Паровая турбина

Машина, использующая пар для вращения вала

Ротор современной паровой турбины, используемой на электростанции

Паровая турбина — это машина , которая извлекает тепловую энергию из пара под давлением и использует ее для выполнения механической работы на вращающемся выходном валу. Ее современное воплощение было изобретено Чарльзом Парсонсом в 1884 году. ^{[1] [2]} Изготовление современной паровой турбины включает в себя передовую металлообработку для формирования прецизионных деталей из высококачественных стальных сплавов с использованием технологий, которые впервые стали доступны в 20 веке; Постоянное повышение долговечности и эффективности паровых турбин остается центральным вопросом экономики энергетики 21 века.

Паровая турбина представляет собой разновидность теплового двигателя , улучшение термодинамического КПД которого во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу расширения.

Поскольку турбина генерирует вращательное движение , ее можно соединить с генератором , чтобы превратить его движение в электричество. Такие турбогенераторы являются основой тепловых электростанций , которые могут работать на ископаемом топливе , ядерном топливе , геотермальной или солнечной энергии . Около 85% всей выработки электроэнергии в США в 2014 году приходилось на паровые турбины. ^[3]

Технические проблемы включают дисбаланс ротора , вибрацию , износ подшипников и неравномерное расширение (различные формы термического удара ). В крупных установках даже самая прочная турбина разобьется, если будет работать с нарушением балансировки.

История

Промышленная паровая турбина мощностью 250 кВт 1910 года выпуска (справа), напрямую связанная с генератором (слева)

Первое устройство, которое можно классифицировать как реакционную паровую турбину, было не более чем игрушкой, классическим Эолипилом , описанным в I веке Героем 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 были описаны также итальянцем Джованни Бранка (1629 г.) ^[6] и Джоном Уилкинсом в Англии (1648 г.). ^{[7] [8]} Устройства, описанные Таки ад-Дином и Уилкинсом, сегодня известны как паровые домкраты . В 1672 году Фердинанд Вербист сконструировал небольшую игрушечную машинку с импульсным турбинным приводом . Более современная версия этого автомобиля была произведена где-то в конце 18 века неизвестным немецким механиком. В 1775 году в Сохо Джеймс Уатт спроектировал реактивную турбину, которая была запущена там. ^[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 сконструировали составную импульсную турбину. ^[11]

Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году Чарльзом Парсонсом , чья первая модель была подключена к динамо-машине , вырабатывавшей 7,5 киловатт (10,1 л.с.) электроэнергии. ^[12] Изобретение Парсонсом паровой турбины сделало возможным дешевое и обильное электричество и произвело революцию в морском транспорте и военно-морской войне. ^[13] Дизайн Парсонса был реакционным. Его патент был лицензирован, и турбина вскоре была увеличена в размерах американцем Джорджем Вестингаузом . Турбину Парсонса также оказалось легко масштабировать. Парсонс с удовлетворением увидел, что его изобретение было внедрено на всех основных электростанциях мира, а размер генераторов увеличился с его первых 7,5 киловатт (10,1 л.с.) до агрегатов мощностью 50 000 киловатт (67 000 л.с.). За время жизни Парсонса генерирующая мощность энергоблока была увеличена примерно в 10 000 раз ^[14] , а суммарная мощность турбогенераторов, построенных его фирмой CA Parsons and Company и их лицензиатами, только для земельных целей, превысила тридцать миллионов лошадиных сил. ^[12]

Разработаны и другие варианты турбин, эффективно работающих 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. Он может работать при любом давлении пара, но значительно менее эффективен. ^{[ нужна цитация ]} Огюст Рато разработал импульсную турбину со смешанным 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 де Лаваля. mines de Saint-Étienne в течение десяти лет 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. Следующая книга Dampf und Gas-Turbinen (англ. «Паровые и газовые турбины») была опубликована в 1922 г. ^[16]

Турбина Брауна-Кёртиса импульсного типа, первоначально разработанная и запатентованная американской компанией International Curtis Marine Turbine Company, была разработана в 1900-х годах совместно с John Brown & Company . Он использовался на торговых и военных кораблях с двигателями Джона Брауна, включая лайнеры и военные корабли Королевского флота.

Производство

Паровая турбина без верхней крышки

В настоящее время промышленность по производству паровых турбин состоит из следующих компаний:

• WEG (Бразилия)
• Харбин Электрик , Шанхай Электрик , Донгфан Электрик (Китай)
• Doosan Škoda Power (Чехия - Южная Корея)
• Альстом (Франция)
• Сименс (Германия)
• BHEL , Larsen & Toubro , Triveni Engineering & Industries (Индия)
• МАПНА (Иран)
• Ансальдо (Италия)
• Mitsubishi , KwHI , Toshiba , IHI (Япония)
• Сильмаш , Уральский ТЗ , Невский турбинный завод (Невский НТЗ)  [ru] , КТЗ Энергомаш -Атомэнерго (Россия)
• Турбоатом (Украина)
• Дженерал Электрик (США)

^{[17] [ нужно обновить ]}

Типы

Паровые турбины изготавливаются различных размеров: от небольших агрегатов <0,75 кВт (<1 л.с.) (редко), используемых в качестве механических приводов 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.

Лезвие и дизайн сцены

Принципиальная схема, показывающая разницу между импульсной и реактивной турбиной 50%.

Лопатки турбин бывают двух основных типов: лопатки и сопла . Лопасти полностью движутся за счет воздействия на них пара и их профили не сходятся. Это приводит к падению скорости пара и практически к отсутствию падения давления при движении пара через лопасти. Турбина, состоящая из лопаток, чередующихся с неподвижными соплами, называется импульсной турбиной.Турбина Кертиса , турбина Рато или турбина Брауна-Кертиса. Сопла внешне похожи на лопасти, но их профили сходятся возле выхода. Это приводит к падению давления пара и увеличению скорости по мере движения пара через сопла. Сопла движутся за счет как воздействия на них пара, так и реакции за счет высокоскоростного пара на выходе. Турбина, состоящая из движущихся сопел, чередующихся с неподвижными, называется реактивной турбиной или турбиной Парсонса .

За исключением применений с малой мощностью, лопатки турбин расположены в несколько ступеней последовательно, что называется компаундированием , что значительно повышает эффективность на низких скоростях. ^[18] Стадия реакции представляет собой ряд неподвижных сопел, за которыми следует ряд подвижных сопел. Несколько стадий реакции делят перепад давления между входом и выпуском пара на множество небольших капель, в результате чего создается турбина с компаундированием давления . Импульсные ступени могут быть основаны на давлении, скорости или давлении-скорости. Импульсная ступень с компаундированием под давлением представляет собой ряд неподвижных сопел, за которыми следует ряд подвижных лопастей, с несколькими ступенями компаундирования. Она также известна как турбина Рато по имени ее изобретателя. Импульсная ступень с компаундированием скорости (изобретая Кертисом и также называемая «колесом Кертиса») представляет собой ряд неподвижных сопел, за которыми следуют два или более рядов движущихся лопастей, чередующихся с рядами неподвижных лопастей. Это делит падение скорости на сцене на несколько более мелких капель. ^[19] Ряд импульсных ступеней с компаундированием скорости называется турбиной с компаундированием скорости и давления .

Схема морской паровой турбины AEG около 1905 года.

К 1905 году, когда паровые турбины начали использовать на быстроходных кораблях (таких как HMS  Dreadnought ) и в наземных энергетических установках, было решено, что желательно использовать одно или несколько колес Кертиса в начале многоступенчатого двигателя. турбина (где давление пара самое высокое), за которой следуют стадии реакции. Это было более эффективно при использовании пара высокого давления из-за уменьшения утечек между ротором турбины и корпусом. ^[20] Это показано на рисунке немецкой морской паровой турбины AEG 1905 года выпуска. Пар из котлов поступает справа под высоким давлением через дроссель , которым управляет вручную оператор (в данном случае моряк , известный как дроссель). Он проходит через пять колес Кертиса и многочисленные стадии реакции (маленькие лопасти по краям двух больших роторов посередине), прежде чем выйти при низком давлении, почти наверняка в конденсатор . Конденсатор создает вакуум, который максимизирует энергию, извлекаемую из пара, и конденсирует пар в питательную воду , которая возвращается в котлы. Слева показаны несколько дополнительных ступеней реакции (на двух больших роторах), которые вращают турбину в обратном направлении для работы назад, при этом пар подается через отдельный дроссель. Поскольку суда редко работают задним ходом, эффективность задних турбин не является приоритетом, поэтому для экономии затрат используются только несколько ступеней.

Проблемы проектирования лезвий

Основной проблемой, стоящей перед конструкцией турбины, было уменьшение ползучести лопаток. Из-за высоких температур и высоких эксплуатационных напряжений материалы паровых турбин повреждаются этими механизмами. По мере повышения температуры с целью повышения эффективности турбины ползучесть становится значительной. Для ограничения ползучести в конструкциях лопаток используются термические покрытия и суперсплавы с твердорастворным упрочнением и упрочнением границ зерен .

Защитные покрытия используются для уменьшения термического повреждения и ограничения окисления . Эти покрытия часто представляют собой керамику на основе стабилизированного диоксида циркония . Использование термозащитного покрытия ограничивает температурное воздействие никелевого суперсплава. Это уменьшает механизмы ползучести лезвия. Окислительные покрытия ограничивают потери эффективности, вызванные отложениями на внешней стороне лопаток, 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-прайм-фазы – комбинации никеля, алюминия и титана – способствует прочности и сопротивлению ползучести лезвия благодаря микроструктуре. ^[22]

В сплав можно добавлять тугоплавкие элементы, такие как рений и рутений , для улучшения прочности ползучести. Добавление этих элементов уменьшает диффузию первичной гамма-фазы, сохраняя тем самым сопротивление усталости , прочность и сопротивление ползучести. ^[23]

Условия подачи и вытяжки пара

Паровая турбина низкого давления на атомной электростанции. Эти турбины выбрасывают пар при давлении ниже атмосферного.

Типы турбин включают конденсационные, неконденсационные, с подогревом, экстракционные и индукционные.

Конденсационные турбины

Конденсационные турбины чаще всего встречаются на электростанциях. Эти турбины получают пар из котла и отводят его в конденсатор . Отработанный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного и находится в частично конденсированном состоянии, качество которого обычно составляет около 90%.

Неконденсационные турбины

Неконденсационные турбины наиболее широко используются для технологического пара, в котором пар после выхода из турбины будет использоваться для дополнительных целей. Давление выхлопных газов регулируется регулирующим клапаном в соответствии с давлением технологического пара. Они обычно встречаются на нефтеперерабатывающих заводах, централизованном теплоснабжении, целлюлозно-бумажных заводах и опреснительных установках, где необходимы большие количества технологического пара низкого давления.

Турбины подогрева

Турбины промежуточного нагрева также используются почти исключительно на электростанциях. В турбине промежуточного перегрева 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 повторного нагрева в цикле увеличивает производительность турбины, а расширение завершается до того, как пар конденсируется, тем самым сводя к минимуму эрозию лопаток в последних рядах. В большинстве случаев максимальное количество повторных нагреваний в цикле равно 2, поскольку стоимость перегрева пара сводит на нет увеличение производительности турбины.

Добывающие турбины

Турбины извлекающего типа распространены во всех приложениях. В турбине экстрагирующего типа пар выделяется из различных ступеней турбины и используется для нужд производственных процессов или направляется в подогреватели питательной воды котлов для повышения общей эффективности цикла. Потоки экстракции можно контролировать с помощью клапана или оставить неконтролируемыми. Отобранный пар приводит к потере мощности на последующих ступенях турбины.

Индукционные турбины вводят пар низкого давления на промежуточной стадии для производства дополнительной мощности.

Расположение корпуса или вала

Эти конструкции включают турбины с одним корпусом, тандемные и перекрестные турбины. Агрегаты с одним корпусом — это самый простой тип, в котором один корпус и вал соединены с генератором. Тандемное соединение используется там, где два или более корпуса напрямую соединены вместе для привода одного генератора. В конструкции турбины с перекрестным соединением имеются два или более валов, расположенных не на одной линии, которые приводят в движение два или более генератора, которые часто работают на разных скоростях. Турбина с перекрестным соединением обычно используется во многих крупных приложениях. Типичная военно-морская установка 1930-1960-х годов показана ниже; на нем показаны турбины высокого и низкого давления, приводящие в движение общий редуктор, а также маршевая турбина с редуктором на одной турбине высокого давления.

Расположение паротурбинной установки правого борта японских крейсеров классов «Фурутака » и «Аоба»

Двухпоточные роторы

Ротор двухпоточной турбины. Пар входит в середину вала и выходит с каждого конца, уравновешивая осевую силу.

Движущийся пар оказывает на вал турбины как тангенциальную, так и осевую тягу, но в простой турбине осевая тяга не встречает сопротивления. Для поддержания правильного положения ротора и балансировки этой силе должна противодействовать противодействующая сила. В качестве подшипников вала можно использовать упорные подшипники, в роторе можно использовать фиктивные поршни, он может быть двухпоточным - пар входит в середину вала и выходит с обоих концов, или комбинация любого из них. В роторе с двойным потоком лопасти каждой половины обращены в противоположные стороны, так что осевые силы нейтрализуют друг друга, а тангенциальные силы действуют вместе. Эту конструкцию ротора также называют двухпоточной , двухосевой или двойной выхлоп . Такое расположение распространено в корпусах низкого давления составной турбины. ^[24]

Принцип работы и конструкция

Идеальной паровой турбиной считается изоэнтропический процесс , или процесс с постоянной энтропией, при котором энтропия пара, поступающего в турбину, равна энтропии пара, выходящего из турбины. Однако ни одна паровая турбина не является по-настоящему изоэнтропической, с типичным изоэнтропическим КПД от 20 до 90% в зависимости от применения турбины. Внутренняя часть турбины состоит из нескольких наборов лопаток или ковшей . Один комплект неподвижных лопастей соединен с корпусом, а один комплект вращающихся лопастей соединен с валом. Комплекты соединяются с определенными минимальными зазорами, при этом размер и конфигурация комплектов варьируются для эффективного использования расширения пара на каждом этапе.

Импульсные турбины

Выбор лопаток импульсной турбины

Импульсная турбина имеет неподвижные сопла, которые направляют поток пара в высокоскоростные струи. Эти струи содержат значительную кинетическую энергию, которая преобразуется во вращение вала лопастями ротора ковшообразной формы, когда струя пара меняет направление. Падение давления происходит только на неподвижных лопатках, что приводит к увеличению скорости пара по ступени. По мере прохождения пара через сопло его давление падает от давления на входе до давления на выходе (атмосферное давление или, чаще, вакуум в конденсаторе). Из-за такой высокой степени расширения пара пар покидает сопло с очень высокой скоростью. Пар, выходящий из движущихся лопастей, имеет большую часть максимальной скорости пара при выходе из сопла. Потери энергии из-за более высокой скорости на выходе обычно называют скоростью переноса или потерями 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 углового момента через контрольный объем.

Закрученная жидкость входит 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 открывает 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 опорной точке. ${\displaystyle V_{w2}}$

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

${\displaystyle U_{1}}$и – скорости лопасти на входе и выходе соответственно. ${\displaystyle U_{2}}$

${\displaystyle \alpha }$– угол направляющего аппарата, – угол лопасти. ${\displaystyle \beta }$

Тогда по закону момента импульса крутящий момент жидкости определяется выражением:

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

Для импульсной паровой турбины: . Следовательно, касательная сила, действующая на лопасти, 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 лопаток равна . Развиваемая мощность тогда . ${\displaystyle U=\omega r}$ ${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$

Эффективность лезвия

Эффективность лопастей ( ) можно определить как отношение работы, совершаемой лопастями, к кинетической энергии, передаваемой жидкости, и определяется выражением ${\displaystyle {\eta _{b}}}$

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

Эффективность сцены

Сужающееся-расширяющееся сопло

График, показывающий эффективность импульсной турбины

Ступень импульсной турбины состоит из соплового аппарата и движущегося колеса. КПД ступени определяет взаимосвязь между падением энтальпии в сопле и работой, совершаемой на ступени.

$${\displaystyle {\eta _{\mathrm {stage} }}={\frac {\mathrm {Work~done~on~blade} }{\mathrm {Energy~supplied~per~stage} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$$

${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$

По первому закону термодинамики :

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

произведением ${\displaystyle V_{1}}$ ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$ ${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$

Эффективность сопла определяется выражением , где энтальпия (в Дж/кг) пара на входе сопла равна , а энтальпия пара на выходе из сопла равна . ${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$ ${\displaystyle h_{1}}$ ${\displaystyle h_{2}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$$

${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$ ${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$

${\displaystyle k<1}$и отображает потерю относительной скорости из-за трения, когда пар обтекает лопасти ( 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 лопатки к абсолютной скорости пара на входе называется коэффициентом скорости лопаток . ${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$

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

Следовательно, максимальное значение КПД ступени получается, если подставить значение в выражение . ${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$ ${\displaystyle \eta _{b}}$

Мы 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 лопатки, 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 о максимальной эффективности

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

1. Для данной 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 работа, совершаемая лопастями, уменьшается, но при этом уменьшается площадь поверхности лопасти, следовательно, меньше потери на трение. ${\displaystyle \alpha _{1}}$

Реакционные турбины

В реактивной турбине сами лопатки ротора расположены в виде сужающихся сопел . В турбинах этого типа используется сила реакции, возникающая при ускорении пара через сопла, образованные статором. Пар направляется на ротор неподвижными лопатками статора . Он покидает статор в виде струи, заполняющей всю окружность ротора. Затем пар меняет направление и увеличивает свою скорость относительно скорости лопастей. Падение давления происходит как на статоре, так и на роторе, при этом пар ускоряется через статор и замедляется через ротор, без общего изменения скорости пара на ступени, но с уменьшением как давления, так и температуры, что отражает работу, выполняемую в привод ротора.

Эффективность лезвия

Энергозатраты на лопасти в ступени:

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

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

Эффект расширения пара над движущимися лопастями 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 лопастях определяется выражением:

$${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$$

Диаграмма скорости

Падение энтальпии в неподвижных лопатках в предположении, что скорость пара, поступающего в неподвижные лопатки, равна скорости пара, покидающего ранее движущиеся лопатки, определяется выражением:

$${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$$

₀

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

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$$

степени реакциитурбина Парсона

$${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$$

${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$

$${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$$

${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

Приняв турбину Парсона и получив все выражения, мы получим

$${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$$

${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$$

${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Следовательно, эффективность лопасти определяется выражением

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

Условие максимальной эффективности лезвия

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 ${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

Следовательно, 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 паротурбогенераторная установка

Из-за высокого давления, используемого в паровых контурах, и используемых материалов паровые турбины и их корпуса имеют высокую тепловую инерцию . При прогреве паровой турбины к использованию главные паровые запорные клапаны (после котла) имеют перепускную линию, позволяющую перегретому пару медленно обходить клапан и приступать к нагреву линий в системе вместе с паровой турбиной. Кроме того, при отсутствии пара включается поворотный механизм , который медленно вращает турбину, обеспечивая равномерный нагрев и предотвращая неравномерное расширение . После первого вращения турбины с помощью поворотного механизма, давая ротору время принять прямую плоскость (без прогиба), затем поворотный механизм отключается, и пар подается в турбину сначала к задним лопастям, затем медленно к передним лопастям. вращая турбину со скоростью 10–15 об/мин (0,17–0,25 Гц), чтобы медленно прогреть турбину. Процедура прогрева крупных 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 лопасти от ротора и сквозь корпус. Чтобы снизить этот риск, значительные усилия затрачиваются на балансировку турбины. Также турбины работают на высококачественном паре: либо перегретом (сухом) паре , либо насыщенном паре с высокой долей сухости. Это предотвращает быстрое соударение и эрозию лопастей, которые возникают при попадании на лопасти конденсата воды (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 качественного пара, в паропроводах, ведущих к турбине, устанавливают конденсатоотводчики.

Требования к техническому обслуживанию современных паровых турбин просты и требуют низких затрат (обычно около 0,005 доллара США за кВтч); ^[25] срок их эксплуатации зачастую превышает 50 лет. ^[25]

Регулирование скорости

Схема системы паротурбогенератора

Управление турбиной с помощью регулятора имеет важное значение, поскольку турбины должны работать медленно, чтобы предотвратить повреждение, а некоторые приложения (например, производство электроэнергии переменного тока) требуют точного контроля скорости. ^[26] Неконтролируемое ускорение ротора турбины может привести к отключению по превышению скорости, что приведет к закрытию регулятора и дроссельных клапанов, которые контролируют поток пара в турбину. Если эти клапаны выйдут из строя, турбина может продолжать ускоряться, пока не сломается, что часто приводит к катастрофическим последствиям. Производство турбин дорогое, требует прецизионного изготовления и материалов особого качества.

Во время нормальной работы с синхронизацией с электросетью электростанции управляются с пятипроцентным снижением скорости . Это означает, что скорость при полной нагрузке составляет 100 %, а скорость при холостом ходу — 105 %. Это необходимо для стабильной работы сети без люфтов и отключений электростанций. Обычно изменения скорости незначительны. Регулировка выходной мощности осуществляется путем медленного подъема кривой падения за счет увеличения давления пружины центробежного регулятора . Обычно это основное системное требование для всех электростанций, поскольку старые и новые станции должны быть совместимыми в ответ на мгновенные изменения частоты, не завися от внешней связи. ^[27]

Термодинамика паровых турбин.

Ts-диаграмма перегретого цикла Ренкина

Паровая турбина работает на основных принципах термодинамики , используя части 3-4 цикла Ренкина, показанные на прилагаемой диаграмме. Перегретый пар (или сухой насыщенный пар, в зависимости от применения) выходит из котла 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 реакционного типа). Когда пар покидает сопло, он движется с высокой скоростью к лопаткам ротора турбины. На лопастях создается сила из-за давления пара на лопасти, заставляющего их двигаться. Генератор или другое подобное устройство можно разместить на валу, и энергию, которая была в паре, теперь можно хранить и использовать. Пар покидает турбину в виде насыщенного пара (или смеси жидкости и пара в зависимости от применения) с более низкой температурой и давлением, чем он поступил, и направляется в конденсатор для охлаждения. ^[28] Первый закон позволяет нам найти формулу для скорости, с которой совершается работа на единицу массы. Предполагая, что передача тепла в окружающую среду отсутствует и что изменения кинетической и потенциальной энергии пренебрежимо малы по сравнению с изменением удельной энтальпии , мы приходим к следующему уравнению:

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

где

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

Изэнтропический КПД

Чтобы измерить, насколько хорошо работает турбина, мы можем посмотреть на ее изоэнтропический КПД. При этом фактическая производительность турбины сравнивается с производительностью, которая была бы достигнута идеальной изэнтропической турбиной. ^[29] При расчете этого КПД потери тепла в окружающую среду принимаются равными нулю. Пусковое давление и температура пара одинаковы как для реальной, так и для идеальной турбины, но на выходе из турбины энергосодержание пара («удельная энтальпия») для реальной турбины больше, чем для идеальной турбины, из-за необратимости реальной турбины. . Удельная энтальпия оценивается при одинаковом давлении пара для реальной и идеальной турбин, чтобы обеспечить хорошее сравнение между ними.

Изэнтропический КПД находится путем деления фактической работы на идеальную. ^[29]

$${\displaystyle \eta _{t}={\frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}}$$

где

• h ₃ – удельная энтальпия в третьем состоянии
• h ₄ — удельная энтальпия в состоянии 4 для реальной турбины.
• h _4s – удельная энтальпия в состоянии 4s для изэнтропической 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 движение электрогенераторы , для производства большей части (около 80%) электроэнергии в мире. Появление больших паровых турбин сделало практичным производство электроэнергии на центральных станциях, поскольку поршневые паровые машины большой мощности стали очень громоздкими и работали на малых скоростях. Большинство центральных станций представляют собой электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции ; некоторые установки используют геотермальный пар или используют концентрированную солнечную энергию (CSP) для создания пара. Паровые турбины также могут использоваться непосредственно для привода больших центробежных насосов , таких как насосы питательной воды на теплоэлектростанциях .

Турбины, используемые для выработки электроэнергии, чаще всего напрямую связаны со своими генераторами. Поскольку генераторы должны вращаться с постоянной синхронной скоростью в зависимости от частоты электроэнергетической системы, наиболее распространенными являются скорости 3000 об/мин для систем с частотой 50 Гц и 3600 об/мин для систем с частотой 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 силовая установка

Турбиния , 1894 год, первый корабль с паровой турбиной.

Турбины высокого и низкого давления для парохода  Мауи

Турбина Парсонса с польского эсминца Wicher 1928 года выпуска.

На пароходах преимуществами паровых турбин перед поршневыми двигателями являются меньшие размеры, меньшие затраты на техническое обслуживание, меньший вес и меньшая вибрация. Паровая турбина эффективна только при работе на тысячах об/мин, тогда как наиболее эффективные конструкции винтов рассчитаны на скорость менее 300 об/мин; следовательно, обычно требуются точные (таким образом, дорогие) редукторы, хотя многие ранние корабли времен Первой мировой войны , такие как «Турбиния» , имели прямой привод от паровых турбин к гребным валам. Другой альтернативой является турбоэлектрическая трансмиссия , в которой электрический генератор, приводимый в движение высокоскоростной турбиной, используется для приведения в действие одного или нескольких тихоходных электродвигателей, соединенных с карданными валами; прецизионная зуборезка может стать узким местом производства в военное время. Турбоэлектрический привод чаще всего использовался на крупных военных кораблях США, спроектированных во время Первой мировой войны, и на некоторых быстроходных лайнерах, а также на некоторых транспортных транспортах и ​​эскортных эсминцах массового производства во Второй мировой войне .

Более высокая стоимость турбин и связанных с ними передач или генераторно-двигательных агрегатов компенсируется меньшими требованиями к техническому обслуживанию и меньшими размерами 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 с годами улучшался.

Ранняя разработка

В разработке морских турбин с паровой турбиной с 1894 по 1935 год преобладала необходимость совместить высокую эффективную скорость турбины с низкой эффективной скоростью (менее 300 об / мин) корабельного гребного винта при общей стоимости, конкурентоспособной с поршневыми двигателями . В 1894 году не было эффективных редукторов для больших мощностей, необходимых кораблям, поэтому был необходим прямой привод . В Турбинии , которая имеет прямой привод на каждый карданный вал, эффективная скорость турбины была снижена после первоначальных испытаний за счет направления потока пара через все три турбины с прямым приводом (по одной на каждый вал) последовательно, что, вероятно, в общей сложности составляет около 200 работающих ступеней турбины. последовательно. Также на каждом валу имелось по три гребных винта для работы на высоких скоростях. ^[31] Высокие скорости вращения валов той эпохи представлены одним из первых американских эсминцев с турбинным двигателем , USS  Smith , спущенным на воду в 1909 году, который имел турбины с прямым приводом и три вала которого вращались со скоростью 724 об/мин и скоростью 28,35 узлов (52,50 км/ч). ч; 32,62 миль в час). ^[32]

Использование турбин в нескольких корпусах, последовательно отводящих пар друг к другу, стало стандартом в большинстве последующих морских двигательных установок и является формой перекрестного компаундирования. Первая турбина называлась турбиной высокого давления (ВД), последняя турбина называлась турбиной низкого давления (НД), а любая промежуточная турбина называлась турбиной среднего давления (ПД). Гораздо более позднюю конструкцию, чем Turbinia , можно увидеть на RMS  Queen Mary в Лонг-Бич, Калифорния , спущенном на воду в 1934 году, в которой каждый вал приводится в движение четырьмя турбинами, последовательно соединенными с концами двух входных валов одноступенчатой ​​коробки передач. Это турбины ВД, 1-го ИП, 2-го ИП и НД.

Крейсерское оборудование и зубчатая передача

Стремление к экономии стало 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. Эту скорость можно использовать в дальних путешествиях, когда желательна экономия топлива. Хотя это привело к снижению скорости вращения гребного винта до эффективного диапазона, эффективность турбины значительно снизилась, и первые газотурбинные корабли имели плохую дальность плавания. Решением, которое оказалось полезным на протяжении большей части эпохи паровых турбин, была крейсерская турбина. Это была дополнительная турбина, позволяющая добавить еще больше ступеней, сначала прикрепленная непосредственно к одному или нескольким валам, выхлопная система выходила на ступень на полпути турбины ВД и не использовалась на высоких скоростях. Когда примерно в 1911 году стали доступны редукторы, на некоторых кораблях, особенно на линкоре «  Невада» , они были установлены на крейсерских турбинах, сохранив при этом главные турбины с прямым приводом. Редукторы позволяли турбинам работать в эффективном диапазоне на гораздо более высоких скоростях, чем вал, но были дорогими в производстве.

Крейсерские турбины поначалу конкурировали с поршневыми двигателями в экономии топлива. Примером сохранения поршневых двигателей на быстроходных кораблях был знаменитый RMS  Olympic 1911 года, который вместе со своими сестрами RMS  Titanic и HMHS  Britannic имел двигатели тройного расширения на двух подвесных валах, оба из которых выхлопные от турбины низкого давления на центральном валу. . После внедрения турбин на линкорах класса «Делавэр» , спущенных на воду в 1909 году, ВМС США вернулись к возвратно-поступательному механизму на линкорах класса « Нью-Йорк» в 1912 году, а затем вернулись к турбинам в Неваде в 1914 году. ВМС США не планировали использовать крупные корабли со скоростью более 21 узла (39 км/ч; 24 мили в час) до окончания Первой мировой войны, поэтому максимальная скорость была менее важна, чем экономичный крейсерский ход. Соединенные Штаты приобрели Филиппины и Гавайи в качестве территорий в 1898 году, и у них не было всемирной сети угольных станций Британского Королевского флота . Таким образом, ВМС США в 1900–1940 годах имели наибольшую потребность среди всех стран в экономии топлива, особенно когда 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 Эсминцы должны были выполнять дальние задачи, обычно возлагаемые на крейсера. Так, на эсминцах США, спущенных на воду в 1908–1916 гг., устанавливались различные крейсерские решения. К ним относятся небольшие поршневые двигатели и маршевые турбины с редуктором или без редуктора на одном или двух валах. Однако, как только турбины с полным редуктором оказались экономичными по первоначальной стоимости и топливу, они были быстро внедрены, причем на большинстве кораблей также были установлены крейсерские турбины. Начиная с 1915 года все новые эсминцы Королевского флота имели турбины с полным приводом, а в 1917 году за ними последовали Соединенные Штаты.

В Королевском флоте скорость была приоритетом, пока Ютландская битва в середине 1916 года не показала, что на линейных крейсерах в жертву было принесено слишком много брони. Британцы использовали исключительно военные корабли с турбинными двигателями с 1906 года. Поскольку они осознавали, что большая дальность плавания желательна, учитывая их всемирную империю, некоторые военные корабли, особенно линкоры класса « Куин Элизабет» , были оснащены крейсерскими турбинами с 1912 года после более ранних экспериментальных установок. .

В ВМС США на эсминцах типа «Махан» , спущенных на воду в 1935–36, была введена двухступенчатая передача. Это еще больше увеличило скорость турбины по сравнению со скоростью вала, что позволило использовать турбины меньшего размера, чем одноступенчатая передача. Давление и температура пара также постепенно увеличивались: с 300 фунтов на квадратный дюйм (2100 кПа)/425 °F (218 °C) [насыщенный пар] в классе Уикса времен Первой мировой войны до 615 фунтов на квадратный дюйм (4240 кПа)/850 °F ( 454 °C) [перегретый пар] на некоторых эсминцах класса «Флетчер» времен Второй мировой войны и более поздних кораблях. ^{[33] [34]} Появилась стандартная конфигурация, состоящая из турбины высокого давления с осевым потоком (иногда с прикрепленной крейсерской турбиной) и турбины низкого давления с двойным осевым потоком, соединенной с двухступенчатой ​​​​коробкой передач. Такое расположение сохранялось на протяжении всей эпохи пара в ВМС США, а также использовалось в некоторых конструкциях Королевского флота. ^{[35] [36]} Машины этой конфигурации можно увидеть на многих сохранившихся военных кораблях времен Второй мировой войны в нескольких странах. ^[37]

Когда в начале 1950-х годов возобновилось строительство военных кораблей ВМС США, большинство надводных боевых кораблей и авианосцев использовали пар с давлением 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 «Нокс » в начале 1970-х годов. Десантные и вспомогательные корабли продолжали использовать пар с давлением 600 фунтов на квадратный дюйм (4100 кПа) после Второй мировой войны, например, военный корабль США  «Иводзима» , спущенный на воду в 2001 году, возможно, последний неатомный паровой корабль, построенный для ВМС США.

Турбоэлектрический привод

NS  50 Let Pobedy — атомный ледокол с ядерно-турбоэлектрической силовой установкой.

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

Хотя Нью-Мексико был переоборудован турбинами с редуктором в ходе ремонта 1931–1933 годов, оставшиеся турбоэлектрические корабли сохранили эту систему на протяжении всей своей карьеры. В этой системе использовались два больших паротурбинных генератора для привода электродвигателя на каждом из четырех валов. Первоначально система была менее дорогостоящей, чем редукторы, и делала корабли более маневренными в порту, поскольку валы могли быстро реверсировать и обеспечивать большую реверсивную мощность, чем большинство редукторных систем.

Некоторые океанские лайнеры также были построены с турбоэлектрическим приводом, как и некоторые военные транспорты и эскортные эсминцы массового производства во время Второй мировой войны . Однако, когда США проектировали «договорные крейсера», начиная с USS  Pensacola , спущенного на воду в 1927 году, турбины с редуктором использовались для экономии веса и с тех пор продолжали использоваться на всех быстрых паровых кораблях.

Текущее использование

С 1980-х годов паровые турбины были заменены газовыми турбинами на быстроходных судах и дизельными двигателями на других судах; Исключением являются атомные корабли и подводные лодки, а также газовозы СПГ . ^[39] Некоторые вспомогательные корабли продолжают использовать паровую двигательную установку.

В ВМС США паровая турбина с традиционным приводом до сих пор используется на всех десантных кораблях класса «Оса», кроме одного. В 2002 году Королевский военно-морской флот вывел из эксплуатации свой последний класс надводных военных кораблей с паровым двигателем, десантную платформу-док «Бесстрашный», а в 2006 году ВМС Италии вывели из эксплуатации свои последние надводные военные корабли с паровым двигателем — эсминцы класса « Аудас» . В 2013 году ВМС Франции завершили свою паровую эру выводом из эксплуатации последнего фрегата класса «Турвиль» . Среди других военно-морских флотов России в настоящее время имеются паровые авианосцы класса «Кузнецов » и эсминцы типа « Современный » . В настоящее время ВМС Индии эксплуатируют INS Vikramaditya , модифицированный авианосец класса «Киев» ; он также управляет тремя фрегатами класса «Брахмапутра» , введенными в эксплуатацию в начале 2000-х годов. В настоящее время в состав ВМС Китая входят паровые авианосцы класса «Кузнецов» , эсминцы типа «Современный » , а также эсминцы класса «Луда » и единственный эсминец типа 051Б . Большинство других военно-морских сил либо вывели из эксплуатации, либо модернизировали свои военные корабли с паровыми двигателями. По состоянию на 2020 год в составе ВМС Мексики находятся четыре бывших американских фрегата класса «Нокс» с паровыми двигателями . ВМС Египта и ВМС Китайской Республики имеют соответственно два и шесть бывших американских фрегатов класса «Нокс» . В настоящее время ВМС Эквадора имеют в своем составе два паровых фрегата класса Condell (модифицированные фрегаты класса Leander ).

Сегодня КПД силового цикла паровой турбины еще не превысил 50%, однако дизельные двигатели обычно превышают 50%, особенно в морских приложениях. ^{[40] [41] [42]} Дизельные электростанции также имеют более низкие эксплуатационные расходы, поскольку требуется меньше операторов. Таким образом, традиционная паровая энергия используется на очень небольшом количестве новых кораблей. Исключением являются танкеры СПГ , которые зачастую считают более экономичным использовать отпарный газ паровой турбиной, чем повторно сжижать его.

Атомные корабли и подводные лодки используют ядерный реактор для создания пара для турбин. Атомную энергию часто выбирают там, где дизельная энергия непрактична (например, на подводных лодках) или когда логистика дозаправки создает серьезные проблемы (например, ледоколы ). Было подсчитано, что реакторного топлива подводных лодок класса «Авангард » Королевского флота достаточно для совершения 40 кругосветных плаваний – потенциально достаточно на весь срок службы судна. Ядерная силовая установка была применена лишь на очень небольшом количестве коммерческих судов из-за затрат на техническое обслуживание и нормативного контроля, необходимого для ядерных систем и топливных циклов.

Локомотивы

Паротурбовозный двигатель — паровоз , приводимый в движение паровой турбиной. Первый паротурбинный железнодорожный локомотив был построен в 1908 году для Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Милан, Италия. В 1924 году Крупп построил паротурбовоз Т18 001, введенный в эксплуатацию в 1929 году, для Deutsche Reichsbahn .

Основными преимуществами паротурбовоза являются лучшая балансировка вращения и уменьшение ударов молота по пути. Однако недостатком является менее гибкая выходная мощность, поэтому турбинные локомотивы лучше всего подходят для дальних перевозок при постоянной выходной мощности. ^[43]

Тестирование

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

В Соединенных Штатах ASME разработало несколько правил 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 регулярных испытаний паровых турбин. Эти правила испытаний производительности ASME получили международное признание и признание для испытаний паровых турбин. Единственная наиболее важная и отличительная характеристика кодов испытаний производительности ASME, включая PTC 6, заключается в том, что неопределенность измерения указывает на качество испытания и не должна использоваться в качестве коммерческого допуска. ^[44]

Смотрите также

• Балансировочная машина
• Паровая турбина ртути
• Паровой двигатель
• турбина Теслы

Рекомендации

Примечания

1. Стодола 1927.
2. "Сэр Чарльз Алджернон Парсонс". Британская энциклопедия . нд . Проверено 19 сентября 2010 г.
3. «Сетевое производство электроэнергии» (PDF) . ОВОС США . Март 2015.
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 технологий в исламе . Архивировано из оригинала 18 февраля 2008 года.
8. Хасан 1976, с. 34–35.
9. "Джеймс Ватт". www.steamindex.com . Архивировано из оригинала 6 сентября 2017 года.
10. Савельев Н., Сибирские механики П. М. Залесов и М. С. Лаунин, Новосибирск. 1953 год
11. Стодола и Левенштейн 1945.
12. "Паровая турбина". Замок Бирр . Архивировано из оригинала 13 мая 2010 года . Проверено 10 мая 2009 г.
13. «Чарльз Парсонс 1854–1931» . Архивировано из оригинала 5 мая 2010 года . Проверено 10 мая 2009 г.
14. Парсонс 1911.
15. Джампаоло 2014, с. 9.
16. Стодола 2013.
17. "SocGen - Китай теряет свой блеск" . документы.mx . Архивировано из оригинала 23 декабря 2015 года . Проверено 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, с. 5–.
22. Бхадешиа 2003.
23. Латиф и Какехи 2013.
24. «Паровые турбины (Курс № M-3006)» (PDF) . Кандидат технических наук. Архивировано (PDF) из оригинала 2 апреля 2012 года . Проверено 22 сентября 2011 г.
25. «Характеристика технологии: паровые турбины» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Декабрь 2008. с. 13. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2012 года . Проверено 25 февраля 2013 г.
26. Уитакер 2006, с. 35.
27. «Снижение скорости и выработка электроэнергии. Примечание по применению 01302» (pdf). Вудворд. 1991.
28. "Термодинамическая паровая турбина". www.roymech.co.uk . Архивировано из оригинала 8 января 2011 года.
29. Моран и др. 2010.
30. Лейзерович 2005, с. 111.
31. Парсонс 1911, стр. 26–31.
32. Фридман 2004, с. 23–24.
33. «1500-тонные эсминцы во Второй мировой войне». сайт DestroyerHistory.org . Архивировано из оригинала 5 ноября 2013 года.
34. Фридман 2004, с. 472.
35. Боуи 2010.
36. «Паровые турбины». www.leander-project.homecall.co.uk . Архивировано из оригинала 22 ноября 2013 года.
37. "Историческая ассоциация военно-морских кораблей". Архивировано из оригинала 22 июня 2013 года.
38. Фридман 2004, с. 477.
39. «Mitsubishi Heavy начинает строительство первого газовоза СПГ серии Sayaendo» . Декабрь 2012 г. Архивировано из оригинала 7 августа 2014 г.
40. Декерс 2003, с. 14–15.
41. Лейзерович 2002.
42. Такаиси, Тацуо; Нумата, Акира; Накано, Рёдзи; Сакагути, Кацухико (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF) . Технический обзор . Мицубиси Хэви Индастриз . Проверено 6 мая 2019 г.
43. Стритер 2007, с. 85.
44. Сандерс 2004, с. 292.

Источники

• Баяр, Тильди (31 июля 2014 г.). «К 2020 году мировой рынок газовых и паровых турбин достигнет 43,5 миллиарда долларов». Энергетический Интернационал. Архивировано из оригинала 30 августа 2016 года . Проверено 3 ноября 2015 г.
• Бхадешиа, Гонконг (2003). «Суперсплавы на основе никеля». Кембриджский университет . Проверено 4 сентября 2008 г.
• Боуи, Дэвид (2010). «Крейсерские турбины морской двигательной установки Y-100» (PDF) .
• Декерс, Матиас (лето 2003 г.). «CFX помогает разработать самую эффективную паровую турбину в мире» (PDF) . CFXUpdate (23). Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2005 г.
• Джампаоло, Тони (2014). Справочник по газовым турбинам. Принципы и практика. Тони Джампаоло: Справочник по газовым турбинам. Цифровые проекты.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Фридман, Норман (2004). Американские эсминцы: иллюстрированная история дизайна. Аннаполис: Издательство Военно-морского института. ISBN 978-1-55750-442-5.
• Хасан, Ахмад Ю. (1976). Таки ад-Дин и арабское машиностроение . Институт истории арабской науки Университета Алеппо .
• Кейзер, Пол (1992). «Новый взгляд на паровую машину Герона». Архив истории точных наук . 44 (2): 107–124. дои : 10.1007/BF00374742. ISSN  0003-9519. S2CID  122957344.
• Латиф, Фахамсия Х; Какехи, Кодзи (2013). «Влияние содержания Re и кристаллографической ориентации на ползучесть алюминизированных монокристаллических суперсплавов на основе Ni». Материалы и дизайн . 49 : 485–492. doi :10.1016/j.matdes.2013.01.022. ISSN  0261-3069.
• Лейзерович, Александр С (1 августа 2002 г.). «Новые критерии эффективности паровых турбин». Энергетика . Архивировано из оригинала 18 сентября 2009 года . Проверено 12 сентября 2010 г.
• Лейзерович, Александр (2005). Мокрые паровые турбины для атомных электростанций. Книги Пеннвелла. ISBN 978-1-59370-032-4.
• Моран, Майкл Дж; Шапиро, Ховард Н; Беттнер, Дейзи Д ; Бейли, Маргарет Б. (2010). Основы технической термодинамики. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-49590-2.
• Наг, ПК (2002). Энергетическое машиностроение. Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN 978-0-07-043599-5.
• Парсонс, Чарльз А. (1911). Паровая турбина  . Издательство Кембриджского университета.
• О'Коннор, Джей-Джей; Робертсон, Э.Ф. (1999). «Александрийская цапля». MacTutor История математики .
• Сандерс, Уильям П. (2004). Пароход турбины: механическое проектирование и производство. Том. III а. ПеннНу. 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 дополнением о перспективах теплового первичного двигателя. МакГроу-Хилл.
• Стодола, Аурел ; Левенштейн, Луи Сентенниал (1945). Паровые и газовые турбины: с приложением «Перспективы теплового первичного двигателя». П. Смит.
• Стритер, Тони (2007). «Проверка предела». Журнал «Паровая железная дорога» (336).
• Тамарин, Ю. (2002). Защитные покрытия для лопаток турбин. АСМ Интернешнл. ISBN 978-1-61503-070-5.
• Уитакер, Джерри С. (2006). Справочник по системам электропитания переменного тока (Третье изд.). Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-8493-4034-5.

дальнейшее чтение

• Коттон, Канзас (1998). Оценка и улучшение производительности паровой турбины . Хлопковый факт.
• Джонстон, Ян (2019). «Взлет турбины Брауна-Кёртиса». В Иордании, Джон (ред.). Военный корабль 2019 года . Оксфорд: Издательство Osprey. стр. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
• Терстон, Р.Х. (1878 г.). История развития парового двигателя. Нью-Йорк: Д. Эпплтон и Ко.
• Траупель, В. (1977). Thermische Turbomaschinen (на немецком языке). Springer Verlag : Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк.
• Валиулла, Нушад (2017). «Обзор технологий концентрированной солнечной энергии (CSP) и ее возможностей в Бангладеш». Международная конференция по электротехнике, компьютерной и коммуникационной технике (ECCE) 2017 . КУЭТ. стр. 844–849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020. ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID  42153522.

Внешние ссылки

• «Паровая турбина», Инженер [1]

• Паровые турбины: Книга инструкций по регулировке и эксплуатации основных типов этого класса первичных двигателей Хьюберта Э. Коллинза
• Строительство паровой турбины в компании Mike's Engineering Wonders. Архивировано 26 февраля 2021 г. в Wayback Machine.
• Учебник: «Перегретый пар»
• Явление течения в полостях диска-статора паровой турбины, направленных 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.
• «Суперпар... Удивительная история достижений», « Популярная механика» , август 1937 г.