Паровая турбина

Машина, использующая пар для вращения вала.

Паровая турбина или паротурбинный двигатель — это машина или тепловой двигатель , который извлекает тепловую энергию из сжатого пара и использует ее для выполнения механической работы на вращающемся выходном валу. Его современное воплощение было изобретено Чарльзом Парсонсом в 1884 году. ^{[1] [2]} Изготовление современной паровой турбины включает в себя передовую металлообработку для формирования высококачественных стальных сплавов в прецизионные детали с использованием технологий, которые впервые стали доступны в 20 веке; постоянный прогресс в долговечности и эффективности паровых турбин остается центральным для энергетической экономики 21 века.

Паровая турбина — это разновидность теплового двигателя , термодинамическая эффективность которого во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приближает его к идеальному обратимому процессу расширения.

Поскольку турбина генерирует вращательное движение , ее можно соединить с генератором, чтобы преобразовать его движение в электричество. Такие турбогенераторы являются ядром тепловых электростанций , которые могут работать на ископаемом топливе , ядерном топливе , геотермальной или солнечной энергии . Около 42% всей электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах в 2022 году, было произведено с помощью паровых турбин. ^[3]

Технические проблемы включают в себя дисбаланс ротора , вибрацию , износ подшипников и неравномерное расширение (различные формы теплового удара ). В крупных установках даже самая прочная турбина расшатается, если будет работать не в равновесии.

История

Промышленная паровая турбина мощностью 250 кВт, 1910 год (справа), напрямую соединенная с генератором (слева)

Первое устройство, которое можно классифицировать как реактивную паровую турбину, было не более чем игрушкой, классическим Aeolipile , описанным в I веке Героном Александрийским в Римском Египте . ^{[4] [5]} В 1551 году Таки ад-Дин в Османском Египте описал паровую турбину с практическим применением вращения вертела . Паровые турбины также были описаны итальянцем Джованни Бранка (1629) ^[6] и Джоном Уилкинсом в Англии (1648). ^{[7] [8]} Устройства, описанные Таки ад-Дином и Уилкинсом, сегодня известны как паровые домкраты . В 1672 году Фердинанд Вербист спроектировал небольшую игрушечную машинку с импульсным турбинным приводом . Более современная версия этой машинки была произведена в конце XVIII века неизвестным немецким механиком. В 1775 году в Сохо Джеймс Уатт спроектировал реактивную турбину, которая была там запущена в работу. ^[9] В 1807 году Поликарп Залесов спроектировал и построил импульсную турбину, использовав ее для работы пожарного насоса. ^[10] В 1827 году французы Реаль и Пишон запатентовали и построили составную импульсную турбину. ^[11]

Первый паротурбинный корабль «Турбиния» : самый быстрый в мире на тот момент

Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году Чарльзом Парсонсом , чья первая модель была подключена к динамо-машине , которая вырабатывала 7,5 киловатт (10,1 л. с.) электроэнергии. ^[12] Изобретение паровой турбины Парсонса сделало возможным дешевое и обильное электричество и произвело революцию в морском транспорте и военно-морской войне. ^[13] Конструкция Парсонса была реактивного типа. Его патент был лицензирован, и турбина вскоре была масштабирована американцем Джорджем Вестингаузом . Турбина Парсонса также оказалась простой в масштабировании. Парсонс был удовлетворен тем, что его изобретение было принято на всех крупных мировых электростанциях, а размер генераторов увеличился с его первой установки в 7,5 киловатт (10,1 л. с.) до единиц мощностью 50 000 киловатт (67 000 л. с.). За время жизни Парсонса генерирующая мощность агрегата была увеличена примерно в 10 000 раз ^[14] , а общая выработка турбогенераторов, построенных его фирмой CA Parsons and Company и их лицензиатами, только для наземных целей превысила тридцать миллионов лошадиных сил. ^[12]

Были разработаны и другие варианты турбин, которые эффективно работают с паром. Турбина де Лаваля (изобретенная Густавом де Лавалем ) разгоняла пар до полной скорости, прежде чем направить его на лопатку турбины. Импульсная турбина де Лаваля проще и дешевле и не требует защиты от давления. Она может работать при любом давлении пара, но значительно менее эффективна. ^{[ необходима цитата ]} Огюст Рато разработал импульсную турбину с комбинированным давлением, используя принцип де Лаваля, еще в 1896 году, ^[15] получил патент США в 1903 году и применил турбину на французском торпедном катере в 1904 году. Он преподавал в Школе горного дела в Сент-Этьене в течение десятилетия до 1897 года, а затем основал успешную компанию, которая после его смерти вошла в состав фирмы Alstom . Одним из основоположников современной теории паровых и газовых турбин был Аурел Стодола , словацкий физик и инженер, профессор Швейцарского политехнического института (ныне ETH ) в Цюрихе. Его работа Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (англ. «Паровая турбина и ее перспективное использование в качестве теплового двигателя») была опубликована в Берлине в 1903 году. Еще одна книга Dampf und Gas-Turbinen (англ. «Паровые и газовые турбины») была опубликована в 1922 году. ^[16]

Турбина Брауна-Кертиса , импульсного типа, которая изначально была разработана и запатентована американской компанией International Curtis Marine Turbine Company, была разработана в 1900-х годах совместно с John Brown & Company . Она использовалась на торговых судах и военных кораблях с двигателями Джона Брауна, включая лайнеры и военные корабли Королевского флота.

Производство

Паровая турбина без верхней крышки

Современная отрасль производства паровых турбин состоит из следующих компаний:

• WEG (Бразилия)
• Harbin Electric , Shanghai Electric , Dongfang Electric (Китай)
• Doosan Škoda Power (Чехия - Южная Корея)
• Альстом (Франция)
• Siemens , BTT-Bremer Turbinentechnik GmbH, K&K Turboservice GmbH (Германия)
• BHEL , Larsen & Toubro , Triveni Engineering & Industries (Индия)
• МАПНА (Иран)
• Ансальдо (Италия)
• Mitsubishi , KwHI , Toshiba , IHI (Япония)
• Силмаш , Уральский ТВЗ , Невский турбинный завод (Невский НТЗ)  [ru] , КТЗ , Энергомаш -Атомэнерго, Силовые машины , Ленинградский Металлический завод (Россия)
• Турбоатом (Украина)
• ЭДФ (Франция)
• Curtiss-Wright , Elliot Company , GE Vernova , Skinner Power Systems, Baker Hughes , Leonardo DRS , Chart Industries (США)
• Trillium Flow Technologies (Великобритания)

^{[17] [ нужно обновление ]}

Типы

Паровые турбины производятся в различных размерах, от небольших <0,75 кВт (<1 л.с.) единиц (редко), используемых в качестве механических приводов для насосов, компрессоров и другого оборудования с приводом от вала, до турбин мощностью 1500 МВт (2 000 000 л.с.), используемых для выработки электроэнергии. Существует несколько классификаций современных паровых турбин.

Конструкция лезвия и сцены

Принципиальная схема, иллюстрирующая разницу между импульсной и 50% реактивной турбиной

Лопатки турбины бывают двух основных типов: лопатки и сопла . Лопатки движутся исключительно за счет воздействия на них пара, а их профили не сходятся. Это приводит к падению скорости пара и, по сути, к отсутствию падения давления при прохождении пара через лопатки. Турбина, состоящая из лопаток, чередующихся с фиксированными соплами, называется импульсной турбиной,Турбина Кертиса , турбина Рато или турбина Брауна-Кертиса. Сопла выглядят как лопатки, но их профили сходятся около выхода. Это приводит к падению давления пара и увеличению скорости по мере того, как пар проходит через сопла. Сопла движутся как из-за воздействия на них пара, так и из-за реакции из-за высокоскоростного пара на выходе. Турбина, состоящая из подвижных сопел, чередующихся с неподвижными соплами, называется реактивной турбиной или турбиной Парсонса .

За исключением маломощных применений, лопатки турбины расположены в несколько ступеней последовательно, что называется компаундированием , что значительно повышает эффективность на низких скоростях. ^[18] Ступень реакции представляет собой ряд неподвижных сопел, за которым следует ряд подвижных сопел. Несколько ступеней реакции делят перепад давления между входом пара и выхлопом на множество мелких капель, в результате чего получается турбина с компаундированием давления . Импульсные ступени могут быть либо с компаундированием давления, либо с компаундированием скорости, либо с компаундированием давления и скорости. Импульсная ступень с компаундированием давления представляет собой ряд неподвижных сопел, за которыми следует ряд подвижных лопаток, с несколькими ступенями для компаундирования. Это также известно как турбина Рато, в честь ее изобретателя. Импульсная ступень с компаундированием скорости (изобретенная Кертисом и также называемая «колесом Кертиса») представляет собой ряд неподвижных сопел, за которыми следуют два или более рядов подвижных лопаток, чередующихся с рядами неподвижных лопаток. Это делит перепад скорости на ступени на несколько более мелких капель. ^[19] Серия импульсных ступеней с усложнением скорости называется турбиной с усложнением давления и скорости .

Схема морской паровой турбины AEG, около 1905 г.

К 1905 году, когда паровые турбины начали использоваться на быстроходных судах (таких как HMS  Dreadnought ) и в наземных энергетических установках, было определено, что желательно использовать одно или несколько колес Кертиса в начале многоступенчатой ​​турбины (где давление пара самое высокое), за которыми следовали бы стадии реакции. Это было более эффективно с паром высокого давления из-за уменьшения утечки между ротором турбины и корпусом. ^[20] Это проиллюстрировано на чертеже немецкой морской паровой турбины AEG 1905 года . Пар из котлов поступает справа под высоким давлением через дроссель , управляемый вручную оператором (в данном случае моряком, известным как дроссельщик). Он проходит через пять колес Кертиса и многочисленные стадии реакции (маленькие лопатки по краям двух больших роторов в середине), прежде чем выйти под низким давлением, почти наверняка в конденсатор . Конденсатор обеспечивает вакуум, который максимизирует энергию, извлекаемую из пара, и конденсирует пар в питательную воду для возврата в котлы. Слева находятся несколько дополнительных ступеней реакции (на двух больших роторах), которые вращают турбину в обратном направлении для работы на заднем ходу, с паром, поступающим через отдельный дроссель. Поскольку корабли редко работают в обратном направлении, эффективность не является приоритетом в турбинах заднего хода, поэтому для экономии средств используются только несколько ступеней.

Проблемы проектирования лезвий

Основной проблемой, стоящей перед проектированием турбин, было снижение ползучести , испытываемой лопатками. Из-за высоких температур и высоких напряжений работы материалы паровой турбины повреждаются этими механизмами. По мере повышения температуры в целях повышения эффективности турбины ползучесть становится значительной. Для ограничения ползучести в конструкциях лопаток используются термические покрытия и суперсплавы с упрочнением твердого раствора и упрочнением границ зерен .

Защитные покрытия используются для уменьшения термического повреждения и ограничения окисления . Эти покрытия часто представляют собой стабилизированную керамику на основе диоксида циркония . Использование термического защитного покрытия ограничивает температурное воздействие никелевого суперсплава. Это уменьшает механизмы ползучести, возникающие в лезвии. Окислительные покрытия ограничивают потери эффективности, вызванные накоплением на внешней стороне лезвий, что особенно важно в высокотемпературной среде. ^[21]

Лезвия на основе никеля легированы алюминием и титаном для повышения прочности и сопротивления ползучести. Микроструктура этих сплавов состоит из различных областей состава. Равномерная дисперсия гамма-прим фазы – комбинации никеля, алюминия и титана – способствует прочности и сопротивлению ползучести лезвия благодаря микроструктуре. ^[22]

Тугоплавкие элементы, такие как рений и рутений, могут быть добавлены в сплав для улучшения предела ползучести. Добавление этих элементов уменьшает диффузию гамма-прим фазы, тем самым сохраняя усталостную прочность, прочность и сопротивление ползучести. ^[23]

Условия подачи и отвода пара

Паровая турбина низкого давления на атомной электростанции. Эти турбины выпускают пар под давлением ниже атмосферного.

Типы турбин включают конденсационные, неконденсационные, с промежуточным подогревом, отборные и индукционные.

Конденсационные турбины

Конденсационные турбины чаще всего встречаются на электростанциях. Эти турбины получают пар из котла и выпускают его в конденсатор . Выпущенный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного и находится в частично конденсированном состоянии, обычно с качеством около 90%.

Неконденсационные турбины

Неконденсационные турбины наиболее широко используются для технологических паровых установок, в которых пар будет использоваться для дополнительных целей после выпуска из турбины. Давление выхлопа регулируется регулирующим клапаном в соответствии с потребностями давления технологического пара. Они обычно встречаются на нефтеперерабатывающих заводах, в районных тепловых пунктах, на целлюлозно-бумажных заводах и опреснительных установках, где требуются большие объемы технологического пара низкого давления.

Турбины подогрева

Турбины с промежуточным перегревом также используются почти исключительно на электростанциях. В турбине с промежуточным перегревом поток пара выходит из секции высокого давления турбины и возвращается в котел, где добавляется дополнительный перегрев. Затем пар возвращается в секцию промежуточного давления турбины и продолжает свое расширение. Использование промежуточного перегрева в цикле увеличивает выходную мощность турбины, а также расширение достигает завершения до того, как пар конденсируется, тем самым минимизируя эрозию лопаток в последних рядах. В большинстве случаев максимальное количество промежуточных перегревов, используемых в цикле, составляет 2, поскольку стоимость перегрева пара сводит на нет увеличение выходной мощности турбины.

Извлечение турбин

Турбины экстракционного типа распространены во всех применениях. В турбине экстракционного типа пар выпускается из различных ступеней турбины и используется для нужд промышленного процесса или направляется в подогреватели питательной воды котла для повышения общей эффективности цикла. Потоки экстракции могут контролироваться клапаном или оставаться неконтролируемыми. Извлеченный пар приводит к потере мощности на ступенях ниже по потоку турбины.

Индукционные турбины подают пар низкого давления на промежуточной ступени для выработки дополнительной мощности.

Корпус или вал

Эти компоновки включают однокорпусные, тандемные и перекрестно-компонованные турбины. Однокорпусные агрегаты являются самым базовым стилем, где один корпус и вал соединены с генератором. Тандемные компаунды используются, когда два или более корпусов напрямую соединены вместе для привода одного генератора. Компоновка перекрестно-компонованной турбины включает два или более вала, не находящихся на одной линии, приводящих в движение два или более генераторов, которые часто работают на разных скоростях. Перекрестно-компонованная турбина обычно используется для многих крупных применений. Ниже проиллюстрирована типичная военно-морская установка 1930-х - 1960-х годов; на ней показаны турбины высокого и низкого давления, приводящие в движение общий редуктор, с зубчатой ​​крейсерской турбиной на одной турбине высокого давления.

Расположение паротурбинных установок правого борта японских крейсеров классов «Фурутака » и «Аоба»

Двухпоточные роторы

Двухпоточный ротор турбины. Пар входит в середину вала и выходит с каждого конца, уравновешивая осевое усилие.

Движущийся пар оказывает как тангенциальное, так и осевое давление на вал турбины, но осевое давление в простой турбине не встречает сопротивления. Для поддержания правильного положения ротора и балансировки эта сила должна быть уравновешена противодействующей силой. Упорные подшипники могут использоваться для подшипников вала, ротор может использовать фиктивные поршни, он может быть двухпоточным — пар входит в середину вала и выходит с обоих концов, или комбинацией любого из них. В двухпоточном роторе лопатки в каждой половине обращены в противоположные стороны, так что осевые силы нейтрализуют друг друга, но тангенциальные силы действуют вместе. Такая конструкция ротора также называется двухпоточной , двухосевой или двухвыхлопной . Такая компоновка распространена в корпусах низкого давления составной турбины. ^[24]

Принцип действия и конструкция

Идеальной паровой турбиной считается изоэнтропический процесс , или процесс с постоянной энтропией, в котором энтропия пара, поступающего в турбину, равна энтропии пара, выходящего из турбины. Однако ни одна паровая турбина не является по-настоящему изоэнтропической, с типичными изоэнтропическими КПД в диапазоне от 20 до 90% в зависимости от применения турбины. Внутренняя часть турбины состоит из нескольких наборов лопаток или лопаток . Один набор неподвижных лопаток соединен с корпусом, а один набор вращающихся лопаток соединен с валом. Наборы взаимодействуют с определенными минимальными зазорами, при этом размер и конфигурация наборов варьируются для эффективного использования расширения пара на каждой ступени.

Импульсные турбины

Выбор лопаток импульсной турбины

Импульсная турбина имеет фиксированные сопла, которые направляют поток пара в высокоскоростные струи. Эти струи содержат значительную кинетическую энергию, которая преобразуется во вращение вала лопатками ротора в форме ковша, когда струя пара меняет направление. Падение давления происходит только на неподвижных лопатках, с чистым увеличением скорости пара на ступени. Когда пар проходит через сопло, его давление падает от входного давления до выходного давления (атмосферного давления или, чаще, вакуума конденсатора). Из-за этого высокого коэффициента расширения пара пар покидает сопло с очень высокой скоростью. Пар, покидающий подвижные лопатки, имеет большую часть максимальной скорости пара при выходе из сопла. Потеря энергии из-за этой более высокой скорости на выходе обычно называется скоростью переноса или потерей на выходе.

Закон момента количества движения гласит, что сумма моментов внешних сил, действующих на жидкость, временно занимающую контрольный объем , равна чистому изменению во времени потока момента импульса через контрольный объем.

Завихряющаяся жидкость поступает в контрольный объем по радиусу с тангенциальной скоростью и выходит по радиусу с тангенциальной скоростью . ${\displaystyle r_{1}}$ ${\displaystyle V_{w1}}$ ${\displaystyle r_{2}}$ ${\displaystyle V_{w2}}$

Треугольник скоростей

Треугольник скоростей прокладывает путь к лучшему пониманию взаимосвязи между различными скоростями. На соседнем рисунке мы имеем:

${\displaystyle V_{1}}$и — абсолютные скорости на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{2}}$

${\displaystyle V_{f1}}$и — скорости потока на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{f2}}$

${\displaystyle V_{w1}}$и — скорости завихрения на входе и выходе соответственно в движущейся системе отсчета. ${\displaystyle V_{w2}}$

${\displaystyle V_{r1}}$и — относительные скорости на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle V_{r2}}$

${\displaystyle U}$это скорость лезвия.

${\displaystyle \alpha }$- угол наклона направляющей лопатки, - угол наклона лопасти. ${\displaystyle \beta }$

Тогда по закону момента количества движения крутящий момент, действующий на жидкость, определяется по формуле:

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

Для импульсной паровой турбины: . Следовательно, тангенциальная сила на лопатках равна . Работа, совершаемая в единицу времени, или развиваемая мощность: . ${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$ ${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$ ${\displaystyle W=T\omega }$

Если ω — угловая скорость турбины, то скорость вращения лопасти равна . Развиваемая мощность тогда равна . ${\displaystyle U=\omega r}$ ${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$

Эффективность лезвия

Эффективность лопасти ( ) можно определить как отношение работы, выполненной на лопастях, к кинетической энергии, переданной жидкости, и вычисляется по формуле ${\displaystyle {\eta _{b}}}$

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {\mathrm {Work~Done} }{\mathrm {Kinetic~Energy~Supplied} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}}$

Эффективность этапа

Конвергентно-дивергентное сопло

График, показывающий эффективность импульсной турбины

Ступень импульсной турбины состоит из соплового аппарата и движущегося колеса. Эффективность ступени определяет соотношение между падением энтальпии в сопле и работой, совершаемой в ступени. Где - удельное падение энтальпии пара в сопле. $${\displaystyle {\eta _{\mathrm {stage} }}={\frac {\mathrm {Work~done~on~blade} }{\mathrm {Energy~supplied~per~stage} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$$ ${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$

По первому закону термодинамики : Предполагая, что значительно меньше , получаем . Кроме того, эффективность ступени является произведением эффективности лопатки и эффективности сопла, или . $${\displaystyle h_{1}+{\frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$$ ${\displaystyle V_{1}}$ ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$ ${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$

Эффективность сопла определяется по формуле , где энтальпия (в Дж/кг) пара на входе в сопло равна , а энтальпия пара на выходе из сопла равна . Отношение косинусов углов лопаток на выходе и входе можно принять и обозначить . Отношение скоростей пара относительно скорости ротора на выходе к входу лопатки определяется коэффициентом трения . ${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$ ${\displaystyle h_{1}}$ ${\displaystyle h_{2}}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$ ${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$

${\displaystyle k<1}$и отображает потерю относительной скорости из-за трения при обтекании паром лопастей ( для гладких лопастей). ${\displaystyle k=1}$ $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$$

Отношение скорости вращения лопаток к абсолютной скорости пара на входе называется отношением скорости вращения лопаток . ${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle \eta _{b}}$максимальна, когда или, . Это подразумевает и, следовательно , . Теперь (для одноступенчатой ​​импульсной турбины). ${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$ ${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$ ${\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$ ${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$ ${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$

Таким образом, максимальное значение КПД ступени получается путем подстановки значения в выражение . ${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$ ${\displaystyle \eta _{b}}$

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

Для равноугольных лопастей, , следовательно , и получаем . Если пренебречь трением о поверхность лопасти, то . ${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$ ${\displaystyle c=1}$ ${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$ ${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

Выводы по максимальной эффективности

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

1. При заданной скорости пара работа, совершаемая на кг пара, будет максимальной, когда или . ${\displaystyle \cos ^{2}\alpha _{1}=1}$ ${\displaystyle \alpha _{1}=0}$
2. По мере увеличения уменьшается работа, совершаемая на лопастях, но одновременно уменьшается и площадь поверхности лопасти, поэтому уменьшаются потери на трение. ${\displaystyle \alpha _{1}}$

Реактивные турбины

В реактивной турбине сами лопатки ротора расположены так, чтобы образовывать сходящиеся сопла . Этот тип турбины использует силу реакции, возникающую при ускорении пара через сопла, образованные статором. Пар направляется на ротор неподвижными лопатками статора . Он покидает статор в виде струи , которая заполняет всю окружность ротора. Затем пар меняет направление и увеличивает свою скорость относительно скорости лопаток. Падение давления происходит как на статоре, так и на роторе, при этом пар ускоряется через статор и замедляется через ротор, без чистого изменения скорости пара через ступень, но с уменьшением как давления, так и температуры, что отражает работу, выполненную при приведении в движение ротора.

Эффективность лезвия

Энергоподвод к лопаткам в ступени:

${\displaystyle E=\Delta h}$равна кинетической энергии, подводимой к неподвижным лопастям (f) + кинетической энергии, подводимой к подвижным лопастям (m).

Или, = падение энтальпии на неподвижных лопатках, + падение энтальпии на подвижных лопатках, . ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \Delta h_{f}}$ ${\displaystyle \Delta h_{m}}$

Эффект расширения пара над движущимися лопатками заключается в увеличении относительной скорости на выходе. Поэтому относительная скорость на выходе всегда больше относительной скорости на входе . ${\displaystyle V_{r2}}$ ${\displaystyle V_{r1}}$

С точки зрения скоростей, падение энтальпии на движущихся лопатках определяется по формуле: (оно способствует изменению статического давления) $${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$$

Диаграмма скорости

Падение энтальпии в неподвижных лопатках, при условии, что скорость пара, поступающего в неподвижные лопатки, равна скорости пара, выходящего из ранее движущихся лопаток, определяется по формуле: где V ₀ — скорость пара на входе в сопло. $${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$$

${\displaystyle V_{0}}$очень мала и поэтому ею можно пренебречь. Поэтому, ${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$$Очень широко используемая конструкция имеет половину степени реакции или 50% реакции и известна как турбина Парсона . Она состоит из симметричных роторных и статорных лопаток. Для этой турбины треугольник скоростей аналогичен и мы имеем: , , $${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$$ ${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$ $${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$$ ${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

Предполагая турбину Парсона и получая все выражения, получаем Из треугольника входной скорости имеем Выполненная работа (для единичного массового расхода в секунду): $${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$$ ${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Таким образом, эффективность лопасти определяется по формуле $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$$

Условие максимальной эффективности лопасти

Сравнение эффективности импульсных и реактивных турбин

Если , то ${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}}}}$

Для максимальной эффективности получаем ${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$

${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }={\frac {\left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2\rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)}{(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1})^{2}}}=0}$

и это наконец дает ${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

Таким образом, находится путем подстановки значения в выражение эффективности лопасти ${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$ ${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}}}$

Эксплуатация и обслуживание

Современная установка паротурбинного генератора

Паровые турбины и их корпуса имеют высокую тепловую инерцию из-за высоких давлений, используемых в паровых контурах, и используемых материалов. При прогреве установки для использования главные паровые запорные клапаны (после котла) имеют обводную линию, позволяющую перегретому пару медленно обходить клапан и продолжать нагревать линии в системе вместе с паровой турбиной. Кроме того, когда пара нет, включается поворотный механизм для медленного вращения турбины, чтобы обеспечить равномерный нагрев и предотвратить неравномерное расширение . После первого вращения турбины поворотным механизмом, давая время ротору принять прямую плоскость (без прогиба), затем поворотный механизм отключается, и пар поступает в турбину, сначала в задние лопатки, затем в передние лопатки, медленно вращая турбину со скоростью 10–15 об/мин (0,17–0,25 Гц) для медленного прогрева турбины. Процедура прогрева для больших паровых турбин может превышать десять часов. ^[25]

При нормальной работе дисбаланс ротора может привести к вибрации, которая из-за высоких скоростей вращения может привести к отрыву лопатки от ротора и прохождению через корпус. Для снижения этого риска прилагаются значительные усилия по балансировке турбины. Кроме того, турбины работают на высококачественном паре: либо перегретом (сухом) паре , либо насыщенном паре с высокой долей сухости. Это предотвращает быстрое столкновение и эрозию лопаток, которые происходят при попадании конденсированной воды на лопатки (перенос влаги). Кроме того, жидкая вода, попадающая на лопатки, может повредить упорные подшипники вала турбины. Для предотвращения этого, наряду с органами управления и перегородками в котлах для обеспечения высококачественного пара, в паропроводе, ведущем к турбине, установлены конденсатоотводчики.

Требования к техническому обслуживанию современных паровых турбин просты и требуют небольших затрат (обычно около 0,005 долл. США за кВт·ч); ^[25] их срок службы часто превышает 50 лет. Турбины также используют высококачественный пар, такой как перегретый (сухой) пар или насыщенный пар с высокой степенью сухости.

Регулирование скорости

Схема системы паротурбинного генератора

Управление турбиной с помощью регулятора имеет важное значение, поскольку турбины должны запускаться медленно, чтобы предотвратить повреждение, а некоторые приложения (например, генерация электроэнергии переменного тока) требуют точного управления скоростью. ^[26] Неконтролируемое ускорение ротора турбины может привести к отключению по превышению скорости, что приведет к закрытию регулятора и дроссельных клапанов, которые управляют потоком пара в турбину. Если эти клапаны выйдут из строя, турбина может продолжать ускоряться, пока не развалится, часто катастрофически. Турбины дороги в производстве, требуют точного изготовления и материалов особого качества.

Во время нормальной работы в синхронизации с электрической сетью электростанции управляются с пятипроцентным контролем скорости падения . Это означает, что скорость полной нагрузки составляет 100%, а скорость холостого хода — 105%. Это необходимо для стабильной работы сети без рывков и отключений электростанций. Обычно изменения скорости незначительны. Регулировка выходной мощности осуществляется путем медленного повышения кривой падения путем увеличения давления пружины на центробежном регуляторе . Как правило, это основное системное требование для всех электростанций, поскольку старые и новые станции должны быть совместимы в ответ на мгновенные изменения частоты без зависимости от внешней связи. ^[27]

Термодинамика паровых турбин

Ts диаграмма перегретого цикла Ренкина

Паровая турбина работает на основе основных принципов термодинамики, используя часть 3-4 цикла Ренкина , показанную на прилагаемой диаграмме. Перегретый пар (или сухой насыщенный пар, в зависимости от применения) покидает котел при высокой температуре и высоком давлении. На входе в турбину пар приобретает кинетическую энергию, проходя через сопло (неподвижное сопло в турбине импульсного типа или неподвижные лопатки в турбине реактивного типа). Когда пар покидает сопло, он движется с высокой скоростью по направлению к лопаткам ротора турбины. На лопатках создается сила из-за давления пара на лопатках, заставляющего их двигаться. На валу можно разместить генератор или другое подобное устройство, и энергия, которая была в паре, теперь может быть сохранена и использована. Пар покидает турбину в виде насыщенного пара (или смеси жидкости и пара в зависимости от применения) при более низкой температуре и давлении, чем он вошел, и отправляется в конденсатор для охлаждения. ^[28] Первый закон позволяет нам найти формулу для скорости, с которой работа вырабатывается на единицу массы. Предполагая, что нет передачи тепла в окружающую среду и что изменения кинетической и потенциальной энергии пренебрежимо малы по сравнению с изменением удельной энтальпии, приходим к следующему уравнению:

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

где

• Ẇ — это скорость, с которой работа совершается за единицу времени
• ṁ — скорость массового расхода через турбину

Изоэнтропическая эффективность

Чтобы измерить, насколько хорошо работает турбина, мы можем посмотреть на ее изоэнтропическую эффективность. Это сравнивает фактическую производительность турбины с производительностью, которая была бы достигнута идеальной, изоэнтропической турбиной. ^[29] При расчете этой эффективности тепловые потери в окружающую среду предполагаются равными нулю. Начальное давление и температура пара одинаковы как для фактической, так и для идеальной турбины, но на выходе из турбины энергосодержание пара («удельная энтальпия») для фактической турбины больше, чем для идеальной турбины из-за необратимости в фактической турбине. Удельная энтальпия оценивается при одинаковом давлении пара для фактической и идеальной турбины, чтобы дать хорошее сравнение между ними.

Изоэнтропическая эффективность находится путем деления фактической работы на идеальную работу. ^[29] $${\displaystyle \eta _{t}={\frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}}$$

где

• h ₃ — удельная энтальпия в состоянии три
• h ₄ — удельная энтальпия в состоянии 4 для реальной турбины
• h _4s — удельная энтальпия в состоянии 4s для изоэнтропической турбины

(но обратите внимание, что на соседней диаграмме не показано состояние 4s: оно находится вертикально под состоянием 3)

Прямой привод

Паровая турбина с прямым приводом мощностью 5 МВт

Электростанции используют большие паровые турбины, приводящие в действие электрогенераторы , для производства большей части (около 80%) электроэнергии в мире. Появление больших паровых турбин сделало производство электроэнергии на центральных станциях практичным, поскольку поршневые паровые двигатели большой мощности стали очень громоздкими и работали на низких скоростях. Большинство центральных станций являются электростанциями, работающими на ископаемом топливе , и атомными электростанциями ; некоторые установки используют геотермальный пар или концентрированную солнечную энергию (CSP) для создания пара. Паровые турбины также могут использоваться напрямую для привода больших центробежных насосов , таких как насосы питательной воды на тепловой электростанции .

Турбины, используемые для выработки электроэнергии, чаще всего напрямую соединены со своими генераторами. Поскольку генераторы должны вращаться с постоянной синхронной скоростью в соответствии с частотой электроэнергетической системы, наиболее распространенными скоростями являются 3000 об/мин для систем 50 Гц и 3600 об/мин для систем 60 Гц. Поскольку ядерные реакторы имеют более низкие температурные пределы, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, с более низким качеством пара , турбогенераторные установки могут быть настроены на работу на половине этих скоростей, но с четырехполюсными генераторами, чтобы уменьшить эрозию лопаток турбины. ^[30]

Морская тяга

Турбиния , 1894 год, первое судно с паровой турбиной

Турбины высокого и низкого давления для SS  Maui

Турбина Парсонса с польского эсминца Wicher 1928 года

На пароходах преимущества паровых турбин по сравнению с поршневыми двигателями заключаются в меньшем размере, меньшем обслуживании, меньшем весе и меньшей вибрации. Паровая турбина эффективна только при работе в тысячах об/мин, в то время как наиболее эффективные конструкции гребных винтов предназначены для скоростей менее 300 об/мин; следовательно, обычно требуются точные (следовательно, дорогие) редукторы, хотя многочисленные ранние корабли в Первую мировую войну , такие как Turbinia , имели прямой привод от паровых турбин к гребным валам. Другой альтернативой является турбоэлектрическая трансмиссия , в которой электрический генератор, работающий от высокоскоростной турбины, используется для работы одного или нескольких тихоходных электродвигателей, соединенных с гребными валами; прецизионная зубчатая нарезка может быть узким местом производства во время войны. Турбоэлектрический привод чаще всего использовался на крупных военных кораблях США, спроектированных во время Первой мировой войны, и на некоторых быстроходных лайнерах, а также использовался на некоторых транспортных судах для перевозки войск и массовых эскортных эсминцах во Второй мировой войне .

Более высокая стоимость турбин и связанных с ними шестерен или генераторно-моторных установок компенсируется более низкими требованиями к техническому обслуживанию и меньшим размером турбины по сравнению с поршневым двигателем равной мощности, хотя затраты на топливо выше, чем у дизельного двигателя, поскольку паровые турбины имеют более низкий тепловой КПД . Для снижения затрат на топливо тепловой КПД обоих типов двигателей был улучшен за эти годы.

Раннее развитие

Развитие паровой турбины морского движения с 1894 по 1935 год было обусловлено необходимостью согласования высокой эффективной скорости турбины с низкой эффективной скоростью (менее 300 об/мин) гребного винта судна по общей стоимости, конкурентоспособной с поршневыми двигателями . В 1894 году эффективные редукторы не были доступны для больших мощностей, требуемых кораблями, поэтому был необходим прямой привод . В Turbinia , которая имела прямой привод на каждый вал гребного винта, эффективная скорость турбины была снижена после первоначальных испытаний путем направления потока пара через все три турбины с прямым приводом (по одной на каждом валу) последовательно, что, вероятно, составило около 200 ступеней турбины, работающих последовательно. Кроме того, на каждом валу было по три гребных винта для работы на высоких скоростях. ^[31] Высокие скорости вращения вала той эпохи представлены одним из первых американских эсминцев с турбинными двигателями , USS  Smith , спущенным на воду в 1909 году, который имел турбины с прямым приводом и чьи три вала вращались со скоростью 724 об/мин на скорости 28,35 узла (52,50 км/ч; 32,62 миль/ч). ^[32]

Использование турбин в нескольких корпусах, последовательно выпускающих пар друг в друга, стало стандартом в большинстве последующих применений в морских пропульсивных установках и является формой перекрестного соединения. Первая турбина называлась турбиной высокого давления (HP), последняя турбина была турбиной низкого давления (LP), а любая турбина между ними была турбиной промежуточного давления (IP). Гораздо более позднюю компоновку, чем Turbinia, можно увидеть на RMS  Queen Mary в Лонг-Бич, Калифорния , спущенной на воду в 1934 году, в которой каждый вал приводится в действие четырьмя турбинами, последовательно соединенными с концами двух входных валов одноступенчатой ​​коробки передач. Это турбины HP, 1-й IP, 2-й IP и LP.

Крейсерские механизмы и передачи

Стремление к экономии было еще более важным, когда рассматривались крейсерские скорости. Крейсерская скорость составляет примерно 50% от максимальной скорости военного корабля и 20-25% от его максимального уровня мощности. Это была бы скорость, используемая в дальних плаваниях, когда желательна экономия топлива. Хотя это снизило скорость винта до эффективного диапазона, эффективность турбины была значительно снижена, и ранние турбинные корабли имели плохую дальность плавания. Решением, которое оказалось полезным на протяжении большей части эпохи паровых турбинных двигателей, была крейсерская турбина. Это была дополнительная турбина, чтобы добавить еще больше ступеней, сначала прикрепленная непосредственно к одному или нескольким валам, выбрасывающая на ступень на полпути вдоль турбины высокого давления и не используемая на высоких скоростях. Поскольку редукторы стали доступны около 1911 года, некоторые корабли, в частности линкор USS  Nevada , имели их на крейсерских турбинах, сохраняя при этом прямой привод главных турбин. Редукторы позволяли турбинам работать в их эффективном диапазоне на гораздо более высокой скорости, чем вал, но были дороги в производстве.

Крейсерские турбины сначала конкурировали с поршневыми двигателями за экономию топлива. Примером сохранения поршневых двигателей на быстроходных судах был знаменитый RMS  Olympic 1911 года, который вместе со своими сестрами RMS  Titanic и HMHS  Britannic имел двигатели тройного расширения на двух внешних валах, оба выбрасывающие газ на турбину низкого давления на центральном валу. После принятия турбин на линкорах класса Delaware , спущенных на воду в 1909 году, ВМС США вернулись к поршневым машинам на линкорах класса New York 1912 года, а затем вернулись к турбинам на Nevada в 1914 году. Сохраняющаяся любовь к поршневым машинам была обусловлена ​​тем, что у ВМС США не было планов на крупные корабли, превышающие скорость 21 узла (39 км/ч; 24 мили в час) до окончания Первой мировой войны, поэтому максимальная скорость была менее важна, чем экономичность крейсерского хода. Соединенные Штаты приобрели Филиппины и Гавайи в качестве территорий в 1898 году и не имели всемирной сети угольных станций Британского Королевского флота . Таким образом, ВМС США в 1900–1940 годах испытывали наибольшую потребность среди всех стран в экономии топлива, особенно с учетом того, что после Первой мировой войны возникла перспектива войны с Японией . Эта потребность усугублялась тем, что США не спускали на воду ни одного крейсера в 1908–1920 годах, поэтому эсминцам требовалось выполнять дальние миссии, обычно возлагаемые на крейсеры. Поэтому на американских эсминцах, спущенных на воду в 1908–1916 годах, были установлены различные решения для крейсерского плавания. Они включали небольшие поршневые двигатели и редукторные или нередукторные крейсерские турбины на одном или двух валах. Однако, как только полностью редукторные турбины доказали свою экономичность по первоначальной стоимости и топливу, они были быстро приняты, и крейсерские турбины также были включены в большинство кораблей. Начиная с 1915 года все новые эсминцы Королевского флота имели полностью редукторные турбины, и Соединенные Штаты последовали их примеру в 1917 году.

В Королевском флоте скорость была приоритетом до тех пор, пока Ютландское сражение в середине 1916 года не показало, что в линейных крейсерах слишком много брони было принесено в жертву ее достижению. Британцы использовали исключительно турбинные военные корабли с 1906 года. Поскольку они осознали, что большая дальность плавания была бы желательна, учитывая их всемирную империю, некоторые военные корабли, в частности линкоры класса Queen Elizabeth , были оснащены крейсерскими турбинами с 1912 года после более ранних экспериментальных установок.

В ВМС США эсминцы класса Mahan , спущенные на воду в 1935–36 годах, представили двухступенчатую передачу. Это еще больше увеличило скорость турбины выше скорости вала, что позволило использовать меньшие турбины, чем одноступенчатая передача. Давление и температура пара также постепенно увеличивались, от 300 фунтов на квадратный дюйм (2100 кПа)/425 °F (218 °C) [насыщенный пар] на эсминцах класса Wickes времен Первой мировой войны до 615 фунтов на квадратный дюйм (4240 кПа)/850 °F (454 °C) [перегретый пар] на некоторых эсминцах класса Fletcher времен Второй мировой войны и более поздних кораблях. ^{[33] [34]} Появилась стандартная конфигурация из осевой турбины высокого давления (иногда с прикрепленной крейсерской турбиной) и двухосевой турбины низкого давления, соединенной с двухступенчатым редуктором. Такая компоновка сохранялась на протяжении всей паровой эры в ВМС США и также использовалась в некоторых конструкциях Королевского флота. ^{[35] [36]} Машины такой конфигурации можно увидеть на многих сохранившихся военных кораблях времен Второй мировой войны в нескольких странах. ^[37]

Когда строительство военных кораблей ВМС США возобновилось в начале 1950-х годов, большинство надводных кораблей и авианосцев использовали пар 1200 фунтов на квадратный дюйм (8300 кПа)/950 °F (510 °C). ^[38] Это продолжалось до конца эпохи паровых военных кораблей ВМС США с фрегатами класса Knox в начале 1970-х годов. Десантные и вспомогательные корабли продолжали использовать пар 600 фунтов на квадратный дюйм (4100 кПа) после Второй мировой войны, с USS  Iwo Jima , спущенным на воду в 2001 году, возможно, последним неатомным паровым судном, построенным для ВМС США.

Турбоэлектрический привод

Атомный ледокол «  50 лет Победы » с атомно-турбоэлектрической энергетической установкой.

Турбоэлектрический привод был представлен на линкоре USS  New Mexico , спущенном на воду в 1917 году. В течение следующих восьми лет ВМС США спустили на воду еще пять турбоэлектрических линкоров и два авианосца (первоначально заказанных как линейные крейсеры класса Lexington ). Планировалось построить еще десять турбоэлектрических крупных кораблей, но они были отменены из-за ограничений, налагаемых Вашингтонским военно-морским договором .

Хотя New Mexico был переоборудован с помощью редукторных турбин в ходе переоборудования 1931–1933 годов, остальные турбоэлектрические корабли сохранили эту систему на протяжении всей своей карьеры. Эта система использовала два больших паровых турбогенератора для привода электродвигателя на каждом из четырех валов. Изначально система была менее затратной, чем редукторы, и делала корабли более маневренными в порту, поскольку валы могли быстро реверсировать и обеспечивать большую обратную мощность, чем большинство редукторных систем.

Некоторые океанские лайнеры также строились с турбоэлектрическим приводом, как и некоторые транспортные суда и массовые эскортные миноносцы во время Второй мировой войны . Однако, когда США проектировали «крейсеры договора», начиная с USS  Pensacola , спущенного на воду в 1927 году, для экономии веса использовались турбины с зубчатой ​​передачей, и с тех пор они использовались на всех быстрых паровых судах.

Текущее использование

С 1980-х годов паровые турбины были заменены газовыми турбинами на быстроходных судах и дизельными двигателями на других судах; исключения составляют атомные суда, подводные лодки и газовозы . ^[39] Некоторые вспомогательные суда продолжают использовать паровые двигатели.

В ВМС США паровая турбина с обычным приводом все еще используется на всех, кроме одного, десантных кораблях класса Wasp . Королевский флот вывел из эксплуатации свой последний класс надводных кораблей с обычным паровым приводом, десантную платформу-док класса Fearless , в 2002 году, а итальянский флот последовал его примеру в 2006 году, выведя из эксплуатации свои последние надводные корабли с обычным паровым приводом, эсминцы класса Audace . В 2013 году французский флот завершил свою паровую эру, выведя из эксплуатации свой последний фрегат класса Tourville . Среди других флотов открытого моря , российский флот в настоящее время эксплуатирует паровые авианосцы класса Kuznetsov и эсминцы класса Sovremenny . В настоящее время индийский флот эксплуатирует INS Vikramaditya , модифицированный авианосец класса Kiev ; он также эксплуатирует три фрегата класса Brahmaputra , введенных в эксплуатацию в начале 2000-х годов. В настоящее время ВМС Китая эксплуатируют паровые авианосцы класса «Кузнецов» , эсминцы класса «Современный», а также эсминцы класса «Луда» и единственный эсминец типа 051B . Большинство других военно-морских сил либо вывели из эксплуатации, либо переоборудовали свои паровые военные корабли. По состоянию на 2020 год ВМС Мексики эксплуатируют четыре паровых фрегата бывшего американского класса «Нокс» . ВМС Египта и ВМС Китайской Республики эксплуатируют соответственно два и шесть бывших американских фрегатов класса «Нокс» . ВМС Эквадора в настоящее время эксплуатируют два паровых фрегата класса «Конделл» (модифицированные фрегаты класса «Линдер» ).

Сегодня эффективность паровых турбинных циклов еще не превысила 50%, однако дизельные двигатели обычно превышают 50%, особенно в морских применениях. ^{[40] [41] [42]} Дизельные электростанции также имеют более низкие эксплуатационные расходы, поскольку требуется меньше операторов. Таким образом, обычная паровая энергия используется на очень немногих новых судах. Исключением являются газовозы , которые часто считают более экономичным использовать отпарной газ с паровой турбиной, чем повторно сжижать его.

Атомные корабли и подводные лодки используют ядерный реактор для создания пара для турбин. С 2024 года главные паровые турбины (HP и LP) для атомных авианосцев ВМС США классов Nimitz и Ford производятся корпорацией Curtiss-Wright в Саммервилле, Южная Каролина.

Ядерная энергетика часто выбирается там, где дизельная энергетика непрактична (как в случае с подводными лодками ) или логистика дозаправки вызывает значительные проблемы (например, ледоколы ). Было подсчитано, что реакторного топлива для подводных лодок класса Vanguard Королевского флота достаточно для 40 кругосветных плаваний — потенциально достаточно для всего срока службы судна. Ядерная тяга применялась только на очень немногих коммерческих судах из-за расходов на техническое обслуживание и регулирующего контроля, требуемого для ядерных систем и топливных циклов.

Локомотивы

Паротурбинный двигатель — это паровоз, приводимый в движение паровой турбиной. Первый паротурбинный рельсовый локомотив был построен в 1908 году для Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Милан, Италия. В 1924 году Krupp построил паротурбинный локомотив T18 001, введенный в эксплуатацию в 1929 году, для Deutsche Reichsbahn .

Главными преимуществами паротурбинного локомотива являются лучшая вращательная балансировка и уменьшение удара молота по рельсам. Однако недостатком является меньшая гибкость выходной мощности, поэтому турболокомотивы лучше всего подходят для дальних перевозок при постоянной выходной мощности. ^[43]

Тестирование

Британские, немецкие, другие национальные и международные коды испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний паровых турбин. Выбор кода испытаний, который будет использоваться, является соглашением между покупателем и производителем и имеет некоторое значение для конструкции турбины и связанных с ней систем.

В Соединенных Штатах ASME разработал несколько кодов испытаний производительности паровых турбин. К ним относятся ASME PTC 6–2004, Паровые турбины, ASME PTC 6.2-2011, Паровые турбины в комбинированных циклах , PTC 6S-1988, Процедуры плановых испытаний производительности паровых турбин. Эти коды испытаний производительности ASME получили международное признание и принятие для испытаний паровых турбин. Единственной наиболее важной и отличительной характеристикой кодов испытаний производительности ASME, включая PTC 6, является то, что погрешность измерения указывает на качество испытания и не должна использоваться в качестве коммерческого допуска. ^[44]

Смотрите также

• Балансировочный станок
• Турбина на ртутных парах
• Паровой двигатель
• турбина Тесла

Ссылки

Примечания

1. Стодола 1927.
2. "Сэр Чарльз Алджернон Парсонс". Encyclopaedia Britannica . nd . Получено 19 сентября 2010 г.
3. «Чистая генерация электроэнергии от электрической турбины». US EIA . Март 2024 г.
4. Кейзер 1992, стр. 107–124.
5. О'Коннор и Робертсон 1999.
6. Наг 2002, стр. 432–.
7. "Таки ад-Дин и первая паровая турбина, 1551 г. н.э." История науки и техники в исламе . Архивировано из оригинала 18 февраля 2008 г.
8. Хассан 1976, стр. 34–35.
9. "Джеймс Уотт". steamindex.com .
10. Савельев Н., Сибирские механики П. М. Залесов и М. С. Лаунин, Новосибирск. 1953 год
11. Стодола и Левенштейн 1945.
12. "The Steam Turbine". Замок Бирр . Архивировано из оригинала 13 мая 2010 года . Получено 10 мая 2009 года .
13. "Charles Parsons 1854 – 1931". Архивировано из оригинала 5 мая 2010 года . Получено 10 мая 2009 года .
14. Парсонс 1911.
15. Джампаоло 2014, стр. 9.
16. Стодола 2013.
17. "SocGen - China Losing Its Shine". documents.mx . Архивировано из оригинала 23 декабря 2015 г. Получено 3 ноября 2015 г.
18. Парсонс 1911, стр. 7–8.
19. Парсонс 1911, стр. 20–22.
20. Парсонс 1911, стр. 23–25.
21. Тамарин 2002, стр. 5–.
22. Бхадешиа 2003.
23. Латиф и Какехи 2013.
24. "Паровые турбины (Курс № M-3006)" (PDF) . Инженер-кандидат наук. Архивировано (PDF) из оригинала 2 апреля 2012 г. . Получено 22 сентября 2011 г. .
25. "Характеристика технологий: паровые турбины" (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Декабрь 2008 г. стр. 13. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2012 г. Получено 25 февраля 2013 г.
26. Уитакер 2006, стр. 35.
27. "Падение скорости и генерация электроэнергии. Замечание по применению 01302" (pdf). Woodward. 1991.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
28. "Thermodynamics Steam Turbine". www.roymech.co.uk . Архивировано из оригинала 8 января 2011 г.
29. Моран и др. 2010.
30. Лейзерович 2005, стр. 111.
31. Парсонс 1911, стр. 26–31.
32. Фридман 2004, стр. 23–24.
33. "1500-тонные эсминцы во Второй мировой войне". destroyerhistory.org . Архивировано из оригинала 5 ноября 2013 года.
34. Фридман 2004, стр. 472.
35. Боуи 2010.
36. "Паровые турбины". www.leander-project.homecall.co.uk . Архивировано из оригинала 22 ноября 2013 года.
37. "Ассоциация исторических военно-морских кораблей". Архивировано из оригинала 22 июня 2013 года.
38. Фридман 2004, стр. 477.
39. "Mitsubishi Heavy начинает строительство первого танкера-газовоза серии Sayaendo". Декабрь 2012 г. Архивировано из оригинала 7 августа 2014 г.
40. Декерс 2003, стр. 14–15.
41. Лейзерович 2002.
42. Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF) . Технический обзор . Mitsubishi Heavy Industries . Получено 6 мая 2019 г.
43. Стритер 2007, стр. 85.
44. Сандерс 2004, стр. 292.

Источники

• Bayar, Tildy (31 июля 2014 г.). «Глобальный рынок газовых и паровых турбин достигнет $43,5 млрд к 2020 году». Power Engineering International. Архивировано из оригинала 30 августа 2016 г. Получено 3 ноября 2015 г.
• Bhadeshia, HKDH (2003). "Суперсплавы на основе никеля". Кембриджский университет . Получено 4 сентября 2008 г.
• Боуи, Дэвид (2010). «Крейсерские турбины военно-морской энергетической установки Y-100» (PDF) .
• Deckers, Matthias (лето 2003 г.). "CFX помогает проектировать самую эффективную паровую турбину в мире" (PDF) . CFXUpdate (23). Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2005 г.
• Джампаоло, Тони (2014). Принципы и практика справочника по газовым турбинам Тони Джампаоло: Справочник по газовым турбинам. Цифровые конструкции.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Фридман, Норман (2004). Эсминцы США: иллюстрированная история дизайна. Аннаполис: Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-442-5.
• Хассан, Ахмад Й (1976). Таки ад-Дин и арабское машиностроение . Институт истории арабской науки, Университет Алеппо .
• Keyser, Paul (1992). «Новый взгляд на паровой двигатель Герона». Архив History of Exact Sciences . 44 (2): 107–124. doi :10.1007/BF00374742. ISSN  0003-9519. S2CID  122957344.
• Latief, Fahamsyah H; Kakehi, Koji (2013). «Влияние содержания Re и кристаллографической ориентации на ползучесть алюминизированных монокристаллических суперсплавов на основе Ni». Materials & Design . 49 : 485–492. doi :10.1016/j.matdes.2013.01.022. ISSN  0261-3069.
• Лейзерович, Александр С. (1 августа 2002 г.). "Новые стандарты эффективности паровых турбин". Энергетика . Архивировано из оригинала 18 сентября 2009 г. Получено 12 сентября 2010 г.
• Лейзерович, Александр (2005). Турбины с мокрым паром для атомных электростанций. PennWell Books. ISBN 978-1-59370-032-4.
• Моран, Майкл Дж.; Шапиро, Говард Н.; Бёттнер, Дэйзи Д .; Бейли, Маргарет Б. (2010). Основы инженерной термодинамики. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-49590-2.
• Наг, ПК (2002). Электростанции. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-043599-5.
• Парсонс, Чарльз А. (1911). Паровая турбина  . Издательство Кембриджского университета.
• О'Коннор, Дж. Дж.; Робертсон, Э. Ф. (1999). «Герон Александрийский». История математики Мактьютора .
• Сандерс, Уильям П. (2004). Турбинный паровой путь: механическое проектирование и производство. Том III а. PennWell. ISBN 9781628702989.
• Стодола, А (2013) [1924]. Дампф- и Гастурбинен. Mit einem Anhang über die Aussichten der Wärmekraftmaschinen [ Паровые и газовые турбины: с приложением о перспективном использовании в качестве тепловых двигателей ] (на немецком языке) (Дополнение к 5-му изд.). Спрингер-Верлаг. ISBN 978-3-642-50854-7.
• Стодола, Аурел (1927). Паровые и газовые турбины: с приложением о перспективах термического первичного двигателя. McGraw-Hill.
• Стодола, Аурель ; Левенштейн, Луи Сентенниал (1945). Паровые и газовые турбины: с приложением о перспективах теплового первичного двигателя. П. Смит.
• Стритер, Тони (2007). «Проверка предела». Steam Railway Magazine (336).
• Тамарин, Y (2002). Защитные покрытия для турбинных лопаток. ASM International. ISBN 978-1-61503-070-5.
• Уитакер, Джерри С. (2006). Справочник по системам питания переменного тока (третье изд.). Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-8493-4034-5.

Дальнейшее чтение

• Коттон, К.С. (1998). Оценка и улучшение производительности паровой турбины . Факт о Коттоне.
• Джонстон, Ян (2019). «Расцвет турбины Брауна-Кертиса». В Jordan, Джон (ред.). Warship 2019. Оксфорд: Osprey Publishing. стр. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
• Терстон, Р. Х. (1878). История развития парового двигателя. Нью-Йорк: D Appleton and Co.
• Траупель, В. (1977). Thermische Turbomaschinen (на немецком языке). Springer Verlag : Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк.
• Валиулла, Нушад (2017). «Обзор технологий концентрированной солнечной энергии (CSP) и их возможностей в Бангладеш». Международная конференция по электротехнике, вычислительной технике и коммуникационной технике (ECCE) 2017 г. CUET. стр. 844–849. doi :10.1109/ECACE.2017.7913020. ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID  42153522.

Внешние ссылки

• «Паровая турбина», Инженер Гай [1]

• Паровые турбины: Руководство по регулировке и эксплуатации основных типов этого класса первичных двигателей, Хьюберт Э. Коллинз
• Строительство паровой турбины в Mike's Engineering Wonders Архивировано 26.02.2021 в Wayback Machine
• Учебник: «Перегретый пар»
• Явление течения в полостях диска-статора паровой турбины, направляемых балансировочными отверстиями
• Руководство по испытанию паровой турбины Де Лаваля мощностью 100 кВт с введением в принципы проектирования, около 1920 г.
• Extreme Steam — необычные вариации на тему паровоза
• Интерактивное моделирование паровой турбины мощностью 350 МВт с котлом, разработанное Университетом Квинсленда в Брисбене, Австралия
• «Супер-пар... Удивительная история достижений» Popular Mechanics , август 1937 г.