Парові і газові турбіни

Парові і газові турбіни – основні механізми перетворення потенційної енергії робочого тіла на механічну роботу відповідно в ПТУ і ПГУ. Вони складаються з ідентичних елементів, однак конструкція і технологія виготовлення цих елементів може бути різною.

На рис. 14.4 показано поздовжній розріз циліндра високого тиску (ЦВТ) парової турбіни з поворотним потоком пари.

Рис. 14.4 - Проточна частина ЦВТ з поворотним потоком пари:
1 – зовнішній корпус; 2 – суцільнокований дисковий ротор; 3 – задній опорний підшипник; 4 – вихідний патрубок; 5 – подвійний підвід свіжої пари; 6 – внутрішній кор­пус;
7 – корпус установки переднього опорно-упорного підшипника

Така схема виконання ЦВТ властива конденсаційним турбінам Ленінградського металевого заводу (ЛМЗ) і турбінам з протитиском або з регульованими відбираннями пари, що працюють на докритичних або понадкритичних параметрах пари. Ротор ЦВТ дисковий суцільнокований. Статор ЦВТ 1 складається із зовнішнього і внутрішнього 6 корпусів. Спочатку пара надходить до внутрішнього корпусу в середній частині циліндра, проходить через декілька ступенів у лівій частині ЦВТ, протікає між внутрішнім і зовнішнім корпусами в протилежному напрямку, далі проходить через останні ступені ЦВТ і через вихідний патрубок виводиться з циліндра. Потім, після проміжного перегріву, пара надходить до циліндра 2 середнього тиску (ЦСТ), після чого трьома паралельними потоками надходить до трьох ци­ліндрів низького тиску (ЦНТ) і далі потрапляє до конденсатора (рис. 14.5).

Рис. 14.5 - Структурна схема конденсаційних турбін ЛМЗ потужністю 800 і 1 200 МВт: 1 – ЦВТ; 2 – ЦСТ; 3 – ЦНТ1; 4 – ЦНТ2; 5 – ЦНТ3; 6 – проміжний пароперегрівник;
7 – до конденсатора.

Якщо в паровій турбіні робочим тілом є водяна пара, то в газовій продукти згорання палива і стисненого повітря. Найістотнішою є відмінність у конструкції і технології виготовлення ротора газової турбіни, виконаного у вигляді збірної конструкції (на стяж­них болтах). Крім того, газова турбіна має систему повітряного охолодження найбільш термонапружених елементів проточної частини.

Основою проточної частини парових і газових турбін є ступінь – сукупність нерухомої решітки (напрямленого апарата) і решітки робочих лопаток, що обертаються. У нерухомій решітці, яку ще називають сопловою, потенційна енергія пари перетворюється на кінетичну. У робочому апараті кінетична енергія пари перетворюється на механічну енергію обертання ротора турбіни.

За аналогічною схемою потенційна енергія робочого тіла перетворюється на кінетичну і механічну енергію на всіх ступенях багатоступінчастої парової або газової турбіни. При цьому ступенево змінюються тиск робочого тіла та обертальний момент.

На рис. 14.6 наведено принципову схему і цикл конденсаційної ПТУ
в Ts-координатах (Т – абсолютна температура, К; s – ентропія, Дж/кг×К). В основу робочого процесу всіх типів ПТУ покладено цикл Ренкіна. Робота ПТУ (без урахування незворотних втрат) характеризується площею
1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 1. Лінія 1 – 2 характеризує процес ізоентропійного розширення пари в турбіні, лінія 2 – 3 – ізобарно-ізотермічний процес конденсації пари в конденсаторі, лінія 3 – 4 – ізоентропійний процес підвищення тиску живильної води в насосі, 4 – 5 – ізобарний процес підігріву води до лінії насичення, 5 – 6 – ізотермічний процес випаровування води й одержання сухої (х = 1) насиченої пари, 6 – 1 – ізобарний процес перегріву води в пароперегрівнику.

Конденсаційні паротурбіни установки мають розвинену систему регенеративного підігріву живильної води, що сприяє підвищенню потужності турбіни й економічності ПТУ загалом (економія палива сягає 10 % і більше порівняно з турбінами без регенерації).

Економічність ПТУ можна також підвищити збільшенням початкових параметрів пари (р₁ і Т₁). Однак з підвищенням початкового тиску р₁ точка 2 в Ts-діаграмі зміщається в її ліву область, тобто вологість пари зростає (при цьому ступінь сухості падає х < 1) вище припустимих норм вологості.

Рис. 14.6 - Схема (а) і термодинамічний цикл (б) ПТУ: ПП – пароперегрівник;
ПГ – парогенератор; Т – турбіна; Кон – конденсатор; Н – насос; Г – електрогенератор;
К – критична точка (для води: t_кр = 374,15 °С; Р_кр = 22,129 МПа)

На рис. 14.7 наведено схему ГТУ простого типу, основними елементами якої є турбіна, компресор і камера згорання. У Ts-координатах наведено цикл Брайтона. Якщо немає втрат в основних елементах ГТУ, реалізується ідеальний цикл (площа 1 – 2`– 3 – 4 – 1). Така ГТУ працює за розімк­неною схемою. Атмосферне повітря (точка 1 на Ts-діаграмі) надходить
у компресор, де в результаті адіабатичного стиснення (процес 1 – 2) його тиск підвищується від р₁ = р_атм до кінцевого тиску р₂> р₁. Відношення тисків p_к = р₂/р₁ називають ступінь стиснення компресора. У результаті стиснення зростає і температура повітря на виході з компресора відповідно до відомого термодинамічного відношення Т₂ = Т₁p_к^m (де m = (к – 1)/к; к = с_р/с_v – показник адіабати).

Процес 2 – 3 підведення теплоти q₁, що утворюється за рахунок хіміч­ної енергії згорілого палива, відбувається в камері згорання при постійному тиску до температури Т₃, після чого продукти згорання надходять до турбіни, де розширюються до атмосферного тиску і де виробляється механічна робота.

Рис. 14.7 - Схема (а) і термодинамічний цикл (б) ГТУ простого типу: К – компресор; КЗ – камера згорання; Т – турбіна; Т₁, Т₂, Т₃, Т₄ – температури в характерних точках циклу

У реальних умовах у результаті незворотних втрат у компресорі і тур­біні процес розширення політропічний. З урахуванням цієї обставини конфігурація циклу буде відповідати площі 1 – 2 – 3 – 4 – 1.

Одним з недоліків ГТУ є те, що температура вихлопних газів, які викидаються в атмосферу, сягає 400...500 °С і вище. Цим обумовлюється її відносно низький ККД. Щоб збільшити ККД, ГТУ можна виконати з регенератором, який являє собою теплообмінник поверхневого типу. У такій ГТУ повітря після компресора потрапляє в регенератор, де за рахунок теплоти газів, що відходять після турбіни, його температура підвищується. Одночасно знижується температура вихлопних газів, що економить паливо і збільшує ККД циклу ГТУ.

Подальшого підвищення економічності ГТУ можна досягти ускладненням її схеми за рахунок застосування циклу зі ступінчатим стисненням повітря і з проміжним підведенням теплоти.