Что такое двигатель паровая турбина

Паровые турбины

ПАРОВАЯ ТУРБИНА – это паровой двигатель, в котором лопатки ротора вращаются под действием струи пара и вырабатывают электрическую энергию. Компания «АГТ» предлагает паровые турбины с разными тепловыми циклами и составом, для применения во всех сферах промышленности: металлургическая, нефтеперерабатывающая, химическая промышленность, коммунальное хозяйство, на электростанциях, работающих на биомассе, на утилизационных станциях.

Содержание

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Стационарные турбины изготавливаются на одном валу с генераторами переменного тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций — электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Частота вращения ротора стационарного турбогенератора связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

В зависимости от назначения паровые турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими для покрытия пиков нагрузки; турбинами собственных нужд, обеспечивающими потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80 %), от пиковых — возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд — особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

Схема работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата (1) по паропроводу (2) попадает на рабочие лопатки паровой турбины (3). При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу (4) с электрическим генератором (5). Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Современная паровая электростанция в действии

Тепло, отработанного в турбине пара поступает в конденсатор через трубки. Количество высвобождаемого тепла велико, и, следовательно, охлаждающая вода должна быть нагрета незначительно. В виду этого, расход у мощных паротурбинных установок очень велик. Иногда он достигает до 20000 м3/час. Особенно если мощность станции 100000 кВт. В этих случаях охлаждающая вода подается циркуляционным насосам из речки и после выполнения своей функции сливается снова в реку, только ниже места забора.

Воздействие сильной струи пара на лопасти приводит вал во вращение в паровых турбинах

В паровых турбинах строение таково, что потенциальная энергия пара, пройдя процесс расширении в соплах, преобразуется в кинетическую энергию, способную двигаться с большой скоростью. Мощная струя пара подается на изогнутые лопатки, которые закреплены по окружности диска, насаженного на вал. Воздействие сильной струи пара на лопасти и приводит вал во вращение.

Чтобы преобразовать энергию пара в кинетическую, нужно обеспечить ему беспрепятственный выход из парогенератора, в котором он находится, по соплу, в пространство. При всем этом, давление пара необходимо выше, чем давление того самого пространства. Следует знать, что пар будет выходить с очень высокой скоростью.

Скорость выхода пара из сопла зависит от таких факторов:

• От температуры и давления до расширения;
• Какое давление присутствует в пространстве, в которое он вытекает;
• Форма сопла, по которому вытекает пар, также влияет на скорость.

Вал турбины должен соединяться с валом самой рабочей машины. Какой она будет, зависит от области, в которой применяется рабочая машина. Это может быть энергетика, металлургия, приводы турбогенераторов, воздуходувные машины, компрессоры, насосы, водный и железнодорожный транспорт.

Газовая турбина: преимущества и недостатки

Особенностью газовой турбины является отсутствие изменения агрегатного состояния рабочего тела. Благодаря этому достигается гораздо большая рабочая температура и повышение КПД.

Преимущества газовой турбины:

• Уменьшенные габариты при одинаковой мощности с паровыми
• Быстрый запуск
• Высокая маневренность
• Широкий спектр используемого топлива
• Потребность в охлаждающей жидкости снижена в 5 раз
• Низкие расходы на техобслуживание, небольшой расход смазочных материалов
• Малое количество сопряженных деталей, снижение потерь на трение
• Постоянство электрической частоты
• Снижение уровня шума и вибрации при работе, а также вредных выбросов

Рис. 2. Газовая турбина Функционирование газовой турбины связано с рядом недостатков. Среди них усиленный износ в моменты пуска-останова агрегата, высокая стоимость и сложность производства, большое количество потребляемой энергии, низкий КПД при слабой загрузке, необходимость подготовки и очистки топлива.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600 0 С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Как сделать паровую турбину в домашних условиях?

Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.

В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.

Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.

Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.

С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.

Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.

Походный паровой генератор своими руками

В статье будет рассмотрен пример, как своими руками и в кратчайшие сроки можно изготовить простейший паровой генератор. Такое устройство способно генерировать электроток практически из любого топлива, в ход пойдет все, что горит. Это могут быть палочки, твердый спирт, свечка, кора с деревьев, сухая трава и прочее. Подобный генератор можно взять с собой, отправляясь в туристический поход. От него можно зарядить мобильный телефон или зажечь пару светодиодов для освещения. Двигатель является однопоршневым, с золотником.

Материалы и инструменты для сборки: — кусок трубки от телевизионной или радиоантенны, диаметром не мене 8 мм; — небольшая трубка для создания поршневой пары (можно купить в магазине сантехники); — медная проволока (диаметр 1.5 мм, можно найти в катушках или купить); — гайки, болты и шурупы; — свинец для изготовления маховика (можно найти в старых автомобильных аккумуляторах, рыболовных снастях или купить); — бруски из дерева; — спицы от велосипеда; — фанера или текстолит для создания подставки; — трубка; — банка из под оливок или подобная.

Из инструментов будут необходимы: ножовка, наждак, паяльник, эпоксидная смола, холодная сварка, суперклей, дрель.

Процесс изготовления парового генератора:

Шаг первый. Принципиальная схема генератора

На схеме можно увидеть, как работает механизм. То есть это кривошип, который через шатун соединен с поршнем. Также в системе предусмотрен клапан (золотник), который открывает и закрывает один из двух каналов. Когда поршень находится в нижней мертвой точке, золотник открывает канал и в цилиндр поступает пар под давлением. Достигая верхней мертвой точки, золотник перекрывает подачу пара, и открывает цилиндр для выпуска пара наружу, поршень затем опускается. Возвратно-поступательные движения по классике преобразуются кривошипом во вращение вала генератора.

Шаг второй. Как сделать цилиндр и золотниковую трубку
От антенной трубки нужно отрезать три куска, первый должен быть длиной 38 мм и 8 мм в диаметре. Это будет цилиндр. Второй кусок должен быть длиной 30 мм, а диаметром 4 мм. Третий же кусок должен быть длиной 6 мм и толщиной 4 мм.

Во второй трубке нужно сделать отверстие диаметром 4 мм, оно должно находиться по центру. Третью трубку нужно перпендикулярно приклеить ко второй, для этого используется суперклей. Когда клей высохнет, сверху все замазывается холодной сваркой.

К третьему куску нужно прикрепить металлическую шайбу, после высыхания нужно также все зафиксировать холодной сваркой. Когда сварка высохнет, сверху швы нужно обработать эпоксидной смолой для максимальной прочности и герметичности.

Шаг третий. Изготовления поршня и шатуна

Поршень изготавливается из болта диаметром 7 мм. Для этого его нужно закрепить в тисках и намотать сверху медную проволоку, всего понадобится сделать порядка 6-ти витков, в зависимости от диаметра проволоки. Затем проволока пропитывается эпоксидной смолой. Лишний край болта можно отрезать. Далее, когда смола высохнет, понадобится поработать наждачной бумагой, чтобы подогнать поршень под диаметр цилиндра. В итоге поршень должен двигаться легко, но при этом не должен пропускать воздух.

Для крепления шатуна на поршне нужно сделать специальный кронштейн, он делается из листового алюминия. Ее нужно выгнуть в виде буквы «П», на краях сверлятся отверстия, диаметр отверстия должен быть таким, чтобы в него можно было выставить велосипедную спицу. Кронштейн приклеивается к поршню.

Что касается шатуна, то его делают из велосипедной спицы, на ее краях устанавливаются кусочки трубочек от антенны длиной и диаметром по 3 мм. Что касается длины, то расстояние между центрами шатуна равно 50 мм. Шатун соединяется с поршнем шарнирно, при помощи «П»-образного кронштейна, а также куска велосипедной спицы. Чтобы спица не выпала, ее с обоих концов нужно приклеить.

Шатун треугольника изготавливается подобным образом, но здесь с одной стороны будет кусок спицы, а с другой трубка. Длина такого шатуна составляет 75 мм.

Шаг четвертый. Золотник и треугольник

Треугольник нужно вырезать из листа металла, в нем сверлится три отверстия. Что касается поршня золотника, то его длина составляет 3.5 мм, нужно добиться его свободного перемещения в трубке золотника. Длина штока может быть разной, здесь все зависит от маховика.

Подпорки лучше всего делать из брусков, они подбираются индивидуально. Что касается кривошипа поршневой тяги, то он должен быть 8 мм, а кривошип золотника составляет 4 мм.

Шаг пятый. Паровой котел. Заключительный этап
В качестве котла автор использовал панку из под оливок с запаянной крышкой. Чтобы в котел можно было заливать воду, к крышке нужно припаять гайку, в качестве крышки используется болт. К крышке нужно припаять трубку. Впоследствии двигатель собирается на деревянной платформе, под каждый элемент применяются подпорки. Как работает двигатель, можно увидеть на видео.

Ниже можно увидеть, как будет выглядеть двигатель, если его немного доработать. Бачок теперь имеет индивидуальную площадку, а также блюдечко, на которое кладется сухое горючее. Авто рекомендует в качестве источника тепла применять примус или спиртовую горелку, которую можно сделать своими руками. Все элементы можно покрасить на свой вкус.

Источник (Source)

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.