Ponencia: Turbinas de vapor como motor principal en centrales térmicas. Presentación de física sobre el tema de la turbina Presentación de la lección Símbolos para turbinas de vapor
abstracto
sobre el tema de:
"Turbinas de vapor como motor principal en centrales térmicas"
Historia del desarrollo de las turbinas de vapor.
Imagine un recipiente de metal cerrado (caldero) parcialmente lleno de agua. Si se enciende un fuego debajo, el agua comenzará a calentarse y luego hervirá, convirtiéndose en vapor. La presión dentro de la caldera aumentará, y si sus paredes no son lo suficientemente fuertes, puede incluso explotar. Esto muestra que se ha acumulado una reserva de energía en la pareja, que finalmente se manifestó como una explosión. ¿Se puede hacer que el vapor haga algún trabajo útil? Esta pregunta ha ocupado a los científicos durante mucho tiempo. La historia de la ciencia y la tecnología conoce muchos inventos interesantes en los que el hombre buscó utilizar la energía del vapor. Algunos de estos inventos fueron útiles, otros fueron solo juguetes inteligentes, pero al menos dos inventos deben llamarse grandes; caracterizan épocas enteras en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Estos grandes inventos son la máquina de vapor y la turbina de vapor. La máquina de vapor, que recibió aplicación industrial en la segunda mitad del siglo XVIII, supuso una revolución tecnológica. Rápidamente se convirtió en el principal motor utilizado en la industria y el transporte. Pero a finales del siglo XIX y principios del XX. la potencia y la velocidad alcanzables de la máquina de vapor ya se habían vuelto insuficientes.
Existía la necesidad de la construcción de grandes centrales eléctricas, que necesitaban un motor potente y de alta velocidad. La turbina de vapor se convirtió en un motor de este tipo, que se puede construir para una gran potencia a alta velocidad. La turbina de vapor reemplazó rápidamente a la máquina de vapor de las centrales eléctricas y los grandes barcos de vapor.
La historia de la creación y mejora de la turbina de vapor, como cualquier gran invención, está asociada con los nombres de muchas personas. Además, como suele ser el caso, el principio básico de funcionamiento de la turbina se conocía mucho antes de que el nivel de ciencia y tecnología permitiera la construcción de la turbina.
El principio de funcionamiento de una máquina de vapor es utilizar las propiedades elásticas del vapor. El vapor ingresa periódicamente al cilindro y, al expandirse, realiza un trabajo al mover el pistón. El principio de funcionamiento de una turbina de vapor es diferente. Aquí, el vapor se expande y la energía potencial acumulada en la caldera se convierte en energía (cinética) de alta velocidad. A su vez, la energía cinética del chorro de vapor se convierte en energía mecánica de rotación de la rueda de la turbina.
La historia del desarrollo de la turbina comienza con la bola de Garza de Alejandría y la rueda de Branca. La posibilidad de utilizar la energía del vapor para producir movimiento mecánico fue señalada por el famoso científico griego Héroe de Alejandría hace más de 2000 años. Construyó un dispositivo llamado bola de Heron (Fig. 1).
La pelota podía girar libremente en dos soportes hechos de tubos. A través de estos soportes, el vapor de la caldera ingresaba a la bola y luego salía a la atmósfera a través de dos tubos doblados en ángulo recto. La bola giraba bajo la acción de fuerzas reactivas derivadas de la salida de chorros de vapor.
Otro proyecto se describe en la obra del erudito italiano Giovanni Branca (1629). Se introduce un tubo en la parte superior de la caldera (Fig. 2).
Dado que la presión del vapor dentro de la caldera es mayor que la presión del aire atmosférico alrededor de la caldera, el vapor sale rápidamente por el tubo.
Un chorro de vapor sale disparado del extremo libre del tubo y, al caer sobre las palas de la rueda, la hace girar.
El modelo de Heron y la rueda de Branca no eran motores, pero ya indicaban posibles formas de obtener movimiento mecánico debido a la energía del vapor impulsor.
Hay una diferencia en los principios de funcionamiento de la bola de Heron y la rueda de Branca. La bola de Heron, como ya se mencionó, gira bajo la acción de fuerzas reactivas. Estas son las mismas fuerzas que empujan el cohete. Se sabe por la mecánica que un chorro expulsado de un recipiente bajo la acción de la presión, por su parte, presiona sobre el recipiente en dirección opuesta a la dirección de salida. Esto es obvio sobre la base de la tercera ley de Newton, según la cual la fuerza que empuja el chorro debe ser igual y de dirección opuesta a la fuerza de reacción del chorro con el recipiente.
En la turbina Branca, la energía potencial del vapor se convierte primero en la energía cinética del chorro que sale del tubo. Luego, cuando el chorro golpea las palas de las ruedas, parte de la energía cinética del vapor se convierte en la energía mecánica de la rotación de las ruedas.
Si la bola de Heron se mueve por fuerzas reactivas, entonces el llamado principio activo se usa en el impulsor Branca, ya que la rueda extrae energía del chorro activo.
El mayor cambio en el diseño de la turbina de vapor y su posterior desarrollo se describió a fines del siglo pasado, cuando en Suecia, ingeniero. Gustav Laval y en Inglaterra Charles Parsons comenzaron a trabajar de forma independiente en la creación y mejora de la turbina de vapor. Los resultados que lograron permitieron que la turbina de vapor se convirtiera eventualmente en el principal tipo de motor para impulsar generadores de corriente eléctrica y que se usara ampliamente como motor para barcos civiles y militares. En la turbina de vapor Laval, creada en 1883, el vapor entra por una o más toberas conectadas en paralelo, adquiere en ellas una velocidad importante y se dirige a las palas del rotor situadas en el borde del disco asentado sobre el eje de la turbina y formando una rejilla de canales de trabajo.
Las fuerzas provocadas por la rotación del chorro de vapor en los canales de la parrilla de trabajo hacen girar el disco y el eje de la turbina asociado con él. Una característica distintiva de esta turbina es que la expansión del vapor en las boquillas desde la presión inicial hasta la final se produce en una sola etapa, lo que provoca altas velocidades flujo de vapor La transformación de la energía cinética del vapor en energía mecánica se produce sin mayor expansión del vapor, únicamente debido a un cambio en la dirección del flujo en los canales de las palas.
Turbinas construidas de acuerdo con este principio, es decir, Las turbinas, en las que todo el proceso de expansión del vapor y la aceleración asociada del flujo de vapor ocurren en toberas fijas, se denominan turbinas activas.
En el desarrollo de turbinas activas de una sola etapa, se resolvieron una serie de problemas complejos, que fueron extremadamente importantes para el desarrollo posterior de las turbinas de vapor. Se utilizaron boquillas expansivas, que permiten un alto grado de expansión del vapor y permiten alcanzar altas velocidades de flujo de vapor (1200–1500 m/s). Para hacer un mejor uso de los altos caudales de vapor, Laval desarrolló un diseño de disco de igual resistencia que permitía operar a altas velocidades circunferenciales (350 m/s). Finalmente, velocidades tan altas (hasta 32.000 rpm) se utilizaron en una turbina activa de una sola etapa que excedía con creces las velocidades de los motores comunes en ese momento. Esto condujo a la invención de un eje flexible, cuya frecuencia de vibraciones libres es menor que la frecuencia de las fuerzas perturbadoras a la velocidad de funcionamiento.
A pesar de una serie de nuevas soluciones de diseño utilizadas en turbinas activas de una sola etapa, su eficiencia era baja. Además, la necesidad de utilizar un reductor para reducir la velocidad del eje de transmisión a la velocidad de la máquina accionada también dificultó el desarrollo de las turbinas monoetapa en ese momento y, en particular, el aumento de su potencia. Por lo tanto, las turbinas Laval, habiendo recibido una distribución significativa al comienzo del desarrollo de la construcción de turbinas como unidades de pequeña potencia (hasta 500 kW), luego dieron paso a otros tipos de turbinas.
La turbina de vapor, propuesta en 1884 por Parsons, es fundamentalmente diferente de la turbina Laval. La expansión de vapor en él se lleva a cabo no en un grupo de boquillas, sino en varias etapas sucesivas, cada una de las cuales consta de paletas de guía fijas (conjuntos de boquillas) y paletas giratorias.
Las paletas de guía están fijadas en la carcasa estacionaria de la turbina, las paletas de trabajo están dispuestas en filas en el tambor. En cada etapa de una turbina de este tipo, se genera una diferencia de presión que es solo una pequeña fracción de la diferencia total entre la presión del vapor vivo y la presión del vapor que sale de la turbina. Así, resultó posible trabajar con caudales de vapor bajos en cada etapa y con velocidades circunferenciales de las palas del rotor más bajas que en la turbina Laval. Además, la expansión del vapor en las etapas de la turbina Parsons ocurre no solo en la boquilla, sino también en la rejilla de trabajo. Por lo tanto, las fuerzas se transfieren a las palas del rotor, causadas no solo por un cambio en la dirección del flujo de vapor, sino también por la aceleración del vapor dentro de la parrilla de trabajo, lo que provoca una fuerza reactiva en las palas del rotor de la turbina.
Las etapas de turbina que utilizan la expansión del vapor y la aceleración asociada del flujo de vapor en los canales de las palas del rotor se denominan etapas de chorro. Así, mostrado en la Fig. 4 era un representante típico de las turbinas de chorro de vapor de etapas múltiples.
El principio de conexión secuencial de etapas, cada una de las cuales utiliza solo una parte de la diferencia térmica disponible, demostró ser muy fructífero para el desarrollo posterior de las turbinas de vapor. Permitió lograr una alta eficiencia en la turbina a velocidades moderadas del rotor de la turbina, permitiendo la conexión directa del eje de la turbina al eje del generador de corriente eléctrica. El mismo principio hizo posible fabricar turbinas de muy alta potencia, alcanzando varias decenas e incluso cientos de miles de kilovatios en una sola unidad.
Las turbinas de chorro multietapa son actualmente muy utilizadas, tanto en instalaciones estacionarias como en la flota.
El desarrollo de las turbinas de vapor activas también siguió el camino de la expansión secuencial del vapor no en una, sino en varias etapas ubicadas una tras otra. En estas turbinas, una serie de discos montados en un eje común están separados por tabiques, llamados diafragmas, en los que se ubican conjuntos de toberas fijas. En cada una de las etapas así construidas, el vapor se expande dentro de una fracción de la pérdida total de calor disponible. En las parrillas de trabajo, solo se convierte la energía cinética del flujo de vapor sin expansión adicional del vapor en los canales de las palas de trabajo. Las turbinas multietapas activas se utilizan ampliamente en instalaciones estacionarias, también se utilizan como motores marinos.
Junto con las turbinas en las que el vapor se mueve en la dirección del eje del eje de la turbina (axial), se crearon diseños de turbinas radiales, en las que el vapor fluye en un plano perpendicular al eje de la turbina. De estos últimos, el más interesante es la turbina radial propuesta en 1912 en Suecia por los hermanos Jungstrom.
Arroz. Dibujo esquemático de la turbina radial Jungström:
1,2 - discos de turbina; 3 – tuberías de vapor vivo; 4, 5 - ejes de turbina; 6, 7 - cuchillas de etapas intermedias
En las superficies laterales de los discos 1 y 2, las palas de las etapas de los chorros se ubican en anillos de diámetro que aumenta gradualmente. El vapor se suministra a la turbina a través de las tuberías 3 y luego a través de los orificios de los discos 1 y 2 se dirige a la cámara central. Desde aquí fluye hacia la periferia a través de los canales de los álabes 6 y 7, montados en ambos discos. A diferencia de los diseños convencionales, la turbina Jungström no tiene conjuntos de boquillas fijas ni paletas guía. Ambos discos giran en sentidos opuestos, por lo que la potencia desarrollada por la turbina debe ser transmitida por los ejes 4 y 5. El principio de contrarrotación de los rotores permite hacer la turbina muy compacta y económica.
SALTO DE PÁGINA--
Desde principios de la década de 1990, el desarrollo de las turbinas de vapor ha sido excepcionalmente rápido. Este desarrollo estuvo determinado en gran medida por el mismo rápido desarrollo paralelo de las máquinas eléctricas y la introducción generalizada de la energía eléctrica en la industria. La eficiencia de una turbina de vapor y su potencia en una unidad han alcanzado valores elevados. En cuanto a su potencia, las turbinas superaron con creces la potencia de todos los demás tipos de motores sin excepción. Hay turbinas con una capacidad de 500 MW asociadas a un generador de corriente eléctrica, y se ha probado la posibilidad de hacer unidades aún más potentes, al menos hasta 1000 MW.
En el desarrollo de la construcción de turbinas de vapor se pueden notar varias etapas que afectaron el diseño de las turbinas construidas en diferentes periodos de tiempo.
En el período anterior a la guerra imperialista de 1914, el nivel de conocimiento en el campo de la operación de metales a altas temperaturas era insuficiente para el uso de vapor a altas presiones y temperaturas. Por lo tanto, hasta 1914, las turbinas de vapor se construyeron principalmente para operar con vapor de presión moderada (12–16 bar), con temperaturas de hasta 350 °C.
Con respecto al aumento de la potencia de una sola unidad, ya se lograron grandes éxitos en el período inicial de desarrollo de las turbinas de vapor.
En 1915, la potencia de las turbinas individuales ya alcanzaba los 20 MW. En el período de posguerra, a partir de 1918-1919, la tendencia a aumentar el poder continúa persistiendo. Sin embargo, en el futuro, los diseñadores de turbinas se dieron a la tarea de aumentar no solo la potencia de la unidad, sino también el número de revoluciones de las turbinas de alta potencia cuando se realizaban con un solo generador de corriente eléctrica.
La turbina de alta velocidad más poderosa del mundo en un momento (1937) fue la turbina de la planta de metal de Leningrado, construida a 100 MW a 3000 rpm.
En el período anterior a la guerra imperialista de 1914, las fábricas de turbinas en la mayoría de los casos producían turbinas con un número limitado de etapas colocadas en una carcasa de turbina. Esto hizo posible que la turbina fuera muy compacta y relativamente barata. Después de la guerra de 1914, la tensión en el suministro de combustible experimentada por la mayoría de los países requirió un aumento integral en la eficiencia de las unidades de turbina.
Se ha encontrado que la máxima eficiencia de la turbina puede lograrse aplicando pequeñas diferencias térmicas en cada etapa de la turbina y, en consecuencia, construyendo turbinas con un gran número de etapas. En relación con esta tendencia, surgieron diseños de turbinas que, incluso con parámetros de vapor vivo moderados, tenían un número extremadamente grande de etapas, llegando a 50-60.
Un gran número de etapas llevó a la necesidad de crear turbinas con varias carcasas, incluso cuando la turbina estaba conectada a un solo generador eléctrico.
Así empezaron a extenderse las turbinas de dos y tres carcasas que, siendo muy económicas, resultaban muy caras y voluminosas.
En el desarrollo posterior de la construcción de turbinas, también hubo un conocido retroceso en esta materia hacia la simplificación del diseño de la turbina y la reducción del número de sus etapas. Las turbinas con una capacidad de hasta 50 MW a 3000 rpm se construyeron durante mucho tiempo solo con dos carcasas. Las turbinas de condensación más nuevas de esta capacidad, producidas por fábricas avanzadas, se construyen con una sola carcasa.
Simultáneamente con las mejoras de diseño de las turbinas de presión moderada (20 - 30 bar) en el período de 1920 a 1940, comenzaron a extenderse las instalaciones de alta presión más económicas, alcanzando los 120 - 170 bar.
El uso de vapor de altos parámetros, que aumenta significativamente la eficiencia de la planta de turbinas, requería nuevas soluciones en el campo del diseño de turbinas de vapor. Se ha logrado un progreso significativo en el uso de aceros aleados, que tienen un límite elástico suficientemente alto y bajas tasas de fluencia a temperaturas de 500 a 550 °C.
Junto con el desarrollo de las turbinas de condensación, ya a principios de este siglo, comenzaron a utilizarse instalaciones para la generación combinada de energía eléctrica y calor, lo que requería la construcción de turbinas con contrapresión y extracción intermedia de vapor. La primera turbina con control de presión constante del vapor de purga se construyó en 1907.
Las condiciones de la economía capitalista, sin embargo, impiden el uso de todas las ventajas de la generación combinada de calor y electricidad. De hecho, la capacidad de consumo de calor en el exterior se limita en la mayoría de los casos al consumo de la planta donde está instalada la turbina. Por lo tanto, las turbinas que permiten el uso del calor del vapor de escape se construyen con mayor frecuencia en el extranjero para capacidades pequeñas (hasta 10–12 MW) y se calculan para proporcionar calor y energía eléctrica solo a personas individuales. empresa industrial. Característicamente, las turbinas de extracción de vapor más grandes (25 MW, y luego 50 y 100 MW) se construyeron en la Unión Soviética, desde el desarrollo planificado economía nacional crea condiciones favorables para la generación combinada de calor y electricidad.
En el período de posguerra, en todos los países europeos técnicamente desarrollados, así como en los EE. UU., se observa un desarrollo cada vez más acelerado de la industria energética, lo que conduce a un aumento cada vez mayor de la potencia de las unidades de potencia. Al mismo tiempo, hay una tendencia a utilizar parámetros de vapor iniciales cada vez más altos.
Las turbinas de condensación de un solo eje alcanzan una potencia de 500 - 800 MW, y con un diseño de dos ejes ya se han construido plantas con una capacidad de 1000 MW.
A medida que aumentaba la potencia, también convenía aumentar los parámetros iniciales de vapor, que se eligieron sucesivamente al nivel de 90, 130, 170, 250 y, finalmente, 350 bar, mientras que también aumentaban las temperaturas iniciales, que ascendían a 500, 535, 565, 590, y en algunos casos hasta 650°C. Hay que tener en cuenta que a temperaturas superiores a 565°C se tienen que utilizar aceros muy caros y menos estudiados de la clase austenítica. Esto ha llevado al hecho de que recientemente ha habido una tendencia a cierta desviación en el rango de temperatura, excluyendo la necesidad de utilizar aceros austeníticos, es decir, temperaturas en el nivel de 540 ° C.
De gran importancia para el desarrollo de turbinas de baja potencia y, en particular, para el desarrollo de turbinas de vapor para barcos, fueron los éxitos logrados en 1915-1920. en el campo de la construcción de reductores. Hasta ese momento, las turbinas de los barcos funcionaban a un número de revoluciones igual al número de revoluciones de las hélices, es decir, 300 - 500 rpm, lo que reducía la eficiencia de la instalación y provocaba grandes dimensiones y pesos de las turbinas.
Desde el momento en que se logró una fiabilidad total y una alta eficiencia en el funcionamiento de los reductores de engranajes, las turbinas marinas están equipadas con transmisiones por engranajes y funcionan a una velocidad mayor, lo que corresponde a las condiciones de funcionamiento más favorables para la turbina.
Para turbinas estacionarias de baja potencia también ha resultado conveniente utilizar una transmisión de engranajes entre la turbina y el generador. El mayor número de revoluciones posible con una conexión directa entre los ejes de la turbina y el alternador de 50 períodos es de 3000 rpm. A potencias inferiores a 2,5 MW, esta velocidad es desfavorable para la turbina de condensación. Con el desarrollo de la ingeniería de cajas de engranajes, fue posible fabricar turbinas a velocidades más altas (5000–10000 rpm), lo que permitió aumentar la eficiencia de las turbinas de pequeña capacidad y, lo que es más importante, reducir su tamaño y simplificar el diseño.
Diseño típico de una turbina de vapor moderna
Al diseñar una turbina de vapor, se tienen en cuenta una serie de requisitos:
– fiabilidad y funcionamiento sin problemas;
– alta eficiencia térmica;
- alta uniformidad de rotación y velocidad, permitiendo el uso de generadores eléctricos de alta velocidad con la posibilidad de su conexión directa al eje del motor;
– la posibilidad de obtener cualquier potencia unitaria requerida en el motor;
– la posibilidad de automatizar el funcionamiento de toda la instalación;
- facilidad de mantenimiento de la instalación;
- compacidad del motor y su relativo bajo costo;
– la posibilidad de trabajar en ciclo cerrado.
Consideremos el diseño de una turbina activa moderna típica utilizando el ejemplo de una turbina de alta presión de la planta de metal de Leningrado. La potencia de esta turbina es de 50 mil kW a 3000 rpm. La turbina es operada por vapor con una presión inicial de 88 bar a una temperatura de 535°C.
Los primeros 19 discos de diámetro moderado están hechos de una sola pieza con el eje de la turbina. Los siguientes tres discos están equipados con un ajuste de interferencia en el eje. Las cuchillas de trabajo se fijan en los bordes de cada disco. Los discos están separados por diafragmas intermedios fijos. Cada diafragma tiene un conjunto de boquillas fijas, en las que el flujo de vapor se acelera y adquiere la dirección necesaria para ingresar a los canales de la rejilla de trabajo formada por las palas del rotor. El aumento gradual de una etapa a otra en la altura de los conjuntos de boquillas y las palas del rotor se explica por el hecho de que a medida que el vapor se expande, su volumen aumenta. Esto requiere un aumento gradual en las secciones de flujo de la ruta de flujo. Las rejillas de toberas de la primera etapa de control están fijadas en las tuberías de suministro de vapor, que están soldadas en la carcasa de la turbina. El vapor se suministra a las boquillas de la primera etapa de control a través de cuatro válvulas de control, dos de las cuales están ubicadas en la mitad superior de la carcasa y dos en los lados de la parte inferior de la carcasa. La parte del cuerpo que cubre las etapas de alta presión está realizada en forma de fundición de acero. Las etapas de baja presión están ubicadas en la parte soldada del cuerpo. El tubo de salida de la turbina también está soldado de chapa de acero y está conectado al condensador mediante soldadura. Al enfriar el vapor que sale de la turbina, la presión en el condensador se mantiene por debajo de la presión atmosférica. Por lo general, esta presión es de 0,03 a 0,06 bar. En la carcasa de la turbina se proporcionan varios ramales para la extracción de vapor de las etapas intermedias de la turbina. Estas extracciones se utilizan para calentar el agua de alimentación que se suministra a la caldera de vapor.
Cuando cambia la carga, resulta necesario cambiar el caudal de vapor que fluye a través de la turbina. Esto se logra abriendo apropiadamente las válvulas de control. Debido al hecho de que las válvulas se cierran y abren en secuencia, parte del vapor que pasa a través de las válvulas completamente abiertas no se arruga y entra en las boquillas de la primera etapa a la máxima presión inicial. Sólo la parte del vapor que pasa por la válvula parcialmente abierta es estrangulado en la válvula y se acerca a su grupo de boquillas a presión reducida. El método de control de entrada de vapor a la turbina, en el que el acceso de vapor a los grupos de toberas se abre secuencialmente, se denomina distribución de vapor por toberas. La primera etapa, que recibe vapor de un número diferente de grupos de boquillas dependiendo de la carga de la turbina, se denomina etapa de control. Junto a este método de distribución de vapor, existe también un método de estrangulación para el suministro de vapor, caracterizado porque la totalidad del vapor suministrado a la turbina pasa a través de una válvula de control común. Con cargas parciales de la turbina, el vapor está sujeto a arrugas debido al cierre parcial de la válvula de control del acelerador.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
El eje de la turbina descansa sobre dos cojinetes que soportan el peso del rotor. El cojinete delantero de la turbina fija simultáneamente la posición axial del rotor en relación con el estator y percibe las fuerzas axiales que actúan sobre el rotor. Por lo tanto, el cojinete delantero es un cojinete de empuje combinado. Su parte de empuje se basa en el principio de un cojinete de segmento Mitchell.
Donde el eje pasa a través de la carcasa de la turbina, hay sellos llamados sellos del extremo del eje. El sello del eje delantero sirve para reducir las fugas de vapor desde la carcasa de la turbina hasta la sala de máquinas. El sello trasero evita que el aire atmosférico sea aspirado hacia el tubo de escape y el condensador de la turbina. La succión de aire en el condensador provocaría un aumento de la presión en el mismo y una disminución de la eficiencia de la turbina. Se suministra vapor a baja presión al sello trasero para evitar que entre aire en el condensador. En los lugares donde el eje pasa a través de los orificios centrales de los diafragmas intermedios, se instalan sellos intermedios para evitar la fuga de vapor de una etapa a otra, sin pasar por los conjuntos de boquillas de la etapa.
El extremo derecho del eje de la turbina está conectado mediante un acoplamiento al rotor del generador, uno de cuyos cojinetes se encuentra en la carcasa del tubo de escape de la turbina.
El extremo delantero del eje de la turbina está conectado mediante un acoplamiento flexible al eje de una bomba de aceite centrífuga de doble cara, que está sostenida por un tubo de succión en la marea en el alojamiento del cojinete delantero. El aceite se suministra a la cavidad de succión de la bomba bajo una ligera sobrepresión por medio de un inyector.
La bomba de aceite proporciona suministro de aceite a los controles del sistema de control (a una presión de 20 bar) y también, mediante un inyector, suministra aceite a los cojinetes del generador y la turbina (a una presión de 0,5 bar). Al final del eje de la bomba hay un controlador de velocidad elástico de alta velocidad que controla los carretes del sistema de control.
En los orificios transversales del extremo frontal del eje de la turbina hay dos percutores de un interruptor de seguridad, lo que provoca un cese completo del suministro de vapor a la turbina en caso de un aumento en su velocidad de rotación del 10 al 12%.
En las turbinas modernas de alta potencia, se proporciona un dispositivo de bloqueo especial, con la ayuda del cual es posible girar lentamente el eje de una turbina inactiva. El dispositivo de giro consiste en un motor eléctrico conectado a un engranaje helicoidal.
El gusano con la ayuda de una rueda helicoidal gira el eje intermedio, en el que, en una llave de tornillo, se encuentra el engranaje impulsor. Este último puede desplazarse en dirección axial y engranar con un gran engranaje montado en un semiacoplamiento que conecta el eje de la turbina y el eje del generador. Cuando se arranca la turbina, cuando su eje es acelerado por el vapor, el engranaje impulsor gira a lo largo de la chaveta helicoidal y se desconecta automáticamente del engranaje que se encuentra en el semiacoplamiento de la turbina.
La carcasa de la turbina, así como las carcasas de los cojinetes, tienen una división horizontal a la altura del eje del eje de la turbina. Para desmontar la turbina, es necesario aflojar la conexión de las bridas del conector horizontal de la carcasa de la turbina y las carcasas de los cojinetes. A continuación, se pueden levantar las cubiertas de la carcasa.
Las turbinas modernas para accionar generadores de corriente eléctrica están diseñadas para operar a una velocidad constante. La preservación de la constancia del número de revoluciones está asegurada por la regulación automática.
Los controles son controlados por aceite. Por lo tanto, el sistema de control suele combinarse con un sistema de lubricación.
En los cojinetes de la turbina se genera una cantidad importante de calor, que debe eliminarse para que la temperatura de los cojinetes no supere la temperatura admisible (aproximadamente 60 °C). La eliminación de calor del rodamiento se realiza mediante un sistema de lubricación circulante, en el que el aceite no solo reduce la fricción al crear una película entre el eje y los semicojinetes, sino que también sirve para enfriar el rodamiento. El aceite calentado que sale del rodamiento se reutiliza para la lubricación después del enfriamiento.
Las piezas del rotor de la turbina de vapor (álabes, discos), incluso a velocidades normales de la turbina, están sujetas a grandes tensiones provocadas por las fuerzas centrífugas. El aumento de la velocidad de la turbina por encima de la velocidad de funcionamiento conduce a un aumento tal de las fuerzas centrífugas que puede provocar un fallo de la turbina. Para proteger la turbina de un aumento inaceptable de la velocidad en caso de mal funcionamiento del sistema de control principal, las turbinas modernas están equipadas con interruptores de seguridad. El interruptor de seguridad generalmente se encuentra en el eje de la turbina. En caso de que la velocidad de la turbina supere la velocidad normal en un 10-12 %, el interruptor de seguridad hace que la válvula de arranque de la turbina se cierre y se detenga rápidamente.
Características de las grandes turbinas de vapor.
El aumento de los parámetros de vapor y la potencia unitaria de las unidades, así como la introducción de sobrecalentamientos de vapor intermedios, condujo al uso de turbinas con una gran cantidad de cilindros. Un aumento del caudal de vapor, por un lado, aumenta la eficiencia de las primeras etapas de la turbina debido al aumento de la altura de los álabes en el cilindro de alta presión (HPC), y por otro lado, complica el diseño de las últimas etapas. El deseo de aumentar la eficiencia térmica del ciclo conduce a una disminución de la presión absoluta en el condensador a 0,03 - 0,035 bar, lo que aumenta significativamente el flujo volumétrico de vapor de la última etapa. Para obtener pérdidas mínimas con la energía cinética de salida, es posible que sea necesaria una gran área barrida por las palas. Su valor requerido se logra, en primer lugar, aumentando la longitud del álabe y el diámetro de la última etapa y, en segundo lugar, aumentando el número de flujos de vapor paralelos en la parte de baja presión (LPP). Para este propósito, también es posible usar cuchillas de dos niveles.
La longitud máxima de la hoja está determinada en gran medida por consideraciones de resistencia. Al mismo tiempo, el problema de crear palas largas no es solo la fuerza, sino también la aerodinámica. Con un aumento en la longitud relativa de las palas, aumenta el riesgo de separación del flujo en la región de la raíz. Esto es un serio obstáculo para un mayor aumento de la longitud relativa de las palas. Métodos modernos diseño permiten evitar separaciones de flujo en los modos de diseño. A cargas parciales, en tales etapas, ocurren separaciones de flujo, cubriendo Area Amplia en la raíz de la rueda. Estos fenómenos reducen la eficiencia de las últimas etapas y también tienen un efecto adverso sobre la fuerza de vibración de la rueda.
El número de salidas de vapor para unidades muy potentes ya llega a ocho. La cuestión de elegir el número de ejes de la unidad está relacionada con la obtención del área de salida máxima. Una unidad de un solo eje es más simple y generalmente más económica que una unidad de dos ejes. Al mismo tiempo, una unidad de dos ejes le permite aplicar velocidad diferente rotación de ambos ejes. La disminución de la velocidad de rotación del LPC permite aumentar el área de entrada de la última etapa al mismo nivel de tensiones admisibles y reducir las pérdidas con la velocidad de salida.
Las unidades de dos ejes son ampliamente utilizadas en el extranjero. Esto se aplica no sólo a plantas muy potentes de tipo convencional, sino también a plantas nucleares que funcionan con parámetros de vapor relativamente bajos y que tienen grandes caudales volumétricos en las últimas etapas de las turbinas. Además, en varios países (EE. UU., países de América Latina, etc.) se utiliza una frecuencia de corriente crítica de 60 Hz, lo que complica enormemente la tarea de crear palas largas a alta velocidad de rotación (3600 rpm).
Sobre la cuestión de cuál de las opciones (de un solo eje o de dos ejes) dar preferencia, no hay consenso. A fines de la década de 1950, los principales especialistas de las firmas extranjeras Brown-Boveri, General Electric y Siemens consideraron que la capacidad máxima rentable de una unidad de un solo eje era de 400 a 500 MW. La última década ha cambiado notablemente la tendencia de la mayoría de las fábricas y empresas en esta materia. Las fábricas y empresas nacionales y extranjeras diseñan y fabrican turbinas de un solo eje, cuya potencia supera significativamente los valores que se consideraban "limitantes" hace solo unos años. (Actualmente se están fabricando y diseñando turbinas con capacidad de 800 y 1200 MW - LMZ, 765 MW - General Electric, 800 - 1000 MW - Siemens, 600 MW - firmas en Inglaterra, Francia, Italia, etc.). La empresa de Alemania Occidental Siemens, sobre la base de cálculos técnicos y económicos, actualmente considera que la producción de unidades de dos ejes de hasta 1000 MW no es prometedora. Al mismo tiempo, las empresas estadounidenses y de Europa occidental producen un gran número de unidades de dos ejes. Las unidades más potentes (800 - 1300 MW) se fabrican actualmente en el extranjero como unidades de doble eje. La URSS produjo turbinas de un solo eje con una capacidad de hasta 800 MW. En la actualidad, LMZ y KhTGZ producen máquinas de un solo eje más potentes.
Con el aumento de los parámetros iniciales de vapor y la potencia unitaria de las unidades, la cuestión de elegir el tipo de distribución de vapor de las turbinas de vapor ha vuelto a ser relevante. Este problema no puede resolverse aisladamente de la cuestión de los modos esperados de operación de la turbina. La distribución de vapor del acelerador proporciona la mayor eficiencia en el modo de diseño. Como lo muestran los cálculos realizados en LPI junto con LMZ, el uso de distribución de vapor de regulación para la turbina K-200-130 en lugar de uno de boquilla con el reemplazo de la etapa de control con tres etapas de presión reduce el consumo de calor específico en la planta de energía. sala de turbinas en modo nominal en aproximadamente un 0,3 %, y para la turbina K-300-240, en un 0,4 %. Este aumento de la eficiencia equivale a un aumento de la eficiencia de la etapa de control de aproximadamente un 2%.
La distribución de vapor por boquilla, inferior a la distribución por estrangulación en modo nominal, la supera en eficiencia a cargas parciales (en los ejemplos considerados, a cargas inferiores al 90% de la nominal). Una de las desventajas significativas de la distribución de vapor por boquilla con parámetros de vapor altos es que, debido a los diferentes estrangulamientos del vapor en las válvulas de control, cuando se abren de manera desigual, las temperaturas de los flujos de vapor que pasan por estas válvulas pueden variar significativamente. Entonces, por ejemplo, en parámetros iniciales de 400 bar, 650 °C, la temperatura del vapor detrás de una válvula abierta al 10 % es 180 °C más baja que la temperatura del vapor detrás de válvulas completamente abiertas.
Tal falta de homogeneidad del flujo y el calentamiento desigual asociado del estator de la turbina pueden causar tensiones térmicas significativas y distorsión de la carcasa. Para eliminar la irregularidad de los parámetros de vapor frente a diferentes grupos de boquillas, se utiliza la admisión simultánea de vapor a varios grupos de boquillas; en este caso, la distribución de vapor de la boquilla se acerca a la del acelerador, y la diferencia en la eficiencia de los modos parciales entre ellos disminuye.
Al mismo tiempo, la potencia de las etapas de control de las turbinas de vapor más grandes alcanzó un nivel extraordinario. Por ejemplo, en la turbina LMZ K-800–240, su potencia es de unos 50.000 kW. El diseño de palas de rotor de tal etapa para condiciones de flujo inestable se vuelve extremadamente difícil. Por estas razones, para unidades de 1000 MW y superiores, se prefiere la distribución de vapor estrangulada.
Una ventaja significativa de estrangulamiento de la distribución de vapor con suministro total de vapor es la mejora en las características de vibración de las palas de la primera etapa. La distribución de vapor estrangulada con suministro total de vapor comienza a usarse cada vez más para potentes turbinas de vapor. Con tal distribución de vapor, se fabricaron turbinas con una capacidad de 1000 y 1150 MW en los EE. UU. La distribución de vapor estrangulada cuenta con una turbina de 1300 MW de potencia, diseñada por la empresa suiza Brown-Boveri para EE.UU. Los nuevos diseños de turbinas LMZ de 1200–1600 MW también permiten la distribución de vapor estrangulada.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
Oportunidades para aumentar la potencia de la turbina de vapor
Se previó aumentar la potencia de las turbinas a 1600 MW e incluso hasta 2000 MW en una serie unificada, en la que la turbina principal es K-1200-240. Esta turbina, bajo ciertas condiciones, puede desarrollar una potencia de hasta 1400 MW. A una temperatura elevada del agua de refrigeración y pk> 4,5 kPa, sobre la base del LPC existente, la potencia de la turbina se puede aumentar a 1600 MW. También se está resolviendo el problema de un generador de vapor en forma de monobloque o, posiblemente, doble bloque (basado en la caldera existente para el bloque K-800-240). También hay que tener en cuenta que la temperatura del agua de refrigeración de la mayoría de los GRES irá aumentando progresivamente y que con el tiempo se utilizarán turbinas para pk = 6,5 kPa, lo que permitirá aumentar significativamente su potencia.
Es aconsejable elegir un rango de potencia fundamentalmente nuevo basado en el principio de duplicación de potencia, es decir establecer la tarea de crear bloques de 2500 - 3000 MW. Resolver este problema requerirá un extenso trabajo de investigación científica y diseño, así como la preproducción en el campo de las turbinas, calderas y generadores. Este trabajo tomará mucho tiempo en completarse. Para un paso tan importante, es necesario revisar tanto los parámetros de vapor como la estructura fundamental de la planta de energía. Consideremos solo las posibilidades de un mayor crecimiento de la potencia de la turbina sin cambios fundamentales en el esquema térmico y los parámetros del vapor.
En la actualidad, existen desarrollos preliminares de turbinas con una capacidad de 2000–2400 MW, que permiten juzgar sus perspectivas.
Al resolver este problema, la elección de la velocidad de rotación del turbogenerador es un tema central. Con una potencia de más de 2000 MW, las turbinas de baja velocidad pueden competir con las de alta velocidad en términos de indicadores económicos generales y confiabilidad. La eficiencia de la HPC de una turbina de baja velocidad es aproximadamente la misma que la de una de alta velocidad, ya que esta última ya requiere una HPC de dos flujos y, en consecuencia, no hay una ganancia notable al aumentar la longitud de las palas. . Estas consideraciones se aplican aún más a la CSD. En una turbina de baja velocidad, el LPC puede, en principio, debido a las menores pérdidas de rendimiento, tener una mayor eficiencia que en una de alta velocidad, o puede reducirse significativamente el número de cilindros en ella. La solución al problema de una turbina de alta velocidad mediante el aumento del número de cilindros de baja presión conduce a una línea de eje demasiado larga, en la que las vibraciones se excitan fácilmente. Sin embargo, si el número de cilindros es limitado, entonces la única forma de aumentar la potencia es aumentar el área S barrida por las palas de la última etapa. Esta área es proporcional a d2l2 o u2l2. Por razones de aerodinámica de flujo, el factor de ventilación dl está limitado (actualmente al menos 2,5). Tomando este coeficiente constante, encontramos que para una velocidad de rotación dada S~u2. Para estas condiciones, a un pk dado, el caudal del vapor LPC y, en consecuencia, la potencia límite de la turbina, es proporcional al cuadrado de la velocidad circunferencial del último PK. Incluso ahora, en la turbina K-1200-240 LMZ, u2 = 471 m/s (u2» = 660 m/s), y en la periferia la velocidad circunferencial excede significativamente la velocidad del sonido. Sin embargo, no se excluye la posibilidad de su mayor aumento.
Si mantiene la pérdida de energía cinética de salida y al mismo tiempo aumenta la velocidad circunferencial, entonces se obtienen pequeños ángulos β2*, lo que puede causar dificultades en el diseño de la sección meridional de la ruta de flujo de las últimas etapas y un álabe fuerte en la parte final. periferia del RC. En tales casos, surge la cuestión de aumentar la velocidad de salida, a pesar del aumento de las pérdidas de salida. Sin embargo, esto sólo es posible hasta cierto límite, ya que, debido a las grandes pérdidas, es imposible permitir el movimiento a velocidades supersónicas en los conductos de salida, que tienen una forma aerodinámica desfavorable.
Cuando se diseñan turbinas de alta velocidad con una capacidad de 2500–3000 MW, también existen dificultades en el diseño de HPC y especialmente HPC debido a las grandes longitudes de las palas y los tamaños de los rotores.
Las turbinas de alta velocidad de dos ejes abren el camino a un aumento significativo de la "potencia límite" manteniendo la alta eficiencia de la instalación debido a un aumento en el número de cilindros de baja presión y cilindros de presión unificados. El problema de los pasos de dos niveles también merece una atención especial.
Debido a las dificultades para diseñar una turbina de alta velocidad con una capacidad de 2000 MW o más, se propone como alternativa una turbina de baja velocidad. Las principales desventajas de este último son: la gran masa y dimensiones de las partes principales, lo que empeora el estado térmico de los cilindros, y también crea dificultades en el transporte, instalación y reparación, y aumenta el costo de los trabajos de construcción en la central. Sin embargo, existe un límite de potencia de turbina, más allá del cual, con los medios técnicos disponibles, una turbina de baja velocidad tiene ventaja sobre una de alta velocidad. Para evaluación comparativa turbinas de este tipo, considere algunas de sus opciones de diseño.
Variantes de diseño de la turbina de 2000 MW a n = 3000 rpm. CKTI llevó a cabo un trabajo de investigación en una turbina de alta velocidad K-2000–240/3000 para parámetros de vapor de 23,5 MPa y 838/838 K. Este proyecto se basó en los parámetros de vapor utilizados actualmente. Se supuso que la temperatura del agua de refrigeración era de 293 y 298 K. Se consideró que el esquema térmico de la unidad era el mismo que en las turbinas modernas del tipo K-1200–240.
Se esperaba que las propiedades mecánicas de los materiales en el momento del proyecto fueran entre un 15 y un 20 % superiores a las actuales. También se asumió que se dominarían las piezas forjadas de aceros inoxidables al cromo con un peso de 60 a 100 toneladas para rotores de alta y media presión y que se fabricarían rotores sin agujeros centrales. Se supuso que sería posible utilizar piezas forjadas de aceros martensíticos inoxidables con un límite elástico de 1200–1400 MPa y un peso de hasta 15 toneladas. Para las hojas de titanio, se eligió un límite elástico de hasta 900 MPa. Básicamente, el proyecto se centró en el nivel ya alcanzado. propiedades mecánicas Materiales de turbina usados y márgenes de seguridad comprobados por experiencia.
Las principales características del proyecto son: un número reducido de etapas en HP de flujo único y HP debido a las altas velocidades circunferenciales (diámetros de los rotores a lo largo de las secciones de raíz d/ = 1400 mm); colocación en un cilindro de alta presión y alta presión; uso para la última etapa del LPC de una pala de longitud l2=1200 mm y diámetro d2=3000 mm (ΣS = 90,4 m2); contrapresión pk = 5,2 kPa; presión de separación entre cilindros 0,7 MPa. En estas condiciones, la turbina resultó ser de cinco cilindros con ocho salidas del cilindro de baja presión con un número total de etapas 49 y con ubicación central del cilindro de alta presión.
Consumo total de vapor G = 6500 t/h. Debido a la alta contrapresión, se obtuvo un gran consumo específico de vapor por cada salida de LPC - 45 t/(m2h), mientras que en la turbina K-1200–240 fue de unas 32 t/(m2h) a pk ~ 3,6 kPa. Energía cinética de salida hC2 = 43 kJ/kg (~10 kcal/kg) y MC2g = 0,85. Esta pérdida de salida es extremadamente alta. La eficiencia interna de CVP y FRR se puede tomar como 0.89 y para baja presión - 0.83. La capacidad HPP es de aproximadamente 700 MW, FRR es de aproximadamente 600 MW y LPR es de 8x105 MW (la potencia interna total es de 2140 MW). ChVD y ChSD son descargados por dummis de la presión axial.
El HPC-LPC combinado está ubicado en el centro de la unidad, y en ambos lados hay 2 LPC cada uno. En comparación con la disposición convencional de cilindros, esto reduce la expansión térmica relativa y reduce el diámetro del eje del cojinete de empuje colocado en el lado HP, lo que permite lograr una velocidad circunferencial aceptable en este cojinete. Además, el tamaño de las tuberías de derivación se reduce debido a la ramificación del flujo inmediatamente después del CSD. También se mejora la característica de vibración de baja frecuencia del HPH, ya que no tiene cuello libre en el lado del cojinete delantero.
En comparación con la turbina K-1200–240, los cuellos del rotor están sujetos a fuerzas mayores (se calculan para un par de cuatro veces en el caso de cortocircuito). Para ellos, se utilizan insertos de rotor con conexiones de brida, hechos de un material particularmente duradero (acero martensítico). Los diámetros de cuello no superan los 600 mm.
La tensión de las carcasas y elementos del estator no supera los valores admisibles en turbinas ya en funcionamiento. Las palas, las conexiones de la cola (tipo abeto), el cuerpo del rotor están extremadamente sometidos a esfuerzos, especialmente en el área de alta temperatura en el CSD, es decir, en la zona de la primera etapa; el rotor puede estar hecho de acero R2M con un margen de límite elástico de 1,25. El cálculo se realizó suponiendo un funcionamiento de 100.000 horas.La producción de piezas forjadas a partir de aceros inoxidables al cromo aumentará la durabilidad de los rotores.
La longitud de la turbina es de 49 m, es solo un poco más larga que la longitud de la turbina K-1200–240.
Se han desarrollado nuevas opciones para conectar el LPC al condensador y la base: la carcasa exterior es una carcasa de paredes delgadas y no sirve como base para centrar la carcasa interior conectada directamente a la base a través del marco.
El contenido específico de metal de la turbina sin condensador, según cálculos preliminares, es de aproximadamente 1,3 kg/kW frente a 1,6 kg/kW para K-1200–240 (con pk = 4 kPa).
Opciones de diseño para una turbina con una capacidad de más de 2000 MW a n=1500 rpm. Para las centrales nucleares se fabrican turbinas con capacidad de 500 y 1000 MW, operando a 1500 rpm. Se incurrió en enormes gastos en relación con la fabricación de los productos más grandes para este propósito, lo que requirió no solo la construcción de nuevos talleres de turbinas, sino también la reestructuración de la industria metalúrgica que sirve a las plantas de turbinas. Gracias a esta contribución a la industria, ahora es posible resolver el problema de un mayor desarrollo de turbinas de servicio pesado en una base amplia, utilizando turbinas de alta y baja velocidad, dependiendo de su rendimiento económico y grado de confiabilidad.
En CKTI se realizaron bajo la dirección de L.D. Frenkel desarrollos de diseño Turbina de 2000 MW a 1500 rpm, que se planteó junto con una turbina de alta velocidad como alternativa de solución. La potencia de 2000 MW está cerca de la frontera de la turbina de alta velocidad, y esto hace interesante la comparación de diseños, aunque esta condición no favorece a la opción de turbina de baja velocidad.
Parámetros iniciales de vapor 23,5 MPa, 833/838 K: contrapresión 5,9 kPa. La temperatura final del agua de alimentación tp.w = 543 K. La trayectoria del flujo se encuentra en un HPC de flujo único (12 etapas) con una capacidad de aproximadamente 710 MW, un HPC de dos flujos (2x8 etapas) y en tres LPC. (2x6 etapas) con una capacidad de 2x127 MW. El número total de etapas es de 64. La etapa con pala l2=1400 mm, d2=4100 mm, d1=2,93 y S=18 m2 sirvió de base para diseñar la parte de flujo del LPC. El consumo específico de vapor del último RC es de unas 33 t/(m2h). La presión detrás de la CVP es de 3,6 MPa, detrás de la CSD de 0,37 MPa.
K. p. d. ChVD y ChVD según los cálculos son aproximadamente 0.89, y para NPV 0.85. Sus altos valores se logran principalmente debido a menores pérdidas de rendimiento detrás de cada última etapa en los cilindros, especialmente en el cilindro de baja presión, donde en el modo de diseño hC2 es -20 kJ/kg, que es aproximadamente dos veces menor que estos. pérdidas en una turbina de alta velocidad. Bajo estas condiciones, el consumo de calor específico es solo un poco menor que para el STP con la turbina K-1200–240.
Una tarea difícil es el diseño de rotores de alta y media presión, en los que las temperaturas locales superan los 803 K y las tensiones de perforación alcanzan los 170 MPa. En los lugares más calientes, el rotor se enfría con vapor llevado al primer sobrecalentador. Cuando estos lugares se enfrían entre 25 y 30 K, se pueden usar aceros perlíticos resistentes al calor. Los diámetros medios de los HPH son de 1800 a 1970 mm, siendo la longitud de la primera y última palas del rotor de aproximadamente 100 y 300 mm, y las mismas dimensiones de los RSD son de 2315 a 2770 mm y los RL de 150 y 410 mm. Los rotores de los HPC y TsSD son soldados, tipo tambor. RVD pesa alrededor de 65 toneladas y RSD, alrededor de 110 toneladas.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
En LPC, la última etapa está relativamente poco estresada. Su cuchilla de trabajo está lejos del límite de tamaño, la tensión en la sección de la raíz proviene de la flexión. promedio PAS σi = 23 MPa (teniendo en cuenta la caída de presión de 29 MPa). Para un material con un límite elástico de σ0.2~640MPa, el factor de seguridad en el rotor es kt~2.8. Todos estos esfuerzos son mucho menores que en turbinas de alta velocidad de la misma potencia.
La masa de RND es de 145 toneladas; nk = 2820 rpm. La masa total de la turbina es de unas 3100 toneladas La longitud de la turbina es de unos 56,5 m.
Comparación de turbinas de baja y alta velocidad. El estudio de proyectos de turbinas de alta y baja velocidad lleva a la conclusión de que la turbina K-2000–240 puede fabricarse de ambos tipos. En términos de eficiencia, ambos tipos de turbinas no deberían diferir significativamente.
Ambas turbinas están diseñadas con cinco cilindros. Al mismo tiempo, el peso de la turbina de alta velocidad (sin condensador) resultó ser menor que el de baja velocidad en más del 20%. Pero se puede hacer una turbina de baja velocidad con una longitud de las últimas palas de 1600 mm o incluso más en dl~3, y entonces el área de barrido de la última RC será de 27 m2, que es 1,5 veces mayor que eso. adoptado en el proyecto y 2,4 veces mayor que la misma área en turbina de alta velocidad con la última pala de 1200 mm de largo. Al mismo tiempo, se reducirá la cantidad de cilindros de baja presión en la turbina de baja velocidad y se volverá más competitiva.
En el proyecto, la turbina de baja velocidad es unos 6,5 m más larga y algo más ancha que la de alta velocidad (el ancho está determinado por el tamaño de la tubería de salida del LPC).
Entre factores positivos turbina de baja velocidad, observamos: bajas velocidades circunferenciales y esfuerzos en el RND, rotores rígidos y relativamente pesados. Este último facilita la eliminación de vibraciones de baja frecuencia. Pero aún así, estas ventajas no pueden considerarse decisivas cuando se considera una turbina con una capacidad de 2000 MW. Las ventajas de una turbina de baja velocidad podrían revelarse con una potencia mucho mayor y con el número y dimensiones óptimos de LPC.
Así, la turbina de vapor es el motor principal de las centrales térmicas y presenta una serie de ventajas frente a otro tipo de motores:
– principio de acción rotacional;
- velocidad y posibilidad de conexión inconsistente con el eje del generador;
– alta eficiencia térmica siempre que se utilicen parámetros de vapor iniciales altos y finales bajos;
– potencia unitaria ilimitada;
- la posibilidad de utilizar cualquier aspecto industrial combustible.
Las desventajas de las turbinas de vapor incluyen:
– grandes dimensiones y peso;
– altas exigencias de pureza del vapor;
– la necesidad de grandes cantidades de agua de refrigeración;
– la imposibilidad de crear una turbina de vapor de baja potencia y muy económica.
Ciclos térmicos de operación de centrales térmicas.
En la primera mitad del siglo XIX. El físico e ingeniero Carnot fue el primero en considerar un ciclo ideal reversible, formado por dos isotermas y dos adiabáticas (Fig. 6), y determinó la eficiencia térmica del ciclo />.
Arroz. 6 Ciclo de Carnot en diagrama T-S
El fluido de trabajo se expande isotérmicamente con la temperatura />=const del punto 1 al punto 2 cuando se suministra calor />, y del punto 2 al punto 3 - adiabáticamente, es decir sin suministro y extracción de calor. La temperatura al final de la expansión T2 es menor que la temperatura T1. Desde el estado en el punto 3, el cuerpo pasa al estado inicial en el punto 1, primero a lo largo de la isoterma T2 = constante con eliminación de calor />, y luego a lo largo de la curva adiabática (línea 4-1).
En el diagrama T-S, el área bajo la curva de un proceso termodinámico es numéricamente igual a la cantidad de calor involucrada en él. La cantidad de calor suministrado/> es numéricamente igual al área del rectángulo/>, y la cantidad de calor extraído/> es el área del rectángulo/>. Por tanto, el área del rectángulo 1234 es numéricamente igual a la cantidad de calor convertida en energía mecánica:
Considere el ciclo de Carnot ideal en la región de vapor húmedo.
Al final del proceso de eliminación de calor en el ciclo de Carnot t.dgrado de sequedad 0<1, поэтому в последующем процессе сжатия daдолжен сжиматься влажный пар от начального состояния />hasta x=0 (t.a). Dado que /> está determinada por el cambio en el volumen específico, el trabajo invertido en la compresión será muy grande (el cambio en el volumen específico es de 3 órdenes de magnitud). Además, para aumentar la eficiencia del ciclo de Carnot, es decir, para aumentar /> y disminuir />, es necesario aumentar la presión inicial y reducir la final, mientras que el punto final del proceso de eliminación de calor es t. aumentará la compresión. Además, dado que hay vapor húmedo al principio del proceso de compresión y líquido saturado al final del mismo, el proceso de compresión en sí no puede llevarse a cabo ni con un compresor ni con una bomba hidráulica. Debido a estas características, el ciclo de Carnot se modificó y se denominó ciclo de Rankine. Los únicos cambios fueron que el proceso de eliminación de calor se lleva a cabo hasta que el fluido de trabajo se condensa por completo.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
Por lo tanto, en el proceso de compresión adicional, no es el vapor húmedo el que se comprime, sino el líquido. Dado que el cambio de volumen con un cambio de presión para un líquido es pequeño, por lo tanto, el trabajo de compresión en el ciclo de Rankine resulta ser mucho menor que en el ciclo de Carnot, es decir, de puede considerarse una isocora. Y dado que la compresión ocurre en condiciones ideales, es decir, adiabáticamente, la línea se llama isocora o isentropía.
Considere el ciclo de operación de las centrales térmicas en el diagrama T-S.
Cuando se suministra y elimina calor, el estado de fase del fluido de trabajo cambia (líquido - vapor - líquido). El calentamiento del agua en el generador de vapor 1 hasta la temperatura de saturación /> a la presión p(línea 1–2), la vaporización (línea 2–3) en el generador de vapor 1 y el sobrecalentamiento del vapor (línea 3–4) en el sobrecalentador 2 del generador de vapor ocurren en p=const. De acuerdo con el diagrama T-S, es posible determinar el estado de fase de 1 kg del fluido de trabajo en cualquier punto del ciclo.
En la región de vapor saturado, el proceso isobárico (línea 2-3) coincide con el proceso isotérmico, es decir la vaporización se produce a presión y temperatura constantes Tp. El agua ingresa al generador de vapor 1 con un contenido de calor />, que está representado por un área de 1a0d. La cantidad de calor gastado en calentar agua a la temperatura de saturación (ebullición) es numéricamente igual al área de 12 bar; para vaporización - área 23 wb; por sobrecalentamiento de vapor: un área de 34 guardias. La cantidad total de calor /> transferida al fluido de trabajo es numéricamente igual al área de 1234 ha. Esta es la cantidad de calor en el proceso isobárico de su suministro.
En una turbina ideal, la expansión del vapor ocurre a lo largo de una isentropía (línea 4-5). Después de la turbina, el vapor ingresa al condensador, donde transfiere calor al agua de enfriamiento, que ingresa a la fuente fría (río, lago, etc.). El proceso de condensación del vapor que sale de la turbina se muestra en la línea 5-1. La cantidad de calor que se le da a la fuente fría es numéricamente igual al área de 51 ag:
donde />kcal/kg en plantas de turbinas de vapor que operan en vacío profundo.
La condensación de vapor se produce a una temperatura constante /> y una presión constante /> kgf/cm, es decir Los procesos isobáricos e isotérmicos coinciden.
Estado y perspectivas de desarrollo de las turbinas de vapor domésticas.
La construcción de turbinas de vapor de energía doméstica estuvo durante mucho tiempo en el nivel alto. Las turbinas y otros equipos de plantas de turbinas (PTU) se diseñan y fabrican en plantas rusas y dos plantas ucranianas: la planta de turbinas de Kharkov (ahora Turboatom) y la planta de bombas de Sumy. Todo el equipo de la planta de energía completado por tu cuenta a diferencia de, digamos, Estados Unidos y Japón, donde también se utilizan equipos importados (en particular, turbinas de vapor).
Nuestras fábricas han creado PTU, turbinas y sus elementos, muchos de los cuales aún no han sido superados en el exterior. En este sentido, podemos destacar la turbina de un solo eje SKD LMZ K-1200-23.5 más grande del mundo para impulsar un generador eléctrico de dos polos, que ha estado operando con éxito en Kostromskaya GRES durante más de 20 años. En general, en la Federación Rusa el número de turbinas de presión supercrítica (SKD) es mayor que en cualquier otro país: 100 turbinas de condensación. Al mismo tiempo, casi toda la industria energética en Europa (excepto los países de la CEI), los países en desarrollo y, en gran medida, los Estados Unidos, hasta hace poco, se centró en la presión subcrítica p = 16,3 - 18 MPa. En el extranjero, en las centrales térmicas de vapor, rara vez se encuentra un vacío de diseño tan profundo, como en nuestros TPP, en tcool.w = 12 C, aunque esto complica significativamente la creación de turbinas potentes.
Solo en países antigua URSS Durante mucho tiempo estuvieron en funcionamiento turbinas de vapor saturado de cinco cilindros y alta velocidad con una capacidad de 500 y 750 MW fabricadas por Turboatom y una capacidad de 1000 MW LMZ. El esquema de estas turbinas: 2 cilindros de baja presión en los lados del HPC de doble flujo; El eje complejo de múltiples soportes tiene buenas características de vibración. Algunas turbinas de centrales nucleares domésticas de alta potencia, baja velocidad a 25 1/s: turbinas Ne>500 MW Turbate para centrales nucleares de doble circuito con reactores VVER.
Casi la mitad de las centrales eléctricas rusas que utilizan combustibles fósiles son centrales térmicas con generación combinada de calor y electricidad económica y ambientalmente favorable. En total, fuera de los países de la CEI no hay tantas turbinas de cogeneración como las desarrolladas por TMZ y LMZ, no hay tanta variedad de diseños, esquemas, capacidades. Las primeras turbinas de cogeneración SKD del mundo con una capacidad de hasta 300 MW (T-250/300–23.5 TMZ) se dominaron a principios de la década de 1970. En la actualidad, 22 unidades de energía de este tipo están en funcionamiento en los CHPP de la Federación Rusa.
En nuestro país, por primera vez, se utilizaron sistemas de extracciones de calor de dos etapas, extracciones térmicas de presión no regulada. Ahora, tales sistemas se usan ampliamente tanto en nuestro país como en el extranjero, donde en los últimos años, incluso en el noroeste de Europa, en la República Popular China, las centrales térmicas se han generalizado y en Dinamarca en unidades de energía a carbón con una capacidad de hasta 400 MW y más. Sin embargo, en esta área, tanto en términos de parámetros como de eficiencia, empezamos a quedar rezagados, suministrando cada vez más pequeñas unidades a nuestras propias CHPP, que son ineficientes y relativamente costosas.
Se sabe que el elemento más complejo de la turbina es la última etapa. Un aumento en su longitud (a la misma frecuencia de rotación n) y un área anular Ω caracteriza en gran medida el nivel técnico de la planta de turbinas, la empresa. Una de las formas progresivas de solucionar este problema (después de unos 5 años, cada empresa cambia a las últimas palas de gran tamaño) es la fabricación de palas a partir de una aleación de titanio. Por primera vez, tales palas, primero con una longitud de 960 mm y luego de 1200 mm con Ω = 11,3 m2, se colocaron en turbinas LMZ. Muchas empresas líderes también han intentado instalar palas de titanio en las últimas etapas, pero a menudo sin éxito. Solo desde 1992, y en USA por la empresa americana General Electric (DE) y posteriormente, empresas japonesas han puesto en funcionamiento turbinas con álabes de titanio de 1016 mm de largo.
Pero incluso con una aleación de titanio liviana, no es fácil resistir la fuerza centrífuga de las hojas largas. Primero, se utilizó un rotor soldado para esto, y luego se fabricó un rotor único de gran tamaño sin perforación central en la planta de Izhora para los cilindros de baja presión de las turbinas LMZ K-1000–5.9. Los rotores sin orificio central, especialmente de tales tamaños, todavía no se usan en ninguna parte. Solo se conocen los proyectos de estos rotores, desarrollados por Siemens para sus potentes y prometedoras turbinas.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
De los otros logros de la construcción de nuestra turbina, cabe destacar el diseño del paquete de palas de rotor utilizado por LMZ en la etapa de control (con su potencia de 50 MW) de la turbina K-800–23.5–5. Con suministro de vapor parcial nuevo diseño LMZ permite tensiones de flexión varias veces mayores que las aceptadas anteriormente. Los paquetes de álabes son utilizados por LMZ y Turboatom en otras etapas de sus turbinas. El empaque con ligadura de anillo no solo aumenta la confiabilidad de las cuchillas, sino que también le permite aumentar la eficiencia de las etapas, especialmente en modos de operación variables.
En la construcción de turbinas a gran escala, la competencia ha afectado favorablemente todas las características de PTU: para unidades de condensación LMZ y Turboatom, para unidades de calefacción - TMZ y LMZ.
Las ventajas de las turbinas domésticas, incluidas las mencionadas anteriormente, se explican por el nivel correspondiente de construcción de turbinas de vapor. Esto se ve facilitado por la formación de personal científico y de ingeniería altamente calificado en las principales universidades del país, investigaciones científicas de gran volumen, diversidad, profundidad, realizadas en laboratorios de fábrica y oficinas de diseño, institutos de investigación y universidades técnicas. Se crearon escuelas científicas y de diseño de renombre mundial. Las plantas de turbinas fueron equipadas con modernos equipos tecnológicos, de control y experimentales. Por ejemplo, de los tres stands experimentales a gran escala disponibles en el mundo, dos están ubicados con nosotros: en LMZ y TMZ. La literatura técnica juega un papel importante en la formación del personal, incluidos los trabajadores, en el análisis y dominio de la experiencia existente, y en el uso de los mejores avances científicos y técnicos. Hay más libros en ruso sobre turbinas de vapor, escuelas vocacionales y problemas relacionados que en otros idiomas en total. Nuestra literatura sobre turbinas de vapor se traduce al idiomas extranjeros. Por ejemplo, solo los libros del profesor del departamento de turbinas de vapor de MPEI se publican en 12 idiomas. Cabe señalar que algunos países con construcción de turbinas desarrolladas (EE. UU., Francia, Japón) no tienen sus propios libros sobre turbinas de vapor, cuyo contenido corresponde al nivel moderno.
En todas las turbinas de plantas domésticas, se utilizan ampliamente rejillas de turbina, etapas estándar, partes de flujo y otros elementos de la ruta de vapor creados por nosotros. Se elaboran aerodinámicamente, a veces tienen una forma poco convencional, se prueban en túneles de viento y vapor, en turbinas experimentales (ET), en stands a gran escala, en centrales eléctricas. CKTI y la Universidad Técnica Estatal de San Petersburgo tienen un ET único con eje dividido. Se otorga un lugar importante en la investigación y el desarrollo, hasta el acabado en las centrales eléctricas, a la desafinación de vibraciones de palas y rotores, modos variables, a veces muy complejos: estos son modos LPC con pasajes de vapor volumétricos reducidos GKvK. Como en ningún otro lugar, el volumen y la amplitud de la investigación sobre la dinámica de gases del vapor húmedo y la separación de humedad son los más importantes. El resultado del desarrollo de reconstrucciones de turbinas realizadas por fábricas, centrales eléctricas, institutos de investigación y organizaciones de ajuste fue que muchas turbinas, incluidas las muy potentes, en lugar del recurso de diseño inicial de 100 mil horas, operan 200 mil horas o más. Las fábricas rusas y ucranianas exportaron turbinas a decenas de países. Esta rentable exportación de productos intensivos en ciencia continúa hasta el día de hoy. Sin embargo, uno no puede dejar de notar serias deficiencias en el desarrollo, fabricación y operación de las escuelas vocacionales nacionales. Estos a menudo incluyen alta calidad equipo auxiliar. Esto fue facilitado por el hecho de que durante mucho tiempo las plantas de turbinas no fueron responsables de toda la escuela vocacional, sino solo del equipo de fabricación propia: una turbina y una unidad condensadora. Al probar PTU en centrales eléctricas, evaluar el funcionamiento de las centrales, sus oficinas de diseño, comparar con los indicadores de garantía, se realizaron correcciones para las características reales de los equipos de fabricación "extranjera": calentadores, bombas, su accionamiento, separadores-recalentadores de energía nuclear. plantas, accesorios, etc.
Las principales firmas extranjeras, preocupaciones, empresas transnacionales productoras de turbinas están diversificadas. También crean tecnología electrónica e informática, incluidas las utilizadas en la industria militar. Esto se aplica al diseño de turbinas, robots para la fabricación de palas, sistemas de control, equipos de control, mediciones, etc. Tenemos una situación diferente, que básicamente se mantiene ahora, a pesar de los casos individuales de uso de los resultados de la conversión del VPK. Hoy en día, en gran medida, tanto en el desempeño de I+D como en la producción y operación de turbinas en escuelas vocacionales, se utilizan ampliamente nuevos programas, CAD y diagnósticos basados en computadoras modernas. Todo esto, incluyendo todo sistemas automatizados El control y la protección, así como los elementos primarios para los sistemas de control de procesos automatizados, está en gran medida conectado con los desarrollos que surgieron del complejo militar-industrial. Entonces, en las partes de flujo de las turbinas de gas, se utilizan algunas soluciones aerodinámicas y de diseño nuevas, que luego y en menor medida se utilizan en las turbinas de vapor domésticas, aunque fue para ellas que fueron propuestas y estudiadas en universidades técnicas e institutos de investigación. . En turbinas extranjeras nuevas, se utilizan ampliamente: un perfilado especial del bypass meridional de álabes de tobera de baja altura desarrollado en MPEI; cálculo totalmente espacial, teniendo en cuenta la influencia de la viscosidad y la influencia mutua de las rejillas; palas inclinadas (con un ángulo variable a lo largo del radio) en el sentido de rotación, propuesto por MPEI y denominado "en forma de sable"; fugas direccionales de raíz intervencionista; diseños de sellos originales y mucho más. Al mismo tiempo, la mayoría de las soluciones enumeradas anteriormente se propusieron o desarrollaron por primera vez en Rusia, y la literatura extranjera a menudo se refiere a nuestra prioridad.
Muy a menudo, un cambio en los diseños de las turbinas, aunque proporciona un aumento de la eficiencia y la fiabilidad, conlleva un aumento del coste de I+D y de la propia turbina, y por lo tanto rara vez se utiliza en las plantas rusas.
Al exportar equipos eléctricos, incluidas las escuelas de formación profesional, los contratos siempre indican sus características de garantía. Si las pruebas muestran desviaciones en la eficiencia de la PTU de la garantía, entonces el fabricante paga al comprador (central eléctrica o sistema de potencia) o, por el contrario, recibe incentivos financieros que, sin embargo, casi no alcanzan a los creadores directos de turbinas y PTU. Desafortunadamente, no existe tal regla para entregas nacionales, y el costo de la unidad prácticamente no depende de sus características reales obtenidas durante la prueba y operación. También no responsabilidad fabricantes mientras reduce la confiabilidad del equipo. Por supuesto, cuando se descompone, la planta suministra (no siempre ella misma) piezas nuevas, reparaciones, pero no compensa la subproducción de energía no planificada. En los últimos años, una parte considerable de las ganancias y la carga de trabajo de las empresas extranjeras de ingeniería de energía ha provenido de contratos para el mantenimiento continuo a largo plazo de los equipos después del final de un breve período de garantía de solo dos años. Dichos acuerdos también deberían ser vinculantes para nosotros. Sería justo que todas las desviaciones de las características garantizadas afectaran materialmente a los artistas, especialmente ahora que la mayoría de las empresas han sido total o parcialmente privatizadas.
Recientemente, la cantidad de problemas con los equipos ha aumentado: mayor vibración rotores; rotura de álabes, especialmente en etapas donde el proceso de expansión del vapor ocurre cerca de la curva límite; deflexiones de diafragmas, etc. Así, en una de las mayores turbinas multicilíndricas de baja velocidad de una central nuclear, en la cuarta etapa desde el final del LPC, se encontraron roturas o grietas en las raíces de los álabes. Requieren un rediseño completo, cuyo costo es extremadamente alto. Aparentemente, un contrato con la planta para el mantenimiento permanente, que incluiría tanto el costo de las reparaciones no programadas como el reemplazo forzoso de piezas, le habría costado menos a la planta.
En los últimos años, ha habido una tendencia en la industria energética mundial a crear equipos significativamente mejorados, incluidas turbinas y STP. Prácticamente en todas las centrales eléctricas de vapor (combustible fósil) construidas recientemente por empresas extranjeras, que se están construyendo ahora y ordenadas para ser puestas en funcionamiento antes de finales del siglo pasado y principios de este, la eficiencia neta de la energía unidad en lugar del reciente />= 36–39 % aumentó a 43–46 % (a veces ya según datos de prueba) y está previsto (además, para centrales eléctricas de carbón) aumentarlo a 47-49 %.
Tal aumento en la eficiencia de las unidades de potencia se explica por un aumento en los parámetros de vapor vivo, temperaturas de recalentamiento y agua de alimentación, una profundización del vacío, una mejora radical en el equipo: el principal (plantas de calderas y turbinas de vapor) y auxiliar. Para turbinas potentes (y estamos hablando de unidades de hasta />= 1000 MW), aproximadamente la mitad de la ganancia de eficiencia de toda la unidad de potencia se determina cambiando los parámetros, la otra mitad se determina mejorando el diseño de la propia turbina. . Nuevas, incluidas las mencionadas anteriormente, las mejoras en la turbina proporcionan una mayor parte del aumento de la eficiencia, cuanto menor sea la potencia />.
Ahora, comenzando con />, como regla general, se crean turbinas SKD. Teniendo en cuenta un conjunto de medidas para reducir las pérdidas finales en rejillas y juntas, se considera la viabilidad técnica y económica de ACS incluso en />, a partir de 100 MW. Los parámetros de vapor en unidades de potencia individuales aumentan a 28–31 MPa, 580–600 />, varias empresas han comenzado a diseñar con una transición a />, han aparecido estudios sobre la posibilidad de cambiar a una temperatura aparentemente fantástica de 720 /> >.
Todavía tenemos unidades de potencia a presiones de vapor frente a la turbina: 12.8 y 23.5 MPa se vieron obligados a transferir desde temperaturas de 560/565 a 540/540/> (sin contar la turbina piloto KhTZ SKR -100 descrita en detalle en la literatura a 30 MPa, 650/>). En los últimos 30 años, no se ha creado ni diseñado (no pedido) ni una sola turbina para nuevos parámetros de vapor aumentados. Además de los cambios cardinales mejorados individuales y privados en la trayectoria del flujo de las turbinas y en STU, todavía no hay estudios de diseño para algunos elementos.
Continuación
--SALTO DE PÁGINA--
También es alarmante que se esté reduciendo el volumen de investigación, especialmente de las experimentales que se realizan en las propias plantas ya pedido de las mismas en institutos de investigación y universidades. Por supuesto, la reducción producción industrial afecta la demanda de electricidad. Sin embargo, en algunas regiones aún falta. Qué gran desperdicio de combustible, qué exacerbación de la situación ambiental en relación con esto se debe al hecho de que las salas de calderas relativamente grandes en la Federación Rusa suministraron 2 veces más calor que en las centrales térmicas. Pero, lo principal es la creciente proporción de equipos que han agotado su recurso físico. Hoy es de 20 millones de kW, y para 2010 esta cifra alcanzará los 90 millones de kW, es decir. casi la mitad de las capacidades de generación en RAO UES de Rusia, sin mencionar las pequeñas turbinas industriales y de servicios públicos, donde las unidades de producción incluso antes de la guerra todavía están en funcionamiento.
La baja fiabilidad de los equipos exige reparaciones cada vez más frecuentes y costosas. Este es un problema no solo para nuestro, sino para todo el sector energético mundial. Por supuesto, la obsolescencia de estos equipos también está ocurriendo al mismo tiempo. Se reconoce que las turbinas de vapor más nuevas comparadas con las diseñadas hace 10-15 años (y tenemos una mayoría tan abrumadora) con los mismos parámetros y la misma área de escape pueden aumentar la eficiencia de las turbinas de vapor en un 4,5-6,0% (relativo) . También debe tenerse en cuenta que próximamente, debido a la expiración de la operación permitida de las centrales nucleares, sus unidades de potencia, incluidas aquellas con una capacidad de 1000 MW, tendrán que ser apagadas, muchas de las cuales están ubicadas en el países de la antigua URSS, incluida la Federación Rusa. Esto se aplica principalmente a la central nuclear de Leningrado con una capacidad nominal de 4 millones de kW, que todavía proporciona una parte significativa de la generación de electricidad de toda la región noroeste de Rusia. Las turbinas de las centrales nucleares para reemplazar las unidades de potencia que han agotado sus recursos deben tener una eficiencia correspondiente al nivel actual.
El problema del reequipamiento técnico de equipos que han agotado sus recursos no puede resolverse sin un aumento radical simultáneo de su eficiencia. Y aquí, por primera vez en nuestra historia, la industria nacional enfrentó la competencia de firmas extranjeras. Para reemplazar el equipo de las centrales eléctricas en los países del antiguo CAME, se organizó un consorcio económico que incluía empresas líderes en ingeniería eléctrica y metalúrgicas. Europa Oriental. Varias empresas están haciendo esfuerzos para ganar estos pedidos, la primera parte de la cual se estima en $ 2,3 mil millones. Ya se han presentado proyectos para la modernización de turbinas específicas. Por ejemplo, en la unidad de potencia SKD con una capacidad de 300 MW con una turbina Turboatom en Zmievskaya GRES, se propuso reemplazar el HPC con un cilindro tipo olla de Siemens, el HPC del proyecto Alstom y el DEK, dejando el Kharkov LPC sin cambios. La práctica de la industria eléctrica nacional tiene una triste experiencia de combinar turbinas con una capacidad de 500 MW, cuyos elementos individuales son creados por diferentes plantas. Estuvieron acompañados de averías repetidas, y no está claro cuál de los fabricantes es responsable de esto.
No hay duda de que si en el futuro, incluso en un futuro no muy lejano, no habrá una mejora en todos los indicadores operativos de las unidades de potencia, sus STP y turbinas, incluso en términos de eficiencia, confiabilidad, respeto al medio ambiente, si estos indicadores resultan ser peores que los de los equipos que ofrecen las empresas extranjeras, la ingeniería eléctrica nacional dejará de existir. Hasta hace poco era una de las ramas de la industria pacífica donde podíamos competir con éxito con otros países desarrollados. En última instancia, esta situación conducirá a la pérdida de la independencia energética. jugando un papel decisivo en la independencia del país. Para imaginar lo que nos depara el futuro, consideremos la situación en Kazajstán. Allí, durante 25 años, la gestión de la energía nacional se transfirió a la transnacional ABB. Es ingenuo pensar que todo equipo de poder, incluidas las turbinas de vapor, tanto nuevas como reconstruidas, serán fabricadas. como antes, en las fábricas rusas, no en ABB. Está claro de dónde se suministrarán las piezas de repuesto y dónde se realizarán las reparaciones.
Junto con muchas formas, hoy casi indiscutibles, de aumentar la eficiencia de la ruta de flujo y reducir las pérdidas en toda la ruta de vapor, hay algunos problemas de desarrollo óptimo de las turbinas de vapor que deben discutirse. Uno de ellos es el diseño de cilindros y piezas de turbinas para unidades de varios cilindros, que incluyen turbinas con una capacidad de más de 200 y, en ocasiones, incluso 100 MW.
Los cilindros de baja presión suelen ser de doble flujo con suministro de vapor neutro. Si las dimensiones de la última etapa y el paso volumétrico nos permiten limitarnos a una corriente, entonces es lógico abandonar el sótano y la ubicación lateral aún más favorable de los condensadores. El condensador axial aumenta notablemente la eficiencia del complejo: la última etapa + tubería de salida reduce significativamente los costos de construcción en la sala de turbinas. En Francia existe un proyecto de este tipo para una turbina de 300 MW. En relación a nuestras condiciones, el MPEI ha desarrollado variantes de turbina de flujo único de potencia aún mayor con vacío empeorado y el uso de un álabe LMZ-MPEI muy largo.
Los cilindros de alta presión pueden ser de flujo simple: K-200–12.8 LMZ; T-100–12,8 TMZ; turbinas de la serie SKD Turboatom; la mayoría de los coches de las firmas europeas. Para las turbinas SKD, LMZ utiliza cilindros de baja presión de tipo bucle con un suministro central de vapor. Sus ventajas son el equilibrio de fuerzas axiales, fugas finales más pequeñas. Los resultados de cálculos detallados así como de algunas pruebas realizadas por ORGRES. Especialmente después de la instalación de difusores detrás de las últimas etapas de ambos compartimentos, estos mostraron su mayor eficiencia en comparación con un HPC de flujo único. En las turbinas Mitsubishi con una capacidad de 700 MW, el HPC se realiza con un suministro central de vapor y dos flujos simétricos, incluidas dos etapas de control. Un diseño diferente de un HPC reactivo requiere un maniquí, a veces incluso dos. En este caso, aparecen fugas adicionales, cuanto más grandes, más pequeñas />.
Cilindros de media presión de turbinas LMZ con capacidad de />=200 MW, otras turbinas de alta capacidad - flujo simple; en unidades de SKD LMZ de 500 a 1200 MW, así como muchas turbinas extranjeras potentes: doble flujo. Son más eficientes, pero debido al rotor muy largo y flexible durante el funcionamiento, los arranques y paradas frecuentes aumentan las fugas en las etapas. Esto se puede evitar utilizando el control de espacios en turbinas activas. El diseño de las turbinas de vapor SKD LMZ y Turboatom K-300-23.5 no es del todo exitoso, donde el CSD y uno de los tres flujos LPR están conectados en un cilindro. Antes de LPH-1, se toman 2/3 del flujo de vapor y sus primeras etapas fluyen con mayores pérdidas. En una combinación tan larga de flujo único del LPDC, se requiere un maniquí, lo que reduce la eficiencia y la maniobrabilidad y requiere refrigeración. Es posible una variante de un TsSND combinado con un suministro central de vapor, pero es estructuralmente más complejo.
En muchas grandes turbinas estadounidenses y japonesas, así como en los estudios de MPEI, se adopta un CVSD combinado. En la turbina japonesa K-600-24.1, su uso permitió abandonar el cilindro de presión principal y reducir las dimensiones axiales de la unidad de turbina en 8 m, convirtiéndola en una unidad de tres cilindros. Su ventaja a alta tpp es el enfriamiento natural de la sección de alta temperatura del rotor LPC y la entrada al CSD por fuga a través del sello intermedio, la desventaja es la gran longitud y, a veces, el aumento del diámetro del rotor. Pero en la turbina de 600 MW de la compañía Toshiba antes mencionada, en n=50 1/s, solo hay 15 etapas en el CVSD. La planta de Izhora también puede fabricar rotores largos sin perforación central a temperaturas elevadas. Dependiendo del rotor LPC seleccionado (con pala de 960 o 1200 mm), la unidad piloto de potencia de 525 MW propuesta por MPEI puede ser de cuatro cilindros (como lo son ahora las turbinas LMZ y Turboatom K-500-23.5) o de tres cilindros. .
La elección de uno u otro diseño de una turbina multicilíndrica a diferentes capacidades y presiones en el condensador permite fabricar una gran serie de turbinas a partir de un conjunto de cilindros iguales o diferentes únicamente en la altura de las palas. Hoy, con una competencia intensa, esto es muy importante, porque preserva el complejo de I+D necesario, reduce significativamente la duración desde el inicio de un pedido hasta la puesta en marcha. Esto, en particular, se enfatiza en publicaciones extranjeras dedicadas a los detalles de la ingeniería energética en condiciones de mercado.
Desde la época de las primeras turbinas, la posición de las empresas y plantas a la hora de elegir el tipo de álabes (activos y reactivos) ha sido diferente. Esto se aplica a CVP y CSD. Los álabes reactivos permiten mejorar el flujo alrededor de las rejillas de trabajo y reducir las pérdidas de producción. Pero al mismo tiempo, especialmente para palas de pequeña altura, aumentan las pérdidas por fugas, aunque hoy en día se reducen en una etapa mediante varios sellos con 10–16 crestas. Al mismo tiempo, aumenta el número de etapas y, en consecuencia, el costo de la unidad. Actualmente, las turbinas de tipo activo permiten aumentar significativamente la eficiencia de las etapas utilizando ciertas medidas, incluida la fuga de raíz intervencionista. Sin embargo, las turbinas de tipo activo requieren una fabricación y un diseño de diafragmas de alta calidad, cuyo grosor aumenta con el aumento de p
En los últimos años, las empresas energéticas de Francia e Inglaterra se han pasado a las turbinas de tipo activo. Algunas empresas, como Mitsubishi, utilizan un diseño reactivo para grandes unidades de potencia y, con mayor frecuencia, un diseño activo para máquinas CCGT, marinas e industriales. En Estados Unidos existe prácticamente una sola empresa DE con turbinas de tipo activo. En LMZ, teniendo en cuenta las dificultades asociadas con el diseño y operación de diafragmas, se está considerando una variante de HPC con álabes reactivos. Aparentemente, solo un análisis de la operación a largo plazo de las centrales eléctricas, comparaciones técnicas y económicas confiables de ambos tipos de palas darán la solución óptima, tanto en términos de confiabilidad, como en términos de eficiencia y en términos de costo de fabricación. Sin embargo, en todos los casos, se necesita un considerable complejo de estudios para alcanzar los resultados de las empresas líderes, y más aún el resultado previsto para las nuevas escuelas profesionales ya ordenadas. El aumento anterior en la eficiencia de la unidad de potencia con los mismos parámetros en un 4,5–6,0 % (relativo) es una cifra impresionante. Después de todo, solo Δη=1% (relativo) para RAO "UES de Rusia" proporciona ahorros anuales de combustible de más de 2 millones de toneladas, lo que al mismo tiempo mejora el desempeño ambiental.
Ahora se da más importancia que antes a las condiciones de trabajo de las escuelas de formación profesional en modalidad variable. Por lo tanto, el problema de elegir el sistema óptimo de distribución de vapor resultó ser más importante. La distribución de vapor por boquilla que nos es familiar permite reducir la fuga final, reducir el número de etapas y facilitar el enfriamiento de la HP en la HPC combinada. Al mismo tiempo, es evidente la mayor fiabilidad y eficiencia del funcionamiento de la unidad de potencia bajo presión deslizante. En este caso, con distribución de vapor por estrangulación y en todas las cargas, la eficiencia neta de la unidad de potencia aumenta, y con distribución de vapor por boquilla, solo a potencias inferiores a aproximadamente el 70% de la nominal.
Ahora y en el futuro, CCGT ocupa un lugar cada vez mayor en el sector energético. Al utilizar gas, ya ofrecen una eficiencia superior al 58%. La comparación técnica y económica de los CCGT altamente eficientes con las nuevas unidades avanzadas de energía de vapor alimentadas con carbón en términos del costo de un kilovatio-hora generado depende de muchos factores, principalmente de los precios de varios combustibles. Curiosamente, muchos países europeos, EE. UU., China, Japón, incluidos los que tienen su propio gas natural, están construyendo unidades de energía de vapor alimentadas con carbón que utilizan gas para otros fines. Aunque algunas ventajas de la utilización de CCGT son obvias: mejor eficiencia, menor área requerida y lo que a menudo es decisivo hoy en día es un consumo significativamente menor de agua de refrigeración. Las centrales de ciclo combinado que utilizan combustibles sólidos aún no han recibido distribución masiva, no han sido probadas durante mucho tiempo y su eficiencia es algo inferior a la que se logra en las modernas unidades de potencia de vapor a carbón. Las plantas de ciclo combinado de todo tipo también requieren una alta eficiencia de su parte de turbina de vapor. En las nuevas CCGT puramente binarias con GTP de alta temperatura, cuya potencia a n=50 1/s ya es de 240 MW, y en las cada vez más comunes CCGT de un solo eje, la potencia de la turbina de vapor es de aproximadamente 120 MW. Al mismo tiempo, la turbina de vapor ahora tiene tres presiones, con recalentamiento y p0 hasta 16 MPa. A menudo, las turbinas de vapor para CCGT se diseñan, como es habitual en las centrales térmicas, sin tener en cuenta sus características: prácticamente sin extracciones, preferentemente con una salida de la LPP, alta humedad final y varios tipos de condensadores. Si antes se trataba de una pequeña participación de turbinas de vapor para CCGT en empresas de turbinas de vapor, ahora, por ejemplo, en General Electric, su participación en la producción de turbinas de vapor ha alcanzado el 45%.
Debe entenderse claramente que si no se produce un salto cualitativo serio en el futuro cercano en la industria de ingeniería eléctrica nacional, incluido el diseño de turbinas de vapor, pronto nuestras centrales eléctricas comprarán las mejores turbinas, y posiblemente más baratas, de extranjeros. empresas Las empresas nacionales deberán ocuparse de la parte de construcción y la fabricación de las partes más simples bajo licencias extranjeras. Esto significa un colapso casi total de la industria, lo que tendrá grandes consecuencias sociales. En primer lugar, esto afectará a las plantas de turbinas, a un número considerable de institutos de investigación y al sistema de formación del personal. Esto está escrito directamente en revistas extranjeras.
Por supuesto, las razones del grave retraso actual en la construcción de nuestras turbinas están determinadas en gran medida por la falta de los fondos necesarios y los raros pedidos provenientes de las centrales eléctricas. Todo esto se explica por la situación general de la economía del país. Pero también hay factores subjetivos discutidos anteriormente: negligencia a largo plazo en la resolución de problemas cardinales (cambio de parámetros, introducción de nuevos diseños progresivos). El ciclo de I+D para un salto cualitativo en el sector energético es de al menos 10 años. Se trata de para el próximo siglo. La solución de este problema no puede posponerse más. El sector energético nacional y el complejo metalúrgico y de construcción de maquinaria de alta tecnología requieren el esfuerzo no solo de los empleados de la planta, sino también del apoyo financiero, al menos crediticio, del Estado. La atención especial a estos problemas debe ser mostrada no solo por los ingenieros eléctricos, sino también por una serie de otras organizaciones: la Academia Rusa de Ciencias, el Ministerio de Economía de Rusia, el Ministerio de Relaciones Exteriores de la Federación Rusa.
Bibliografía
1. Shchegliaev A.V. Turbinas de vapor. (Teoría del proceso térmico y diseño de turbinas) Ed. 4º, revisado. M., "Energía", 1967.
2. Kirillov I.I., Ivanov V.A., Kirillov A.I. Turbinas de vapor e instalaciones de turbinas de vapor. - L.: Ingeniería mecánica. Leningrado. Departamento, 1978. - 276 p., il.
3. Trukhniy A.D., Lomakin B.V. Turbinas de vapor de cogeneración e instalaciones de turbinas: libro de texto para escuelas secundarias. - M .: MPEI Publishing House, 2002. - 540 p .: il., pestañas
4. Ivanov V. A. Modos estacionario y transitorio de potentes plantas de turbinas de vapor. - M., "Energía", 1971.
5 Smolensky A.N. Turbinas de vapor y gas. Libro de texto para escuelas técnicas. M., "Ingeniería", 1977
6. Samoilovich G.S. turbinas de vapor modernas. - M., "Editorial Estatal de Energía", 1960
7. Beschinsky A.A., Dollezhal N.A. Problemas modernos de la energía. - M., "Energoatomizdat", 1984.
8. Ingeniería de energía térmica №1, 1998
9. Resúmenes de informes en la conferencia científica y técnica de toda la Unión "Problemas para mejorar las turbinas de vapor modernas". Número 183 (suplementario). Kaluga, 1972
Una turbina de vapor (fr. turbina del lat. turbo torbellino, rotación) es un motor térmico continuo, en cuyo aparato de paletas la energía potencial del vapor de agua comprimido y calentado se convierte en energía cinética, que a su vez realiza un trabajo mecánico en el eje.
La turbina consta de tres cilindros (cilindro de alta presión, cilindro de alta presión y cilindro de baja presión), cuyas mitades inferiores de los cuerpos se designan respectivamente 39, 24 y 18. Cada uno de los cilindros consta de un estator, el elemento principal de los cuales es un cuerpo fijo, y un rotor giratorio. Los rotores individuales de los cilindros (rotor del cilindro de alta presión 47, rotor TsSD 5 y rotor LPC 11) están rígidamente conectados por los acoplamientos 31 y 21. El medio acoplamiento del rotor del generador eléctrico está unido al medio acoplamiento 12, y el rotor del excitador es conectado a él. Una cadena de rotores de cilindros separados ensamblados, un generador y un excitador se denomina línea de ejes. Su longitud con una gran cantidad de cilindros (y el mayor número en las turbinas modernas es de 5) puede alcanzar los 80 m.
Principio de funcionamiento Las turbinas de vapor funcionan de la siguiente manera: el vapor generado en la caldera de vapor, a alta presión, entra en los álabes de la turbina. La turbina gira y genera energía mecánica utilizada por el generador. El generador produce electricidad. La potencia eléctrica de las turbinas de vapor depende de la diferencia de presión entre el vapor a la entrada y salida de la planta. La potencia de las turbinas de vapor de una sola instalación alcanza los 1000 MW. Dependiendo de la naturaleza del proceso térmico, las turbinas de vapor se dividen en tres grupos: turbinas de condensación, de calefacción y de propósito especial. Según el tipo de etapas de la turbina, se clasifican en activas y reactivas.
Turbinas de vapor: ventajas El funcionamiento de la turbina de vapor es posible con varios tipos de combustible: gaseoso, líquido, sólido El funcionamiento de las turbinas de vapor es posible con varios tipos de combustible: gaseoso, líquido, sólido Impresionante recurso de las turbinas de vapor Impresionante recurso de las turbinas de vapor
Turbinas de vapor - desventajas alta inercia de las plantas de vapor (largos tiempos de arranque y parada) alta inercia de las plantas de vapor (largos tiempos de arranque y parada) alto costo de las turbinas de vapor alto costo de las turbinas de vapor bajo volumen de electricidad producida, en relación con el volumen de energía térmica Bajo volumen de electricidad producido, en relación con el volumen de energía térmica Reparaciones costosas de turbinas de vapor Reparaciones costosas de turbinas de vapor Reducción del desempeño ambiental, en el caso de los fuelóleos pesados y combustibles sólidos Reducción del desempeño ambiental, en el caso de los pesados fuelóleos y combustibles sólidos
Aplicación: La turbina de chorro de vapor Parsons se usó durante un tiempo principalmente en buques de guerra, pero gradualmente dio paso a turbinas de vapor combinadas activo-reactivo más compactas, en las que la parte reactiva de alta presión fue reemplazada por un disco activo de corona simple o doble. Como resultado, las pérdidas debidas a la fuga de vapor a través de los espacios en el aparato de paletas han disminuido, la turbina se ha vuelto más simple y económica. Dependiendo de la naturaleza del proceso térmico, las turbinas de vapor se suelen dividir en 3 grupos principales: de condensación, de cogeneración y para fines especiales.
Principales ventajas de PTM: Amplio rango de potencia; Aumento (de 1,2 a 1,3 veces) de la eficiencia interna (~75 %); Longitud de instalación significativamente reducida (hasta 3 veces); Bajos costos de capital para la instalación y puesta en marcha; Falta de un sistema de suministro de aceite, que garantice la seguridad contra incendios y permita el funcionamiento en la sala de calderas; La ausencia de una caja de cambios entre la turbina y el mecanismo accionado, lo que aumenta la confiabilidad de operación y reduce el nivel de ruido; Regulación suave de la velocidad de rotación del eje desde el ralentí hasta la carga de la planta de turbinas; Bajo nivel de ruido (hasta 70 dBA); Bajo peso específico (hasta 6 kg/kW de potencia instalada) Alta vida útil. El tiempo de funcionamiento de la turbina antes del desmantelamiento es de al menos 40 años. Con el uso estacional de la turbina, el período de amortización no supera los 3 años.
Un generador turboeléctrico basado en una turbina de vapor del tipo PTM se compara favorablemente con otras fuentes de energía debido a una mayor eficiencia interna, larga vida útil, pequeñas dimensiones, control suave sobre una amplia gama de cargas, falta de un sistema de suministro de aceite y facilidad de instalación. .
"Escuela Secundaria N° 1 MOU con profundización del idioma inglés"
"Escuela Secundaria MOU No. ..."
Resumen sobre el tema:
"Turbina de vapor"
Completado: alumno de... clase...
Comprobado: profesor de física...
turbina de 3 vapores
3-Clasificación
4-Pros y contras
5-De la historia de la turbina de vapor
6-Carl-Gustav-Patrick de Laval
8-Charles Algernon Parsons
10- Plantas marinas de calderas y turbinas
12-Triunfo de la energía de la turbina de vapor
13-Aplicación
15-Literatura
<
Turbina de vapor - un tipo de máquina de vapor en la que un chorro de vapor, que actúa sobre las palas del rotor, hace que gire. Actualmente, las turbinas de vapor se utilizan junto con calderas de reactores nucleares o de combustibles fósiles en centrales eléctricas y grandes barcos y barcos. Las turbinas de vapor se han utilizado como motores primarios en las plantas de cogeneración industrial durante muchos años. El vapor generado en la caldera de vapor, en expansión, pasa a alta presión a través de los álabes de la turbina. La turbina gira y produce energía mecánica que es utilizada por el generador para generar electricidad.>
La potencia eléctrica del sistema depende de cuán grande sea la caída de presión del vapor en la entrada y salida de la turbina.
Para un funcionamiento eficiente, se debe suministrar vapor a la turbina a alta presión y temperatura (42 bar/400 °C o 63 bar/480 °C), (turbinas de condensación soviéticas K-800-240, potencia nominal 800 MW, presión inicial 240 barra, 540° CON). Tales condiciones imponen mayores requisitos a los equipos de calderas, lo que conduce a un aumento progresivo de los gastos de capital y los costos de mantenimiento.
La ventaja de la tecnología es la posibilidad de utilizar la más amplia gama de combustibles en la caldera, incluidos los sólidos. Sin embargo, el uso de fracciones de petróleo pesado y combustibles sólidos reduce el desempeño ambiental del sistema, que está determinado por la composición de los productos de combustión que salen de la caldera. Por defecto, las turbinas de vapor producen mucho más calor que electricidad, lo que genera altos costos por capacidad instalada.
Clasificación
La condensación es en realidad para la generación de electricidad, toda la energía se gasta en la generación de electricidad, la salida de vapor de la turbina al condensador se produce a la presión y temperatura más bajas posibles (alrededor de 0,03 bar, 30 ° C) para aumentar la eficiencia térmica. por regla general, tienen una gran capacidad (en centrales térmicas de hasta 1200 MW, en centrales nucleares de hasta 1500 MW), se utilizan solo en centrales eléctricas. Marcado K-800-240, donde
K - tipo de turbina (condensación)
800 - potencia nominal, MW
240 - presión de vapor fresco, kgf/cm2
Con contrapresión, toda la producción de vapor se produce a alta presión y temperatura debido a la necesidad, utilizada para el suministro y producción de calor, la energía eléctrica está limitada por la energía térmica del consumidor de calor. R-100-130/15 están marcados, donde
P - tipo de turbina (con contrapresión)
15 - contrapresión, kgf/cm2
La cogeneración y la industrial combinan los dos tipos anteriores: una parte del vapor se toma para producción o calefacción, y otra parte llega al condensador a través de un ciclo completo, y se utiliza en plantas combinadas de calor y electricidad. Las turbinas con extracción de calor están marcadas T-100/120-130, donde
T - tipo de turbina (con extracción de calefacción)
100 - potencia nominal, MW
120 - potencia máxima, MW
130 - presión de vapor fresco, kgf/cm2
Las turbinas con extracción de producción están marcadas P-25/30-90/13, donde
P - tipo de turbina (con selección de producción)
25 - potencia nominal, MW
30 - potencia máxima, MW
90 - presión de vapor vivo, kgf/cm2
13 - presión de vapor nominal en extracción de producción, kgf/cm2
ventajas
el funcionamiento de las turbinas de vapor es posible con varios tipos de combustible: gaseoso, líquido, sólido
unidad de alta potencia
libre elección de refrigerante
amplio rango de potencia
recurso impresionante de turbinas de vapor
menos
alta inercia de las plantas de vapor (largos tiempos de arranque y parada)
alto costo de las turbinas de vapor
bajo volumen de electricidad producida, en relación con el volumen de energía térmica
reparación costosa de turbinas de vapor
reducción del desempeño ambiental, en el caso del uso de fuelóleos pesados y combustibles sólidos
De la historia de la turbina de vapor.
El siglo XIX no en vano fue llamado el siglo del vapor, con la invención de la máquina de vapor se produjo una auténtica revolución en la industria, la energía y el transporte. Se hizo posible mecanizar trabajos que antes requerían demasiadas manos humanas. Vias ferreas amplió enormemente las posibilidades de transporte de mercancías por vía terrestre. Enormes embarcaciones se hicieron a la mar, capaces de moverse contra el viento y garantizar la entrega oportuna de las mercancías. La expansión de la producción industrial ha impuesto la tarea de aumentar la potencia de los motores en todas las formas posibles. Sin embargo, inicialmente no fue la alta potencia la que dio vida a la turbina de vapor...
La turbina hidráulica como dispositivo para convertir la energía potencial del agua en la energía cinética de un eje giratorio se conoce desde la antigüedad. La turbina de vapor tiene una historia igualmente larga, con uno de los primeros diseños conocido como la "turbina Heron" que data del siglo I a. Sin embargo, notamos de inmediato que hasta el siglo XIX, las turbinas impulsadas por vapor eran más curiosidades técnicas, juguetes, que verdaderos dispositivos de aplicación industrial.
Y solo con el comienzo de la revolución industrial en Europa, después de la introducción práctica generalizada de la máquina de vapor D. Watt, los inventores comenzaron a mirar de cerca la turbina de vapor, por así decirlo, "cerca". Crear una turbina de vapor requirió un conocimiento profundo propiedades físicas vapor y las leyes de su expiración. Su fabricación solo fue posible con un nivel de tecnología suficientemente alto para trabajar con metales, ya que la precisión requerida en la fabricación de piezas individuales y la resistencia de los elementos fue significativamente mayor que en el caso de una máquina de vapor.
A diferencia de una máquina de vapor, que realiza un trabajo utilizando la energía potencial del vapor y, en particular, su elasticidad, una turbina de vapor utiliza la energía cinética de un chorro de vapor, convirtiéndola en energía de rotación de un eje. La característica más importante del vapor de agua es su alta tasa de salida de un medio a otro, incluso con una caída de presión relativamente pequeña. Así, a una presión de 5 kgf/m2, el chorro de vapor que sale del recipiente hacia la atmósfera tiene una velocidad de unos 450 m/s. En los años 50 del siglo pasado, se encontró que para el uso eficiente de la energía cinética del vapor, la velocidad circunferencial de los álabes de la turbina en la periferia debe ser al menos la mitad de la velocidad del chorro de soplado, por lo tanto, con un radio de los álabes de turbina de 1 m, es necesario mantener una velocidad de rotación de unas 4300 rpm. La tecnología de la primera mitad del siglo XIX no conocía durante mucho tiempo rodamientos capaces de soportar tales velocidades. Basado en su propia experiencia práctica, D. Watt consideró en principio inalcanzables velocidades tan altas de movimiento de los elementos de la máquina, y en respuesta a una advertencia sobre la amenaza que la turbina podría crear para la máquina de vapor que inventó, respondió de esta manera : “¿De qué clase de competencia podemos hablar si sin la ayuda de Dios no puedes hacer que las partes de trabajo se muevan a una velocidad de 1000 pies por segundo?
Sin embargo, pasó el tiempo, la tecnología mejoró y llegó la hora del uso práctico de la turbina de vapor. Las turbinas de vapor primitivas se utilizaron por primera vez en aserraderos en el este de los Estados Unidos en 1883-1885. para accionar sierras circulares. El vapor se suministraba a través del eje y luego, al expandirse, se dirigía a través de las tuberías en dirección radial. Cada uno de los tubos terminaba con una punta curva. Por lo tanto, por diseño, el dispositivo descrito estaba muy cerca de la turbina Heron, tenía una eficiencia extremadamente baja, pero era más adecuado para impulsar sierras de alta velocidad que una máquina de vapor con su movimiento alternativo de pistón. Además, de acuerdo con los conceptos de entonces, el combustible residual se usaba para calentar el vapor: desechos del aserradero.
Sin embargo, estas primeras turbinas de vapor americanas no fueron muy utilizadas. Su influencia en la historia posterior de la tecnología está prácticamente ausente. Lo que no se puede decir sobre los inventos del sueco de origen francés de Laval, cuyo nombre es conocido por cualquier ingeniero de motores en la actualidad.
Carl Gustav Patrick de Laval
Los antepasados de De Laval eran hugonotes que se vieron obligados a emigrar a Suecia a finales del siglo XVI debido a la persecución en su tierra natal. Carl-Gustav-Patrick (el nombre Gustav todavía se consideraba el principal) nació en 1845 y recibió una excelente educación, se graduó en el Instituto de Tecnología y la Universidad de Uppsala. En 1872, de Laval comenzó a trabajar como ingeniero en tecnología química y metalurgia, pero pronto se interesó en el problema de crear un separador de leche eficiente. En 1878 logró desarrollar una versión exitosa del diseño del separador, que fue ampliamente utilizado; Gustav usó las ganancias para comenzar a trabajar en una turbina de vapor. Fue el separador el que dio impulso al nuevo dispositivo, ya que necesitaba un accionamiento mecánico capaz de proporcionar una velocidad de rotación de al menos 6000 rpm.
Para evitar el uso de cualquier tipo de multiplicadores, de Laval propuso colocar el tambor separador en el mismo eje que la turbina de chorro más simple. En 1883, se obtuvo una patente inglesa para este diseño. Luego, de Laval pasó al desarrollo de una turbina de tipo activo de una sola etapa, y ya en 1889 recibió una patente para una boquilla expansiva (y hoy en día el término "boquilla Laval" es de uso común), que permite reducir la presión del vapor. y aumentando su velocidad a supersónica. Poco después, Gustav pudo superar otros problemas que surgieron en la fabricación de una turbina activa funcional. Entonces, propuso usar un eje flexible, un disco de igual resistencia y desarrolló un método para fijar las cuchillas en el disco.
En la exposición internacional de Chicago, celebrada en 1893, se presentó una pequeña turbina de Laval con una potencia de 5 hp. con una velocidad de rotación de 30.000 rpm! La gran velocidad de rotación fue un logro técnico importante, pero al mismo tiempo se convirtió en el talón de Aquiles de una turbina de este tipo, ya que para el uso práctico implicaba la inclusión de un reductor en la planta de energía. En ese momento, las cajas de engranajes se fabricaban principalmente como de una sola etapa, por lo que a menudo el diámetro del engranaje grande era varias veces mayor que el tamaño de la propia turbina. La necesidad de utilizar voluminosos engranajes reductores impidió la introducción generalizada de turbinas de Laval. La turbina de una sola etapa más grande con una capacidad de 500 hp. tenía un consumo de vapor de 6 ... 7 kg / hp h.
Una característica interesante del trabajo de Laval puede considerarse su "empirismo desnudo": creó construcciones bastante viables, cuya teoría fue desarrollada más tarde por otros. Entonces, el científico checo A. Stodola posteriormente estudió profundamente la teoría de un eje flexible, también sistematizó los principales problemas del cálculo de la fuerza de los discos de turbina de igual resistencia. Fue la falta de una buena teoría lo que no le permitió a De Laval lograr un gran éxito, además, era una persona que se dejaba llevar y cambiaba fácilmente de un tema a otro. Descuidar lado financiero asuntos, este experimentado experimentador, al no tener tiempo para implementar el próximo invento, rápidamente perdió interés en él, llevado por una nueva idea. Otro tipo de persona fue el inglés Charles Parsons, hijo de Lord Ross.
- Preparado por Andreev Dmitry,
- grupo estudiante 190 TM.
- Jefe L.A. Pleshcheva,
- profesor
- Sádrinsk 2015
- un motor térmico de combustión externa que convierte la energía del vapor calentado en trabajo mecánico del movimiento alternativo del pistón, y luego en el movimiento de rotación del eje. En un sentido más amplio, una máquina de vapor es cualquier motor de combustión externa que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico.
- La turbina hidráulica como dispositivo para convertir la energía potencial del agua en la energía cinética de un eje giratorio se conoce desde la antigüedad. La turbina de vapor tiene una historia igualmente larga, con uno de los primeros diseños conocido como la "turbina Heron" que data del siglo I a. Sin embargo, notamos de inmediato que hasta el siglo XIX, las turbinas impulsadas por vapor eran más curiosidades técnicas, juguetes, que verdaderos dispositivos de aplicación industrial.
- La turbina de vapor Laval es una rueda con álabes. Un chorro de vapor generado en la caldera sale por el tubo (tobera), presiona las palas y hace girar la rueda. Experimentando con diferentes tubos para suministrar vapor, el diseñador llegó a la conclusión de que deberían tener forma de cono. Así apareció la tobera Laval utilizada hasta la fecha (patente 1889). El inventor hizo este importante descubrimiento de manera bastante intuitiva; los teóricos tardaron varias décadas más en demostrar que una boquilla de esta forma particular produce el mejor efecto.
- Comenzó a trabajar en turbinas en 1881 y tres años más tarde obtuvo una patente para su propio diseño: Parsons conectó una turbina de vapor a un generador de energía eléctrica. Con la ayuda de la turbina, fue posible generar electricidad, y esto aumentó inmediatamente el interés público por las turbinas de vapor. Como resultado de 15 años de investigación, Parsons creó la turbina de chorro de etapas múltiples más avanzada en ese momento. Hizo varios inventos que aumentaron la eficiencia de este dispositivo (finalizó el diseño de los sellos, los métodos para sujetar las cuchillas en la rueda, el sistema de control de velocidad).
- Creó una teoría integral de las turbomáquinas. Desarrolló una turbina multietapa original, que se demostró con éxito en la Exposición Mundial, celebrada en la capital de Francia en 1900. Para cada etapa de la turbina, Rato calculó la caída de presión óptima, lo que aseguró una alta eficiencia general de la máquina. .
- En su automóvil, la velocidad de la turbina era más baja y la energía del vapor se usaba más completamente. Por lo tanto, las turbinas Curtis eran más pequeñas y de diseño más confiable. Una de las principales aplicaciones de las turbinas de vapor es la propulsión de barcos. El primer barco con motor de turbina de vapor, el Turbinia, construido por Parsons en 1894, alcanzó velocidades de hasta 32 nudos (unos 59 km/h).
- Turbina de vapor– máquina de vapor primaria con movimiento de rotación del cuerpo de trabajo - rotor y proceso de trabajo continuo; Sirve para convertir energía térmica. vapor de agua en trabajo mecánico.
- Sección longitudinal esquemática de una turbina activa con tres etapas de presión: 1 - cámara anular de vapor vivo; 2 - boquillas de la primera etapa; 3 - cuchillas de trabajo de la primera etapa; 4 - boquillas de la segunda etapa; 5 - cuchillas de trabajo de la segunda etapa; 6 - boquillas de la tercera etapa; 7 - cuchillas de trabajo de la tercera etapa.
- Sección esquemática de una pequeña turbina de chorro: 1 - una cámara anular de vapor vivo; 2 - pistón de descarga; 3 - tubería de vapor de conexión; 4 - tambor de rotor; 5, 8 - cuchillas de trabajo; 6, 9 - paletas guía; 7 - edificio
- Turbina de vapor de doble carcasa (sin las cubiertas): 1 - carcasa de alta presión; 2 - sello de laberinto; 3 - rueda Curtis; 4 - rotor de alta presión; 5 - acoplamiento; 6 - rotor de baja presión; 7 - carcasa de baja presión.
- Máquinas de vapor [Recurso electrónico] - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0% BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0 (consultado el 02/09/2015)
