsza turbina rozpadnie się, jeśli zostanie uruchomiona poza trymem.

Historia

Przemysłowa turbina parowa o mocy 250 kW z 1910 r. (po prawej) bezpośrednio połączona z generatorem ( po lewej)

Pierwszym urządzeniem, które można zaklasyfikować jako reakcyjną turbinę parową, była niewiele więcej niż zabawka, klasyczny Aeolipile , opisany w I wieku przez Hero z Aleksandrii w rzymskim Egipcie . W 1551 roku Taqi al-Din w osmańskim Egipcie opisał turbinę parową z praktycznym zastosowaniem obracania rożna . Turbiny parowe opisali także Włoch Giovanni Branca (1629) i John Wilkins w Anglii (1648). Urządzenia opisane przez Taqi al-Din i Wilkins są dziś znane jako gniazda parowe . W 1672 r. Ferdinand Verbiest zaprojektował samochód napędzany turbiną impulsową . Bardziej współczesna wersja tego samochodu została wyprodukowana pod koniec XVIII wieku przez nieznanego niemieckiego mechanika. W 1775 roku w Soho James Watt zaprojektował turbinę reakcyjną, która została tam uruchomiona. W 1807 r. Polikarp Zalesow zaprojektował i zbudował turbinę impulsową, wykorzystując ją do pracy pompy przeciwpożarowej. W 1827 roku Francuzi Real i Pichon opatentowali i skonstruowali turbinę impulsową.

Nowoczesna turbina parowa została wynaleziona w 1884 roku przez Charlesa Parsonsa , którego pierwszy model był podłączony do dynama , które generowało 7,5 kilowata (10,1 KM) energii elektrycznej. Wynalezienie turbiny parowej Parsonsa umożliwiło tanią i obfitą energię elektryczną oraz zrewolucjonizowało transport morski i wojnę morską. Projekt Parsonsa był reakcji . Jego patent został licencjonowany, a wkrótce potem turbina została powiększona przez Amerykanina, George'a Westinghouse'a . Turbina Parsonsa również okazała się łatwa do powiększenia. Parsons miał satysfakcję, widząc, jak jego wynalazek został zastosowany we wszystkich głównych światowych elektrowniach, a wielkość generatorów wzrosła z jego pierwszych 7,5 kilowata (10,1 KM) do jednostek o mocy 50 000 kilowatów (67 000 KM). W ciągu życia Parsonsa moc wytwórcza jednostki została zwiększona około 10 000 razy, a całkowita produkcja turbogeneratorów zbudowanych przez jego firmę CA Parsons and Company i ich licencjobiorców, wyłącznie do celów lądowych, przekroczyła trzydzieści milionów koni -moc.

Opracowano inne odmiany turbin, które skutecznie działają z parą. Turbina de Lavala (wynaleziona przez Gustafa de Lavala ) rozpędzała parę do pełnej prędkości przed skierowaniem jej na łopatki turbiny. Turbina impulsowa De Laval jest prostsza i tańsza i nie musi być odporna na ciśnienie. Może pracować przy dowolnym ciśnieniu pary, ale jest znacznie mniej wydajny. Auguste Rateau opracował turbinę impulsową ze sprzężeniem ciśnieniowym, wykorzystując zasadę de Lavala już w 1896 r., uzyskał patent w USA w 1903 r. i zastosował turbinę we francuskiej łodzi torpedowej w 1904 r. Wykładał w École des mines de Saint-Étienne przez dekadę, aż do 1897, a później założył dobrze prosperującą firmę, która po jego śmierci została włączona do firmy Alstom . Jednym z twórców współczesnej teorii turbin parowych i gazowych był Aurel Stodola , słowacki fizyk i inżynier, profesor Szwajcarskiego Instytutu Politechnicznego (obecnie ETH ) w Zurychu. Jego praca Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (w języku angielskim: Turbina parowa i jej potencjalne zastosowanie jako silnik cieplny) została opublikowana w Berlinie w 1903 r. Kolejna książka Dampf und Gas-Turbinen (w języku angielskim: Turbiny parowe i gazowe) została opublikowana w 1922 r.

Turbina Browna-Curtisa , typu impulsowego, pierwotnie opracowana i opatentowana przez amerykańską firmę International Curtis Marine Turbine Company, została opracowana w XX wieku we współpracy z John Brown & Company . Był używany na statkach handlowych i okrętach wojennych z silnikiem Johna Browna, w tym na liniowcach i okrętach wojennych Royal Navy.

Produkcja

Turbina parowa bez górnej pokrywy

Dzisiejszy przemysł wytwórczy turbin parowych składa się z następujących firm:

• WEG (Brazylia)
• Harbin Electric , Shanghai Electric , Dongfang Electric (Chiny)
• Doosan Škoda Power (Czechy - Korea Południowa)
• Alstom (Francja)
• Siemensa (Niemcy)
• BHEL (Indie)
• MAPNA (Iran)
• Ansaldo (Włochy)
• Mitsubishi , KwHI , Toshiba , IHI (Japonia)
• Silmash , Ural TW , Nevsky Turbine Plant (Nevsky NTW) , KTZ Energomash -Atomenergo (Rosja)
• Turboatom (Ukraina)
• General Electric (USA)
• Triveni (Indie)

typy

Turbiny parowe są produkowane w różnych rozmiarach, od małych jednostek <0,75 kW (<1 KM) (rzadko) używanych jako napędy mechaniczne pomp, sprężarek i innych urządzeń napędzanych wałem, po turbiny o mocy 1500 MW (2 000 000 KM) wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej . Istnieje kilka klasyfikacji nowoczesnych turbin parowych.

Ostrze i scenografia

Schematyczny diagram przedstawiający różnicę między turbiną impulsową a turbiną reakcyjną 50%.

Łopatki turbin dzielą się na dwa podstawowe typy: łopatki i dysze . Ostrza poruszają się w całości pod wpływem oddziaływania na nie pary, a ich profile nie zbiegają się. Powoduje to spadek prędkości pary i zasadniczo brak spadku ciśnienia, gdy para przepływa przez ostrza. Turbina złożona z łopatek naprzemiennie ze stałymi dyszami nazywana jest turbiną impulsową, turbiną Curtisa , turbiną Rateau lub turbiną Browna-Curtisa . Dysze wyglądają podobnie do ostrzy, ale ich profile zbiegają się w pobliżu wyjścia. Powoduje to spadek ciśnienia pary i wzrost prędkości, gdy para przepływa przez dysze. Dysze poruszają się zarówno w wyniku oddziaływania na nie pary, jak i reakcji wywołanej parą o dużej prędkości na wylocie. Turbina złożona z ruchomych dysz naprzemiennie z dyszami stałymi nazywana jest turbiną reakcyjną lub turbiną Parsonsa .

Z wyjątkiem zastosowań o małej mocy, łopatki turbin są ułożone szeregowo w wielu etapach, co nazywa się mieszaniem , co znacznie poprawia wydajność przy niskich prędkościach. Etap reakcji to rząd nieruchomych dysz, po których następuje rząd ruchomych dysz. Wiele etapów reakcji dzieli spadek ciśnienia między wlotem i wylotem pary na wiele małych kropel, co skutkuje złożoną ciśnieniowo turbina. Etapy impulsów mogą być zależne od ciśnienia, prędkości lub ciśnienia i prędkości. Stopień impulsowy z mieszaniem ciśnieniowym to rząd stałych dysz, po których następuje rząd ruchomych ostrzy, z wieloma stopniami do mieszania. Jest to również znane jako turbina Rateau, od imienia jej wynalazcy. Stopień ze złożoną prędkością (wynaleziony przez Curtisa i zwany także „kołem Curtisa”) to rząd nieruchomych dysz, po których następują dwa lub więcej rzędów ruchomych ostrzy na przemian z rzędami nieruchomych ostrzy. To dzieli spadek prędkości na scenie na kilka mniejszych spadków. Szereg etapów impulsów złożonych z prędkości nazywa się a ze sprzężeniem prędkości i ciśnienia .

Schemat morskiej turbiny parowej AEG z około 1905 roku

W 1905 roku, kiedy turbiny parowe zaczęły być używane na szybkich statkach (takich jak HMS Dreadnought ) oraz w zastosowaniach lądowych, ustalono, że pożądane jest użycie jednego lub więcej kół Curtisa na początku wieloetapowego turbiny (gdzie ciśnienie pary jest najwyższe), po którym następują etapy reakcji. Było to bardziej wydajne w przypadku pary pod wysokim ciśnieniem ze względu na zmniejszony wyciek między wirnikiem turbiny a obudową. Jest to zilustrowane na rysunku niemieckiej morskiej turbiny parowej AEG z 1905 roku. Para z kotłów wchodzi z prawej strony pod wysokim ciśnieniem przez a przepustnica , sterowana ręcznie przez operatora (w tym przypadku marynarza zwanego manetką). Przechodzi przez pięć kół Curtisa i liczne etapy reakcji (małe łopatki na krawędziach dwóch dużych wirników pośrodku), zanim wyjdzie pod niskim ciśnieniem, prawie na pewno do skraplacza . Skraplacz zapewnia próżnię, która maksymalizuje energię pozyskiwaną z pary i skrapla parę do wody zasilającej wrócić do kotłów. Po lewej stronie znajduje się kilka dodatkowych etapów reakcji (na dwóch dużych wirnikach), które obracają turbinę do tyłu podczas pracy wstecz, z parą wpuszczaną przez oddzielną przepustnicę. Ponieważ statki rzadko pracują w biegu wstecznym, wydajność nie jest priorytetem w turbinach rufowych, dlatego stosuje się tylko kilka stopni, aby obniżyć koszty.

Wyzwania związane z projektowaniem łopatek

Głównym wyzwaniem, przed którym stanęła konstrukcja turbiny, było zmniejszenie pełzania łopatek. Ze względu na wysokie temperatury i duże naprężenia eksploatacyjne, w wyniku tych mechanizmów dochodzi do uszkodzenia materiałów turbiny parowej. Wraz ze wzrostem temperatury w celu poprawy wydajności turbiny pełzanie staje się znaczące. w konstrukcjach łopat stosuje się powłoki termiczne i nadstopy ze wzmocnieniem w roztworze stałym i wzmocnieniem granic ziaren .

Powłoki ochronne stosowane są w celu zmniejszenia uszkodzeń termicznych oraz ograniczenia utleniania . Powłoki te to często stabilizowana ceramika na bazie dwutlenku cyrkonu . Zastosowanie termicznej powłoki ochronnej ogranicza ekspozycję termiczną nadstopu niklu. Zmniejsza to mechanizmy pełzania występujące w ostrzu. Powłoki utleniające ograniczają straty wydajności spowodowane gromadzeniem się osadów na zewnętrznej stronie łopatek, co jest szczególnie ważne w środowisku o wysokiej temperaturze.

Ostrza na bazie niklu są stopowane z aluminium i tytanem, aby poprawić wytrzymałość i odporność na pełzanie. Mikrostruktura stopów składa się z różnych obszarów składu. Jednolita dyspersja pierwszej fazy gamma – połączenia niklu, aluminium i tytanu – dzięki mikrostrukturze zwiększa wytrzymałość i odporność ostrza na pełzanie.

Do stopu można dodać elementy ogniotrwałe , takie jak ren i ruten , aby poprawić wytrzymałość na pełzanie. Dodatek tych pierwiastków zmniejsza dyfuzję pierwotnej fazy gamma, zachowując w ten sposób odporność na zmęczenie , wytrzymałość i odporność na pełzanie.

Warunki zasilania i odprowadzania pary

Turbina parowa niskiego ciśnienia w elektrowni jądrowej. Turbiny te wyrzucają parę wodną pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego.

Typy turbin obejmują kondensacyjne, bezkondensacyjne, dogrzewające, ekstrakcyjne i indukcyjne.

Turbiny kondensacyjne

Turbiny kondensacyjne są najczęściej spotykane w elektrowniach. Turbiny te pobierają parę z kotła i odprowadzają ją do skraplacza . Wyczerpana para ma ciśnienie znacznie poniżej atmosferycznego i jest w stanie częściowo skondensowanym, zwykle o jakości bliskiej 90%.

Turbiny bezkondensacyjne

Turbiny niekondensacyjne są najczęściej stosowane w zastosowaniach związanych z parą technologiczną, w których para po odprowadzeniu z turbiny będzie wykorzystywana do dodatkowych celów. Ciśnienie wylotowe jest kontrolowane przez zawór regulacyjny w celu dostosowania do potrzeb ciśnienia pary technologicznej. Są one powszechnie spotykane w rafineriach, jednostkach ciepłowniczych, zakładach celulozowo-papierniczych oraz odsalania , gdzie potrzebne są duże ilości pary technologicznej o niskim ciśnieniu.

Podgrzej turbiny

Turbiny grzewcze są również stosowane prawie wyłącznie w elektrowniach. W turbinie przegrzewającej strumień pary wypływa z wysokociśnieniowej sekcji turbiny i jest zawracany do kotła, gdzie dodaje się dodatkowe ciepło przegrzania. Następnie para wraca do sekcji o ciśnieniu pośrednim turbiny i kontynuuje swoją ekspansję. Stosowanie podgrzewania w cyklu zwiększa wydajność pracy turbiny, a także kończy się rozprężanie przed skraplającą się parą, minimalizując w ten sposób erozję łopatek w ostatnich rzędach. W większości przypadków maksymalna liczba przegrzań stosowanych w cyklu wynosi 2, ponieważ koszt przegrzania pary niweluje wzrost wydajności pracy turbiny.

Turbiny wydobywcze

Turbiny wyciągowe są powszechne we wszystkich zastosowaniach. W turbinie wyciągowej para jest uwalniana z różnych stopni turbiny i wykorzystywana na potrzeby procesów przemysłowych lub przesyłana do podgrzewaczy wody zasilającej kotły w celu poprawy ogólnej wydajności cyklu. Przepływy ekstrakcji mogą być kontrolowane za pomocą zaworu lub pozostawione bez kontroli. Usuwana para powoduje utratę mocy w dalszych stopniach turbiny.

Turbiny indukcyjne wprowadzają parę o niskim ciśnieniu na etapie pośrednim w celu wytworzenia dodatkowej mocy.

Obudowy lub układy wałów

Układy te obejmują turbiny z pojedynczą obudową, tandemowe i krzyżowe. Jednostki z pojedynczą obudową to najbardziej podstawowy styl, w którym pojedyncza obudowa i wał są połączone z generatorem. Mieszanka tandemowa jest stosowana, gdy dwie lub więcej obudów jest bezpośrednio połączonych ze sobą w celu napędzania jednego generatora. Układ turbin krzyżowych składa się z dwóch lub więcej wałów, które nie są ustawione w jednej linii, napędzając dwa lub więcej generatorów, które często pracują z różnymi prędkościami. Turbina krzyżowa jest zwykle używana w wielu dużych zastosowaniach. Poniżej zilustrowano typową instalację morską z lat 30. i 60. XX wieku; pokazuje to turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia napędzające wspólną przekładnię redukcyjną, z turbiną przelotową z przekładnią na jednej turbinie wysokiego ciśnienia.

Układ maszynowy turbiny parowej na prawej burcie japońskich krążowników typu Furutaka i Aoba

Wirniki dwuprzepływowe

Dwustrumieniowy wirnik turbiny. Para wchodzi środkiem wału i wychodzi na każdym końcu, równoważąc siłę osiową.

Poruszająca się para wywiera zarówno styczny, jak i osiowy nacisk na wał turbiny, ale nacisk osiowy w prostej turbinie nie jest przeciwstawiony. Aby utrzymać prawidłowe położenie wirnika i wyważenie, siła ta musi być przeciwdziałana przez siłę przeciwną. Łożyska oporowe mogą być zastosowane do łożysk wału, wirnik może wykorzystywać atrapy tłoków, może to być podwójny przepływ - para wchodzi środkiem wału i wychodzi na obu końcach lub kombinacja dowolnego z nich. W podwójnym strumieniu wirnika, łopatki w każdej połowie są skierowane w przeciwne strony, tak że siły osiowe wzajemnie się negują, ale siły styczne działają razem. Ta konstrukcja wirnika jest również nazywana dwuprzepływowym , dwuosiowym przepływem lub podwójnym wydechem . Taki układ jest powszechny w niskociśnieniowych obudowach turbiny złożonej.

Zasada działania i konstrukcja

Za idealną turbinę parową uważa się proces izentropowy lub proces o stałej entropii, w którym entropia pary wchodzącej do turbiny jest równa entropii pary opuszczającej turbinę. Żadna turbina parowa nie jest jednak prawdziwie izentropowa, z typową wydajnością izentropową w zakresie od 20 do 90% w zależności od zastosowania turbiny. Wnętrze turbiny składa się z kilku zestawów łopatek lub kubełków . Jeden zestaw ostrzy nieruchomych jest połączony z obudową, a jeden zestaw ostrzy obrotowych jest połączony z wałem. Zestawy zazębiają się z pewnymi minimalnymi prześwitami, przy czym rozmiar i konfiguracja zestawów są różne, aby efektywnie wykorzystać ekspansję pary na każdym etapie.

Praktyczna sprawność cieplna turbiny parowej zmienia się w zależności od wielkości turbiny, stanu obciążenia, strat szczelinowych i strat tarcia. Osiągają najwyższe wartości do około 50% w turbinie o mocy 1200 MW (1 600 000 KM); mniejsze mają niższą wydajność. Aby zmaksymalizować wydajność turbiny, para jest rozprężana, wykonując pracę, w kilku etapach. Etapy te charakteryzują się sposobem pozyskiwania z nich energii i są znane jako turbiny impulsowe lub reakcyjne. Większość turbin parowych wykorzystuje mieszankę projektów reakcyjnych i impulsowych: każdy stopień zachowuje się jak jeden lub drugi, ale cała turbina wykorzystuje oba. Zazwyczaj sekcje o niższym ciśnieniu są typu reakcyjnego, a stopnie o wyższym ciśnieniu są typu impulsowego.

Turbiny impulsowe

Wybór łopatek turbin impulsowych

Turbina impulsowa ma stałe dysze, które kierują przepływ pary w strumienie o dużej prędkości. Strumienie te zawierają znaczną energię kinetyczną, która jest przekształcana w obrót wału przez łopatki wirnika w kształcie kubełka, gdy strumień pary zmienia kierunek. Spadek ciśnienia występuje tylko na nieruchomych ostrzach, przy jednoczesnym wzroście prędkości pary na całym stopniu. Gdy para przepływa przez dyszę, jej ciśnienie spada od ciśnienia wlotowego do ciśnienia wyjściowego (ciśnienie atmosferyczne lub częściej próżnia skraplacza). Ze względu na ten wysoki stopień rozprężenia pary, para opuszcza dyszę z bardzo dużą prędkością. Para opuszczająca ruchome ostrza ma dużą część maksymalnej prędkości pary opuszczającej dyszę. Utrata energii spowodowana tą wyższą prędkością wyjściową jest powszechnie nazywana prędkością przenoszenia lub stratą opuszczania.

Prawo momentu pędu mówi, że suma momentów sił zewnętrznych działających na płyn chwilowo zajmujący objętość kontrolną jest równa wypadkowej zmianie w czasie strumienia momentu pędu przez objętość kontrolną.

$V_ {w1}}$ do objętości kontrolnej na promieniu z prędkością styczną ${\ Displaystyle$ i opuszcza na promieniu z prędkością styczną $}$${\ Displaystyle V_ {w2}}$ .

Trójkąt prędkości

Trójkąt prędkości toruje drogę do lepszego zrozumienia zależności między różnymi prędkościami. Na sąsiednim rysunku mamy:

${\ Displaystyle V_ {1}}$$i$ to prędkości bezwzględne odpowiednio na wlocie i

${\ Displaystyle V_ {f1}}$ i ${\ Displaystyle V_ {f2}}$ to prędkości przepływu odpowiednio na wlocie i wylocie.

${\ Displaystyle V_ {w1}}$ i ${\ Displaystyle V_ {w2}}$ są prędkościami wirowania odpowiednio na wlocie i wylocie w ruchomym punkcie odniesienia.

${\ Displaystyle V_ {r1}}$ i ${\ Displaystyle V_ {r2}}$ to prędkości względne odpowiednio na wlocie i wylocie.

${\ Displaystyle U_ {1}}$ i ${\ Displaystyle U_ {2}}$ to prędkości łopaty odpowiednio na wlocie i wylocie.

${\ Displaystyle \ alpha}$ to kąt łopatki prowadzącej i ${\ Displaystyle \ beta}$ jest kątem ostrza.

Następnie, zgodnie z prawem momentu pędu, moment obrotowy działający na płyn jest określony wzorem:

${\ Displaystyle T = {\ kropka {m}} \ lewo (r_ {2} V_ {w2} -r_ {1} V_ {w1} \ Prawidłowy)}$

Dla impulsowej turbiny parowej: ${\ displaystyle r_ {2} = r_ {1} = r}$ . Dlatego siła styczna działająca na ostrza wynosi ${\ Displaystyle F_ {u} = {\ kropka {m}} \ lewo (V_ {w1} -V_ {w2} \prawo)}$ . Praca wykonana w jednostce czasu lub rozwiniętej mocy: ${\ Displaystyle W = T \ omega}$ .

Gdy ω jest prędkością kątową turbiny, wówczas prędkość łopatek wynosi ${\ Displaystyle U = \ omega r}$ . Rozwijana moc wynosi wtedy ${\ Displaystyle W = {\ kropka {m}} U (\ Delta V_ {w})}$ .

Wydajność ostrza

Wydajność ostrza ( ) można zdefiniować jako stosunek pracy wykonanej na ostrzach do energii kinetycznej dostarczanej do płynu i jest dana przez ${\ Displaystyle {\ eta _ {b}}}$

$\ Displaystyle \ eta _ {b}$

Wydajność sceny

Dysza zbieżno-rozbieżna

Wykres przedstawiający sprawność turbiny impulsowej

Stopień turbiny impulsowej składa się z zespołu dysz i poruszającego się koła. Sprawność stopnia określa zależność między spadkiem entalpii w dyszy a pracą wykonaną w stopniu.

${\ Displaystyle {\ eta _ {\ operatorname {etap}}} = {\ Frac {\ operatorname {Praca ~ wykonana ~ na ~ ostrzu}} {\ operatorname {Energia ~ dostarczona ~ na ~ etap}}} = {\ frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$

Gdzie ${\ Displaystyle \ Delta h = h_ {2} -h_ {1}}$ jest specyficznym spadkiem entalpii pary w dyszy.

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki :

${\ Displaystyle h_ {1} + {\ Frac {1} {2}} {V_ {1}} ^ {2} = h_ {2} +{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$

Zakładając, że jest znacznie mniejszy niż $}$$V_ {1}$ , otrzymujemy ${1}{2}}{V_{2}}^{2}}$${\ Displaystyle {\ Delta h} \ około {$ . Ponadto wydajność etapu jest iloczynem wydajności ostrza i wydajności dyszy lub ${\ Displaystyle \ eta _ {\ tekst {etap}} = \ eta _ {b} \ eta _ {N}}$ .

η ${\ Displaystyle \ eta _ {N} = {\ Frac {{V_ {2}} ^ {2}} {2 \ lewo ($ , gdzie entalpia (w J/kg) pary na wejściu do dyszy wynosi ${\ displaystyle h_ {1}}$ a entalpia pary na wyjście dyszy jest ${\ displaystyle h_ {2}}$ .

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ Delta V_ {w} & = V_ {w1} - \ lewo (-V_ {w2} \ prawej) \\& = V_ { w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta_{1}+V_{r2}\cos \beta_{2}\\&=V_{r1}\cos \beta_{ 1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{wyrównane}}}$

Stosunek cosinusów kątów łopatek na wylocie i wlocie można wziąć i oznaczyć do $\ Frac {\ cos \ beta _ {2}} {\ cos \beta_{1}}}}$ . Stosunek prędkości pary do prędkości wirnika na wylocie do wlotu ostrza jest określony przez współczynnik tarcia ${\ Displaystyle k = {\ Frac {V_ {r2}} {V_ {V_ { r1}}}}$ .

$k <1}$$.$ i przedstawia utratę prędkości względnej spowodowaną tarciem, gdy para przepływa wokół ostrzy ( dla gładkich ostrzy)

${\ Displaystyle \ eta _ {b} = {\ Frac {2U \ Delta V_ {w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{ V_{1}}}\right)(1+kc)}$

Stosunek prędkości ostrza do bezwzględnej prędkości pary na wlocie nazywany jest stosunkiem prędkości ostrza . ${\ Displaystyle \ rho = {\ Frac {U} {V_ {1}}}}$ .

${\ Displaystyle \ eta _ {b}}$ jest maksymalna, gdy ${\ Displaystyle {\ Frac {d \ eta _ {b}} {d \ rho}} = 0}$ lub ${\ Displaystyle {\ Frac {d} {d \ rho}} \ lewo (2 {\ sałata \ alfa _ {1} - \ rho ^ { 2}}(1+kc)\right)=0}$ . To implikuje ${\ Displaystyle \ rho = {\ Frac {1} {2}} \ cos \ alfa _ {1}}$ i dlatego ${\ Displaystyle {\ Frac {U} V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$ . teraz ${\ Displaystyle \ rho _ {opt} = {\ Frac {U} {V_ {1}}} = {\ Frac {1} {2}} \cos \alpha _{1}}$ (dla turbiny impulsowej jednostopniowej).

Dlatego maksymalną wartość sprawności stopnia uzyskuje się, podając wartość ${\ Displaystyle {\ Frac {U} {V_ {1}}} = {\ Frac {1} {2 }} \ cos \ alfa _ {1}}$ w wyrażeniu ${\ displaystyle \ eta _ {b}}$ .

Otrzymujemy: ${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\text{max}}=2\left(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alfa _{1}(1+kc)}$ .

Dla $=$$,$ , a ${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {max}} = {\ Frac {1} {2}} \ cos ^ {2} \ alfa _ {1} (1+k)}$ . Jeśli pominiemy tarcie spowodowane powierzchnią ostrza, wówczas ${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {max}} = \ sałata ^ {2} \ alfa _ {1}}$ .

Wnioski dotyczące maksymalnej wydajności

${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {max}} = \ sałata ^ {2} \ alfa _ {1}}$

1. Dla danej prędkości pary praca wykonana na kg pary byłaby maksymalna, gdy sałata ${\ Displaystyle \ cos ^ {2} \ alpha _ {1} = 1}$ α $\ Displaystyle \ alpha _ {1}=0}$ .
2. Wraz ze wzrostem pracy wykonywanej na $ostrzach$ zmniejsza się, ale jednocześnie zmniejsza się powierzchnia ostrza, dlatego straty spowodowane tarciem są

Turbiny reakcyjne

W turbinie reakcyjnej same łopaty wirnika są ustawione tak, aby tworzyły zbieżne dysze . Ten typ turbiny wykorzystuje siłę reakcji wytwarzaną, gdy para przyspiesza przez dysze utworzone przez wirnik. Para jest kierowana na rotor przez nieruchome łopatki stojana . Opuszcza stojan jako strumień, który wypełnia cały obwód wirnika. Następnie para zmienia kierunek i zwiększa swoją prędkość w stosunku do prędkości ostrzy. Spadek ciśnienia występuje zarówno na stojanie, jak i na rotorze, przy czym para przyspiesza przez stojan i zwalnia przez rotor, bez zmiany prędkości pary netto na stopniu, ale ze spadkiem zarówno ciśnienia, jak i temperatury, co odzwierciedla pracę wykonaną w napęd rotora.

Wydajność ostrza

Energia wejściowa do ostrzy w etapie:

${\ Displaystyle E = \ Delta h}$ jest równa energii kinetycznej dostarczanej do nieruchomych ostrzy (f) + energia kinetyczna dostarczana do ruchomych ostrzy (m).

Lub mi $Displaystyle E}$$\ Delta h_ {m}$ = spadek entalpii na stałych ostrzach, + spadek entalpii na $Displaystyle$ ostrzach, .

Efektem rozprężania się pary nad poruszającymi się łopatkami jest zwiększenie prędkości względnej na wylocie. $zawsze$ prędkość względna na wyjściu $prędkość$ na wlocie

Pod względem prędkości spadek entalpii na poruszających się łopatach jest określony wzorem:

${\ Displaystyle \ Delta h_ {m} = {\ Frac {V_ {r2} ^ {2} -V_ {r1} ^ {2}} {2}} }$

(przyczynia się do zmiany ciśnienia statycznego)

Wykres prędkości

Spadek entalpii w nieruchomych łopatach, przy założeniu, że prędkość pary wpływającej do nieruchomych łopatek jest równa prędkości pary opuszczającej poprzednio poruszające się łopatki, wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle \ Delta h_ {f} = {\ Frac {V_ {1} ^ {2} -V_ {0} ^ {2}} {2}}}$

₀ gdzie V jest prędkością wlotową pary w dyszy

$jest$ bardzo mały i dlatego można go pominąć Dlatego ${\ Displaystyle \ Delta h_ {f} = {\ Frac {V_ {1} ^ {2}} {2}}}$

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} E & = \ Delta h_ {f} + \ Delta h_ {m} \ \&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{ wyrównany}}}$

Bardzo szeroko stosowany projekt ma stopień reakcji w połowie lub w 50% i jest znany jako turbina Parsona . Składa się z symetrycznych łopatek wirnika i stojana. Dla tej turbiny trójkąt prędkości jest podobny i mamy:

${\ Displaystyle \ alfa _ {1} = \ beta _ {2}}$ , ${\ Displaystyle \ beta _ {1} = \ alfa _ {2}}$

${\ Displaystyle V_ {1} = V_ {r2}}$ , ${\ Displaystyle V_ {r1} = V_ {2}}$

Zakładając turbinę Parsona i uzyskując wszystkie otrzymane wyrażenia

${\ Displaystyle E = V_ {1} ^ {2} - {\ Frac {V_ {r1} ^ {2}} {2}}}$

Z trójkąta prędkości wlotowej mamy ${\ Displaystyle V_ {r1} ^ {2} = V_ {1} ^ {2} + U ^ {2}-2UV_{1}\cos \alpha_{1}}$

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} E & = V_ {1} ^ {2} - {\ Frac {V_ {1} ^ {2}} {2}} - {\ Frac {U ^ {2}} {2} }}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha_{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1 }\cos \alpha _{1}}{2}}\end{wyrównane}}}$

Wykonana praca (dla jednostkowego przepływu masowego na sekundę): ${\ Displaystyle W = U \ Delta V_ {w} = U \ lewo (2V_ {1 }\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Dlatego wydajność ostrza jest dana przez

${\ Displaystyle \ eta _ {b} = {\ Frac {2U (2V_ {1 }\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$

Warunek maksymalnej wydajności ostrza

Porównanie sprawności turbin impulsowych i reakcyjnych

Jeśli ${\ Displaystyle {\ rho} = {\ Frac {U} {V_ {1}}}}$ , to

${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {max}} = { \frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}} }$

Dla maksymalnej wydajności otrzymujemy ${\ Displaystyle {d \ eta _ {b} \ over d \ rho} = 0}$

${\ Displaystyle \ lewo (1- \ rho ^ {2} + 2 \ rho \ cos \ alfa _ {1} \ prawo) \ lewo (4 \ cos \ alfa _ {1} -4 \ rho \ prawo) -2 \rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)=0}$

a to ostatecznie daje ${\ Displaystyle \ rho _ {opt} = {\ Frac {U} {V_ {1}}} = \ cos \ alfa _ {1}}$

Dlatego ${\ Displaystyle {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {max}}}$ znajduje się przez umieszczenie wartości ${\ Displaystyle \ rho = \ cos \ alpha _ { 1}}$ w wyrażeniu wydajności ostrza

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ eta _ {b}} _ {\ tekst {reakcja} }&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{ \text{impuls}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{wyrównane}}}$

Obsługa i konserwacja

Nowoczesna instalacja turbiny parowej

Ze względu na wysokie ciśnienia stosowane w obiegach parowych oraz stosowane materiały, turbiny parowe i ich obudowy mają dużą bezwładność cieplną . Podczas podgrzewania turbiny parowej do użytku główne zawory odcinające parę (za kotłem) mają przewód obejściowy, który umożliwia powolne omijanie zaworu przez przegrzaną parę i kontynuowanie podgrzewania przewodów w systemie wraz z turbiną parową. Również koło zębate jest włączane, gdy nie ma pary, aby powoli obracać turbinę, aby zapewnić równomierne ogrzewanie i zapobiec nierównemu rozszerzaniu . Po uprzednim obróceniu turbiny przez kołowrotek, dając wirnikowi czas na przyjęcie prostej płaszczyzny (bez wyginania), następnie kołowrotek jest odłączany i para jest wpuszczana do turbiny, najpierw na tylne łopaty, a następnie powoli na łopaty przednie obracając turbinę z prędkością 10–15 obr./min (0,17–0,25 Hz), aby powoli rozgrzać turbinę. Procedura rozgrzewania dużych turbin parowych może przekraczać dziesięć godzin.

Podczas normalnej pracy niewyważenie wirnika może prowadzić do drgań, które z powodu dużych prędkości obrotowych mogą doprowadzić do oderwania się łopaty od wirnika i przez obudowę. Aby zmniejszyć to ryzyko, wkłada się znaczne wysiłki w wyważenie turbiny. Ponadto turbiny napędzane są parą wysokiej jakości: przegrzaną (suchą) lub nasyconą para o wysokim udziale suchości. Zapobiega to szybkiemu uderzeniu i erozji ostrzy, która występuje, gdy skroplona woda jest wydmuchiwana na ostrza (przenoszenie wilgoci). Również ciekła woda przedostająca się do łopatek może uszkodzić łożyska oporowe wału turbiny. Aby temu zapobiec, wraz z regulatorami i przegrodami w kotłach zapewniającymi wysoką jakość pary, na przewodach parowych prowadzących do turbiny montowane są odpływy kondensatu.

Wymagania konserwacyjne nowoczesnych turbin parowych są proste i wiążą się z niskimi kosztami (zwykle około 0,005 USD za kWh); ich żywotność często przekracza 50 lat.

Regulacja prędkości

Schemat układu generatora turbiny parowej

Sterowanie turbiną za pomocą regulatora jest niezbędne, ponieważ turbiny muszą być uruchamiane powoli, aby zapobiec uszkodzeniom, a niektóre zastosowania (takie jak wytwarzanie prądu przemiennego) wymagają precyzyjnej kontroli prędkości. Niekontrolowane przyspieszenie wirnika turbiny może doprowadzić do wyłączenia z nadobrotów, co powoduje zamknięcie regulatora i zaworów dławiących, które kontrolują dopływ pary do turbiny. Jeśli te zawory ulegną awarii, turbina może nadal przyspieszać, aż się rozpadnie, często katastrofalnie. Turbiny są drogie w produkcji, wymagają precyzyjnej produkcji i specjalnych materiałów wysokiej jakości.

Podczas normalnej pracy w synchronizacji z siecią elektroenergetyczną, elektrownie sterowane są z pięcioprocentowym spadkiem prędkości obrotowej . Oznacza to, że prędkość pełnego obciążenia wynosi 100%, a prędkość bez obciążenia wynosi 105%. Jest to wymagane do stabilnej pracy sieci bez polowań i przerw w działaniu elektrowni. Zwykle zmiany prędkości są niewielkie. Regulacji mocy wyjściowej dokonuje się poprzez powolne podnoszenie krzywej opadania poprzez zwiększanie nacisku sprężyny na regulator odśrodkowy . Zasadniczo jest to podstawowe wymaganie systemowe dla wszystkich elektrowni, ponieważ starsze i nowsze elektrownie muszą być kompatybilne w odpowiedzi na chwilowe zmiany częstotliwości bez polegania na komunikacji zewnętrznej.

Termodynamika turbin parowych

Diagram Ts przegrzanego cyklu Rankine'a

Turbina parowa działa na podstawie podstawowych zasad termodynamiki, wykorzystując część 3-4 cyklu Rankine'a pokazaną na sąsiednim schemacie. Para przegrzana (lub sucha para nasycona, w zależności od zastosowania) opuszcza kocioł w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Na wejściu do turbiny para uzyskuje energię kinetyczną przechodząc przez dyszę (dysza stała w turbinie impulsowej lub stałe łopatki w turbinie reakcyjnej). Gdy para opuszcza dyszę, porusza się z dużą prędkością w kierunku łopatek wirnika turbiny. Siła jest tworzona na ostrzach z powodu ciśnienia pary na ostrzach, powodując ich ruch. Na wale można umieścić generator lub inne tego typu urządzenie, a energię, która była w parze, można teraz magazynować i wykorzystywać. Para opuszcza turbinę jako nasycona para (lub mieszanina cieczy i oparów w zależności od zastosowania) o niższej temperaturze i ciśnieniu niż wprowadzona i jest przesyłana do skraplacza w celu schłodzenia. Pierwsze prawo pozwala nam znaleźć wzór na szybkość, z jaką rozwija się praca na jednostkę masy. Zakładając, że nie ma wymiany ciepła do otaczającego środowiska i że zmiany energii kinetycznej i potencjalnej są pomijalne w porównaniu ze zmianą entalpii właściwej , dochodzimy do następującego równania

${\ Displaystyle {\ Frac {\ kropka {W}} {\ kropka {m}}} = h_ {3} -h_ {4}}$

Gdzie

• Ẇ to tempo rozwoju pracy w jednostce czasu
• ṁ to natężenie przepływu masowego przez turbinę

Sprawność izentropowa

Aby zmierzyć, jak dobrze działa turbina, możemy spojrzeć na jej sprawność izentropową . Porównuje to rzeczywistą wydajność turbiny z wydajnością, jaką osiągnęłaby idealna turbina izentropowa. Przy obliczaniu tej sprawności zakłada się, że ciepło utracone do otoczenia wynosi zero. Początkowe ciśnienie i temperatura pary są takie same zarówno dla rzeczywistej, jak i idealnej turbiny, ale na wyjściu z turbiny zawartość energii pary („entalpia właściwa”) dla rzeczywistej turbiny jest większa niż dla idealnej turbiny z powodu nieodwracalności w rzeczywistej turbinie . Specyficzna entalpia jest oceniana przy tym samym ciśnieniu pary dla rzeczywistych i idealnych turbin, aby zapewnić dobre porównanie między nimi.

Sprawność izentropową oblicza się, dzieląc pracę rzeczywistą przez pracę idealną.

${\ Displaystyle \ eta _ {t} = {\ Frac {h_ {3} -h_ {4}} {h_ {3} -h_ {4s}}} }$

Gdzie

• h ₃ to entalpia właściwa w stanie trzecim
• h ₄ to entalpia właściwa w stanie 4 dla rzeczywistej turbiny
• h _4s to entalpia właściwa w stanie 4s dla turbiny izentropowej

(ale zauważ, że sąsiedni diagram nie pokazuje stanu 4s: jest pionowo poniżej stanu 3)

Napęd bezpośredni

Turbina parowa o mocy 5 MW z napędem bezpośrednim

Elektrownie wykorzystują duże turbiny parowe napędzające generatory elektryczne do produkcji większości (około 80%) światowej energii elektrycznej. Pojawienie się dużych turbin parowych sprawiło, że wytwarzanie energii elektrycznej na stacji centralnej stało się praktyczne, ponieważ tłokowe silniki parowe o dużej mocy stały się bardzo nieporęczne i działały z małymi prędkościami. Większość stacji centralnych to elektrownie na paliwa kopalne i elektrownie jądrowe ; niektóre instalacje wykorzystują geotermalną lub skoncentrowaną energię słoneczną (CSP), aby wytworzyć parę. Turbiny parowe mogą być również wykorzystywane bezpośrednio do napędzania dużych pomp odśrodkowych , takich jak pompy wody zasilającej w elektrowniach cieplnych .

Turbiny wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej są najczęściej sprzężone bezpośrednio z ich generatorami. Ponieważ generatory muszą obracać się ze stałą prędkością synchroniczną zgodnie z częstotliwością systemu elektroenergetycznego, najczęstsze prędkości to 3000 obr./min dla systemów 50 Hz i 3600 obr./min dla systemów 60 Hz. Ponieważ reaktory jądrowe mają niższe limity temperatur niż elektrownie opalane paliwami kopalnymi, przy niższej jakości pary , turbozespoły mogą być ustawione do pracy z połową tych prędkości, ale z generatorami czterobiegunowymi, aby zmniejszyć erozję łopatek turbiny.

Napęd morski

„Turbine Steam Ship” przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz TS (ujednoznacznienie) .

Zobacz też: Okrętowy silnik parowy

Turbinia , 1894, pierwszy statek napędzany turbiną parową

Turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia dla SS Maui

Turbina Parsonsa z polskiego niszczyciela Wicher z 1928 roku

Na statkach parowych przewagą turbin parowych nad silnikami tłokowymi są mniejsze rozmiary, mniejsze koszty utrzymania, mniejsza waga i mniejsze wibracje. Turbina parowa jest wydajna tylko wtedy, gdy pracuje z tysiącami obrotów na minutę, podczas gdy najbardziej efektywne konstrukcje śmigieł są przeznaczone do prędkości mniejszych niż 300 obr./min; w konsekwencji zwykle wymagane są precyzyjne (a więc drogie) przekładnie redukcyjne, chociaż wiele wczesnych statków podczas I wojny światowej , takich jak Turbinia , miało bezpośredni napęd z turbin parowych na wały napędowe. Inną alternatywą jest przekładnia turboelektryczna , w którym generator elektryczny napędzany przez szybkoobrotową turbinę jest używany do napędzania jednego lub większej liczby wolnoobrotowych silników elektrycznych połączonych z wałami napędowymi; precyzyjne cięcie kół zębatych może być wąskim gardłem produkcji w czasie wojny. Napęd turboelektryczny był najczęściej używany w dużych amerykańskich okrętach wojennych zaprojektowanych podczas I wojny światowej oraz w niektórych szybkich liniowcach, a także w niektórych transportach żołnierzy i eskortach niszczycieli masowej produkcji podczas II wojny światowej .

Wyższy koszt turbin i związanych z nimi przekładni lub zespołów prądotwórczo-silnikowych jest równoważony mniejszymi wymaganiami konserwacyjnymi i mniejszymi rozmiarami turbiny w porównaniu z silnikiem tłokowym o tej samej mocy, chociaż koszty paliwa są wyższe niż w przypadku silnika wysokoprężnego, ponieważ turbiny parowe mają niższą sprawność cieplną. Aby obniżyć koszty paliwa, na przestrzeni lat poprawiano sprawność cieplną obu typów silników.

Wczesny rozwój

Rozwój morskiego napędu turbiny parowej w latach 1894-1935 był zdominowany przez potrzebę pogodzenia wysokiej efektywnej prędkości turbiny z niską efektywną prędkością (poniżej 300 obr./min) śruby napędowej statku przy całkowitym koszcie konkurencyjnym w stosunku do silników tłokowych . W 1894 roku wydajne przekładnie redukujące nie były dostępne dla dużych mocy wymaganych przez statki, więc konieczny był napęd bezpośredni . W Turbinii , który ma bezpośredni napęd na każdy wał napędowy, wydajną prędkość turbiny zmniejszono po wstępnych próbach poprzez skierowanie strumienia pary przez wszystkie trzy turbiny z napędem bezpośrednim (po jednej na każdy wał) szeregowo, prawdopodobnie łącznie około 200 stopni turbin pracujących szeregowo . Ponadto na każdym wale znajdowały się trzy śmigła do pracy z dużymi prędkościami. Wysokie prędkości wałów tamtej epoki są reprezentowane przez jeden z pierwszych amerykańskich niszczycieli napędzanych turbiną , USS Smith , zwodowany w 1909 roku, który miał turbiny z napędem bezpośrednim i którego trzy wały obracały się z prędkością 724 obr./min z prędkością 28,35 węzła (52,50 km/h; 32,62 mph).

Zastosowanie turbin w kilku obudowach odprowadzających ze sobą parę szeregowo stało się standardem w większości późniejszych zastosowań napędu morskiego i jest formą mieszania krzyżowego . Pierwsza turbina była nazywana turbiną wysokiego ciśnienia (HP), ostatnia turbina była turbiną niskiego ciśnienia (LP), a każda turbina pomiędzy była turbiną średniego ciśnienia (IP). Znacznie późniejszą aranżację niż Turbinia można zobaczyć na RMS Queen Mary w Long Beach w Kalifornii , wprowadzony na rynek w 1934 r., w którym każdy wał jest napędzany przez cztery turbiny połączone szeregowo z końcami dwóch wałków wejściowych przekładni z pojedynczą redukcją. Są to turbiny HP, 1 IP, 2 IP i LP.

Maszyny do pływania i przekładnie

Poszukiwanie oszczędności było jeszcze ważniejsze, gdy brano pod uwagę prędkości przelotowe. Prędkość przelotowa to mniej więcej 50% maksymalnej prędkości okrętu wojennego i 20-25% jego maksymalnego poziomu mocy. Byłaby to prędkość używana podczas długich podróży, gdy pożądana jest oszczędność paliwa. Chociaż spowodowało to obniżenie prędkości śmigła do efektywnego zakresu, wydajność turbiny została znacznie zmniejszona, a wczesne statki z turbiną miały słabe zasięgi przelotowe. Rozwiązaniem, które okazało się przydatne przez większość ery napędu turbin parowych, była turbina przelotowa. Była to dodatkowa turbina, aby dodać jeszcze więcej stopni, początkowo przymocowana bezpośrednio do jednego lub więcej wałów, odprowadzana do stopnia w połowie turbiny HP i nie używana przy dużych prędkościach. Ponieważ przekładnie redukujące stały się dostępne około 1911 roku, niektóre statki, zwłaszcza pancernik USS Nevada , miał je na turbinach przelotowych, zachowując główne turbiny z napędem bezpośrednim. Przekładnie redukcyjne umożliwiały pracę turbin w ich efektywnym zakresie przy znacznie większej prędkości niż wał, ale były drogie w produkcji.

Turbiny przelotowe początkowo konkurowały z silnikami tłokowymi o oszczędność paliwa. Przykładem zachowania silników tłokowych na szybkich statkach był słynny RMS Olympic z 1911 r., Który wraz ze swoimi siostrami RMS Titanic i HMHS Britannic miał silniki potrójnego rozprężania na dwóch wałach zewnętrznych, oba odprowadzane do turbiny LP na środkowym wale . Po wprowadzeniu turbin na pancerniki typu Delaware zwodowane w 1909 roku, Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych powróciła do maszyn tłokowych na nowojorskim -class pancerniki z 1912 r., a następnie wróciły do ​​​​turbin na Nevadzie w 1914 r. Utrzymujące się zamiłowanie do maszyn tłokowych wynikało z tego, że Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych nie planowała okrętów kapitałowych przekraczających 21 węzłów (39 km / h; 24 mph) aż do okresu po I wojnie światowej , więc prędkość maksymalna była mniej ważna niż ekonomiczna jazda. Stany Zjednoczone nabyły Filipiny i Hawaje jako terytoria w 1898 roku i brakowało im światowej sieci stacji węglowych brytyjskiej Royal Navy . Tak więc Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych w latach 1900–1940 najbardziej ze wszystkich krajów potrzebowała oszczędności paliwa, zwłaszcza że perspektywa wojny z Japonią pojawiła się po I wojnie światowej. Potrzebę tę potęgował fakt, że Stany Zjednoczone nie wypuszczały żadnych krążowników w latach 1908–1920, więc niszczyciele były wymagane do wykonywania misji dalekiego zasięgu, zwykle przypisywanych krążownikom. Tak więc na amerykańskich niszczycielach zwodowanych w latach 1908–1916 montowano różne rozwiązania przelotowe. Obejmowały one małe silniki tłokowe oraz turbiny przelotowe z przekładnią lub bez przekładni na jednym lub dwóch wałach. Jednak gdy turbiny z pełną przekładnią okazały się ekonomiczne pod względem początkowych kosztów i paliwa, zostały szybko przyjęte, a turbiny przelotowe były również montowane na większości statków. Począwszy od 1915 roku wszystkie nowe niszczyciele Royal Navy miały turbiny z pełnymi przekładniami, a Stany Zjednoczone poszły w ich ślady w 1917 roku.

W Królewskiej Marynarce Wojennej prędkość była priorytetem, dopóki bitwa jutlandzka w połowie 1916 roku nie pokazała, że ​​w pogoni za krążownikami liniowymi poświęcono zbyt dużo pancerza. Brytyjczycy używali wyłącznie okrętów wojennych napędzanych turbinami od 1906 roku. Ponieważ uznali, że duży zasięg przelotowy byłby pożądany, biorąc pod uwagę ich ogólnoświatowe imperium, niektóre okręty wojenne, zwłaszcza pancerniki typu Queen Elizabeth , były wyposażone w turbiny przelotowe od 1912 roku po wcześniejszych instalacjach eksperymentalnych .

W marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych niszczyciele klasy Mahan , zwodowane w latach 1935–36, wprowadziły przekładnię z podwójną redukcją. To dodatkowo zwiększyło prędkość turbiny powyżej prędkości wału, umożliwiając mniejsze turbiny niż przekładnia z pojedynczą redukcją. klasie Wickes z czasów I wojny światowej do 615 psi (4240 kPa) / 850 ° F ( 454 ° C) [przegrzana para] na niektórych niszczycielach klasy Fletcher z okresu II wojny światowej a później statki. Powstała standardowa konfiguracja wysokociśnieniowej turbiny o przepływie osiowym (czasami z dołączoną turbiną przelotową) i niskociśnieniowej turbiny o podwójnym przepływie osiowym, połączonej z przekładnią z podwójną redukcją. Ten układ był kontynuowany przez całą erę pary w marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych i był również używany w niektórych projektach Royal Navy. Maszyny w tej konfiguracji można zobaczyć na wielu zachowanych okrętach wojennych z czasów II wojny światowej w kilku krajach.

Kiedy we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku wznowiono budowę okrętów wojennych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, większość bojowników nawodnych i lotniskowców używała pary wodnej o ciśnieniu 1200 psi (8300 kPa) / 950 ° F (510 ° C). Trwało to do końca ery parowych okrętów wojennych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych z fregatami klasy Knox z wczesnych lat siedemdziesiątych. Okręty desantowe i pomocnicze nadal wykorzystywały parę 600 psi (4100 kPa) po drugiej wojnie światowej, z USS Iwo Jima , zwodowanym w 2001 roku, prawdopodobnie ostatnim niejądrowym statkiem parowym zbudowanym dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

Napęd turboelektryczny

NS 50 Let Pobedy , atomowy lodołamacz z napędem jądrowo-turboelektrycznym

Napęd turboelektryczny został wprowadzony na pancerniku USS New Mexico , zwodowanym w 1917 roku. W ciągu następnych ośmiu lat marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych zwodowała pięć dodatkowych pancerników z napędem turboelektrycznym i dwa lotniskowce (początkowo zamówione jako krążowniki liniowe klasy Lexington ). Zaplanowano dziesięć kolejnych okrętów z napędem turboelektrycznym, ale odwołano je z powodu ograniczeń nałożonych przez Traktat Waszyngtoński .

Chociaż Nowy Meksyk został wyposażony w turbiny z przekładnią zębatą podczas remontu w latach 1931–1933, pozostałe statki turboelektryczne zachowały system przez całą swoją karierę. System ten wykorzystywał dwa duże generatory turbin parowych do napędzania silnika elektrycznego na każdym z czterech wałów. System był początkowo mniej kosztowny niż przekładnie redukcyjne i sprawił, że statki były bardziej zwrotne w porcie, z wałami zdolnymi do szybkiego cofania i dostarczania większej mocy wstecznej niż w przypadku większości systemów z przekładniami.

Niektóre liniowce oceaniczne były również budowane z napędem turboelektrycznym, podobnie jak niektóre transporty żołnierzy i eskorty niszczycieli masowej produkcji podczas II wojny światowej . Jednak kiedy Stany Zjednoczone zaprojektowały „krążowniki traktatowe”, poczynając od USS Pensacola zwodowanego w 1927 r., Zastosowano turbiny z przekładniami w celu zmniejszenia masy i pozostały one w użyciu we wszystkich późniejszych szybkich statkach parowych.

Bieżące użycie

Od lat 80. turbiny parowe są zastępowane turbinami gazowymi na szybkich statkach i silnikami wysokoprężnymi na innych statkach; wyjątkami są statki i łodzie podwodne o napędzie atomowym oraz zbiornikowce LNG . Niektóre statki pomocnicze nadal używają napędu parowego.

W marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych turbina parowa o napędzie konwencjonalnym jest nadal używana na wszystkich okrętach desantowych klasy Wasp z wyjątkiem jednego. Królewska Marynarka Wojenna wycofała ze służby swój ostatni konwencjonalny okręt nawodny o napędzie parowym, dok platformy lądowania klasy Fearless , w 2002 r., a włoska marynarka wojenna w 2006 r. wycofała z eksploatacji swoje ostatnie konwencjonalne okręty nawodne o napędzie parowym, niszczyciele klasy Audace . W 2013 roku francuska marynarka wojenna zakończyła swoją erę parową, likwidując swój ostatni Fregata klasy Tourville . Wśród innych flot błękitnowodnych , rosyjska marynarka wojenna obsługuje obecnie parowe lotniskowce klasy Kuzniecow i niszczyciele klasy Sowremennyj . Indyjska Marynarka Wojenna obsługuje obecnie INS Vikramaditya , zmodyfikowany lotniskowiec klasy Kijów ; obsługuje również trzy fregaty klasy Brahmaputra oddany do użytku na początku 2000 roku. Chińska marynarka wojenna obsługuje obecnie parowe lotniskowce typu Kuzniecow , niszczyciele typu Sovremenny wraz z niszczycielami klasy Luda i samotnym niszczycielem Typ 051B . Większość innych sił morskich albo wycofała się, albo przebudowała swoje okręty wojenne o napędzie parowym. Od 2020 roku meksykańska marynarka wojenna obsługuje cztery byłe amerykańskie fregaty klasy Knox o napędzie parowym . Egipska Marynarka Wojenna i Marynarka Wojenna Republiki Chińskiej obsługuje odpowiednio dwie i sześć byłych amerykańskich fregat klasy Knox . Marynarka Wojenna Ekwadoru obsługuje obecnie dwie fregaty klasy Condell o napędzie parowym (zmodyfikowane fregaty klasy Leander ).

Obecnie sprawność cyklu turbin parowych napędowych nie przekroczyła jeszcze 50%, ale silniki wysokoprężne rutynowo przekraczają 50%, zwłaszcza w zastosowaniach morskich. Elektrownie Diesla mają również niższe koszty operacyjne, ponieważ wymaga mniejszej liczby operatorów. Tak więc konwencjonalna energia parowa jest używana na bardzo niewielu nowych statkach. Wyjątkiem są zbiornikowce LNG , które często uważają, że bardziej ekonomiczne jest stosowanie gazu odparowanego z turbiną parową niż jego ponowne skraplanie.

Statki i łodzie podwodne o napędzie atomowym wykorzystują reaktor jądrowy do wytwarzania pary dla turbin. Energia jądrowa jest często wybierana tam, gdzie olej napędowy byłby niepraktyczny (jak w na łodziach podwodnych ) lub logistyka tankowania stwarza poważne problemy (na przykład lodołamacze ). Oszacowano, że paliwo reaktora dla okrętów podwodnych klasy Vanguard Królewskiej Marynarki Wojennej wystarcza na 40 okrążeń globu – potencjalnie na cały okres eksploatacji statku. Napęd jądrowy zastosowano tylko u nielicznych statków handlowych ze względu na koszty utrzymania i regulacyjne kontrole wymagane w systemach jądrowych i cyklach paliwowych.

lokomotywy

Główny artykuł: Lokomotywa z turbiną parową

Silnik lokomotywy z turbiną parową to lokomotywa parowa napędzana turbiną parową. Pierwsza lokomotywa szynowa z turbiną parową została zbudowana w 1908 roku dla Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi w Mediolanie we Włoszech. W 1924 Krupp zbudował dla Deutsche Reichsbahn lokomotywę parową T18 001, działającą w 1929 roku .

Głównymi zaletami lokomotywy z turbiną parową są lepsze wyważenie obrotowe i zmniejszone uderzenie młota w tor. Jednak wadą jest mniej elastyczna moc wyjściowa, więc lokomotywy turbinowe najlepiej nadawały się do operacji długodystansowych przy stałej mocy wyjściowej.

Testowanie

Brytyjskie, niemieckie, inne krajowe i międzynarodowe kody testowe służą do standaryzacji procedur i definicji używanych do testowania turbin parowych. Wybór stosowanego kodu testowego jest umową między nabywcą a producentem i ma pewne znaczenie dla projektu turbiny i związanych z nią systemów.

W Stanach Zjednoczonych ASME opracowało kilka kodów testów wydajności turbin parowych. Należą do nich ASME PTC 6–2004, Turbiny parowe, ASME PTC 6.2-2011, Turbiny parowe w cyklach kombinowanych , PTC 6S-1988, Procedury rutynowego badania wydajności turbin parowych. Te kody testów wydajności ASME zyskały międzynarodowe uznanie i akceptację do testowania turbin parowych. Najważniejszą i wyróżniającą cechą kodów testów wydajności ASME, w tym PTC 6, jest to, że niepewność pomiaru wskazuje na jakość testu i nie należy jej używać jako tolerancji komercyjnej.

Zobacz też

• Maszyna do wyważania
• Turbina rtęciowa
• Silnik parowy
• Turbina Tesli

Źródła

• Bayar, Tildy (31 lipca 2014). „Globalny rynek turbin gazowych i parowych osiągnie 43,5 mld USD do 2020 r.” . Energetyka międzynarodowa.
• Bhadeshia, HKDH (2003). „Superstopy na bazie niklu” . Uniwersytet Cambridge . Źródło 4 września 2008 .
• Bowie, David (2010). „Turbiny przelotowe marynarki wojennej Y-100” (PDF) .
• Deckers, Matthias (lato 2003). „CFX wspomaga projektowanie najbardziej wydajnej turbiny parowej na świecie” (PDF) . Aktualizacja CFX (23). Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 24 października 2005 r.
• Giampaolo, Tony (2014). Podręcznik turbiny gazowej Zasady i praktyki autorstwa Tony'ego Giampaolo: Podręcznik turbiny gazowej . Projekty cyfrowe.
•   Friedman, Norman (2004). Amerykańskie niszczyciele: ilustrowana historia projektowania . Annapolis: Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-442-5 .
• Hassan, Ahmad Y (1976). Taqi al-Din i arabska inżynieria mechaniczna . Instytut Historii Nauki Arabskiej Uniwersytetu w Aleppo .
•    Keyser, Paweł (1992). „Nowe spojrzenie na silnik parowy Herona” . Archiwum Historii Nauk Ścisłych . 44 (2): 107–124. doi : 10.1007/BF00374742 . ISSN 0003-9519 . S2CID 122957344 .
•   Latief, Fahamsyah H; Kakehi, Koji (2013). „Wpływ zawartości Re i orientacji krystalograficznej na zachowanie się pełzania aluminizowanych monokrystalicznych nadstopów na bazie niklu”. Materiały i projektowanie . 49 : 485–492. doi : 10.1016/j.matdes.2013.01.022 . ISSN 0261-3069 .
• Leyzerovich, Alexander S (1 sierpnia 2002). „Nowe wzorce wydajności turbiny parowej” . Energetyka . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 18 września 2009 r . . Źródło 12 września 2010 r .
•   Lejzerowicz, Aleksander (2005). Turbiny parowe mokre dla elektrowni jądrowych . Książki Penn Wella. ISBN 978-1-59370-032-4 .
•   Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N; Boettner, Daisie D; Bailey, Małgorzata B (2010). Podstawy termodynamiki inżynierskiej . John Wiley & Synowie. ISBN 978-0-470-49590-2 .
•   Nag, PK (2002). Inżynieria elektrowni . Edukacja Taty McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-043599-5 .
• Parsons, Karol A (1911). Turbina parowa   . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge.
• O'Connor, JJ; Robertson, EF (1999). „Czapla z Aleksandrii” . Historia matematyki MacTutor .
•   Sanders, William P. (2004). Ścieżka pary turbiny: projektowanie mechaniczne i produkcja . Tom. III a. Penn Well. ISBN 9781628702989 .
•   Stodoła, A (2013) [1924]. Dampf- und Gasturbinen. Mit einem Anhang über die Aussichten der Wärmekraftmaschinen [ Turbiny parowe i gazowe: z dodatkiem dotyczącym potencjalnego zastosowania jako silniki cieplne ] (w języku niemieckim) (dodatek do wyd. 5). Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-50854-7 .
• Stodoła, Aurel (1927). Turbiny parowe i gazowe: z dodatkiem dotyczącym perspektyw termicznego źródła napędu . McGraw-Hill.
• Stodoła, Aurel ; Loewenstein, Louis Centennial (1945). Turbiny parowe i gazowe: z dodatkiem Perspektywy termicznego źródła napędu . P. Smith.
• Streeter, Tony (2007). „Testowanie limitu”. Magazyn kolei parowej (336).
•   Tamaryna, Y. (2002). Powłoki ochronne na łopatki turbin . ASM International. ISBN 978-1-61503-070-5 .
•   Whitaker, Jerry C (2006). Podręcznik systemów zasilania prądem zmiennym (wydanie trzecie). Taylora i Franciszka. ISBN 978-0-8493-4034-5 .

Dalsza lektura

• Bawełna, KC (1998). Ocena i poprawa wydajności turbiny parowej . Bawełniany fakt.
•   Johnston, Ian (2019). „Powstanie turbiny Browna-Curtisa”. W Jordanii, John (red.). Okręt wojenny 2019 . Oksford: Wydawnictwo Osprey. s. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6 .
• Thurston, PR (1878). Historia rozwoju silnika parowego . Nowy Jork: D Appleton and Co.
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (w języku niemieckim). Springer Verlag : Berlin, Heidelberg, Nowy Jork.
•    Waliullah, Noushad (2017). „Przegląd technologii skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) i jej możliwości w Bangladeszu”. 2017 Międzynarodowa konferencja na temat inżynierii elektrycznej, komputerowej i komunikacyjnej (ECCE) . CUET. s. 844–849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020 . ISBN 978-1-5090-5627-9 . S2CID 42153522 .

Linki zewnętrzne

• Turbiny parowe: książka z instrukcjami dotyczącymi regulacji i obsługi głównych typów tej klasy głównych napędów autorstwa Huberta E. Collinsa
• Budowa turbiny parowej w Mike's Engineering Wonders
• Samouczek: „Para przegrzana”
• Zjawisko przepływu we wnękach dysku-stojana turbiny parowej kierowanych przez otwory równoważące
• Przewodnik po teście turbiny parowej De Lavala o mocy 100 KW ze wstępem do zasad projektowania około 1920 r
• Extreme Steam - Niezwykłe wariacje na temat lokomotywy parowej
• Interaktywna symulacja turbiny parowej o mocy 350 MW z kotłem opracowana przez The University of Queensland w Brisbane w Australii
• „Super-Steam… Niesamowita historia osiągnięć” Popularna mechanika , sierpień 1937