Подготовить небольшое сообщение на тему применение турбины в технике
Обновлено: 28.06.2024
Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения) .
Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.
Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами) , кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках) . Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.
Устройство и принцип работы турбины
Когда водные или паровые потоки действуют на специальные звенья — лопасти, то эти они начинают двигаться. Лопасти расположены по всему диаметру ротора.
Рассмотрим пример водяного колеса, на нём закрепляются лопасти, а поверх течёт поток воды.
Колесо под воздействием центробежной силы начинает вращаться.
Если направление потока воды, пара или газа идёт параллельно оси турбины – то их называют осевыми, а если перпендикулярно – то радиальные.
Используется в качестве части двигателя и увеличивает его мощность. Широко используется в транспортных средствах. На электростанциях является приводом электрогенератора.
Виды турбин
Типы определяются в зависимости оттого, какой вид энергии преобразуется в них – на основе пара или на основе газа:
Паровая турбина – нагретый водяной пар расширяется и, поступая в проточную часть, заставляет вращательно работать ротор. Потоки пара воздействуют на лопасти, тем самым происходит движение. Такие турбины могут вырабатывать помимо электрической ещё и тепловую энергию.
Газовая турбина – в ней сжатый и нагретый газ преобразовывается в механическую работу на валу. Состоит из лопастей, закрепляющихся на дисках (ротор), и направляющих лопастей, которые закрепляются в корпусе (статор).
Под давлением и воздействием высокой температуры, газ проходит по сопловому устройству в область низкого давления, в пути сильнее расширяется и ускоряется. После поток газа доходит на лопасти, отдаёт часть своей кинетической энергии.
Лопасти передают крутящий момент через диски на вал. Газовая турбина вращает вал генератора, так и проявляется его КПД. Используются на ТЭЦ.
Краткий исторический обзор развития турбин
Попытки изобрести турбины предпринимались во все времена. Самые ранние результаты датируются первым столетием нашей эры, и представление о паровой турбине дошло до нашего времени.
Кратко рассмотрим этапы создания в хронологическом порядке.
Как только температура воды повышалась, появлялся пар, который проходил в шар по трубкам, под воздействием выбрасывался из сопел, и шар начинал вращение. Но в бытность Герона изобретение не снискало признания, так как практического применения эолипилу не нашлось, потому относились к нему как к игрушке.
1500 г. – итальянский ученый и изобретатель Леонардо да Винчи упоминал в своих работах приспособление, похожее на турбину. Посредством огня подогревался воздух, который вращал лопасти.
Струя пара из сопла подавалась на колесо, которое крутило вертел барбекю. В Германии в музее Института истории исламской науки находится копия этого аппарата.
1629 г. – инженер из Италии Джованни Бранк простроил прототип мельницы. Концепция была такова, что мощный поток заставлял вращать турбину.
1678 г. - фламандец Фердинанд Вербист изобрел подобие самоходного транспортного средства на основе паровой машины. Но доказательств тому не значится.
1791 г. – учёный из Англии Джон Барбер запатентовал настоящую газовую турбину. Она могла работать на нефти, угле и древесине.
1872 г. – Франц Столц из Венгрии изобрел первым турбинный двигатель на основе газа.
1890 г. – конструктор Густаф де Лаваль разработал сопло. Оно использовалось для подачи пара в турбину.
1894 г. – британец Чарльз Парсонс запатентовал концепцию парохода, который двигался с помощью турбины.
1895 г. – в Британии освещали бульвары Кембриджа, рабочие установили три генератора по 4 тонны, мощностью сотню киловатт.
1903 г. – скандинав Эджидиус Эллинг первым построил турбину на основе газа. Она вырабатывала энергии больше, чем необходимо было для неё самой, но этот факт остался без внимания.
1913 г. – инженером и изобретателем Николой Тесла была запатентована своя турбина. Она не была похожа на все предыдущие изобретения, в ней не было лопастей, а её принцип основывался на принципе пограничных слоёв.
1918 г. – американский бренд General Electric первый наладил собственное производство.
1920 г. – британский ученый Алан Гриффит поменял принцип прохождения потоков газа по аэродинамической плоскости.
1930 г. – британский ученый Фрэнк Уиттли изобрел реактивную газовую турбину. А весной 1937 г. прошли первые испытания.
1934 г. – Рауль Патерас Пескара из Аргентины стал создателем поршневого двигателя, который являлся источником энергии в газовой турбине.
1936 г. – группа немецких учёных М. Хан и Х. фон Охайн в одно время с британцем Фрэнком Уиттли разрабатывали двигатель на основе реактивной турбины.
Современный мир не может обойтись без применения турбин, а с каждым днём их роль всё больше растет. Эти устройства надежны, модернизируются и трудятся на благо населения земли, ведь наука не стоит на месте и возможны новые прорывы в истории развития турбостроения.
Газовые турбины являются приводом генераторов, превращая энергию входящего воздуха в механическую работу вала. Они очень надежны и высокопроизводительны, за счет чего их доля в структуре мировой энергетики растет стремительными темпами.
Назначение и принцип действия
Газовая турбина является лопаточной установкой, необходимой для обеспечения движения электрогенератора.
Ее основными частями являются ротор и статор с лопатками.
Лопатка – это металлическая деталь, представляющая собой пластину с хвостовиком, прикрепляющуюся к диску. Как правило, ширина этой пластины составляет четверть от ее длины.
Ротор – подвижный вал, на котором установлены диски с лопатками. Один диск называется ступенью ротора. Количество ступеней и размер лопаток на каждой из них зависит от особенностей работы и требуемой мощности агрегата.
Статор – неподвижный элемент турбины, представляющий собой лопатки другой формы, закрепленные в корпусе вокруг ротора. Он служит для направления газа на пластины ротора под нужным углом. Благодаря этому повышается КПД и надежность работы, а также предотвращается нарушение потока вещества.
Вместе с камерой сгорания газовая турбина представляет собой газотурбинную установку.
Рис. 1. Газотурбинная установка
Процесс работы
С помощью турбокомпрессора входящий воздух сжимается и подается в камеру сгорания. Там он нагревается и расширяется.
Продукты сгорания под давлением подаются на лопатки турбины, чем приводят в движение ротор, который является приводом электрогенератора.
Отличительные особенности
Главной особенностью газового устройства по сравнению с паровыми и парогазовыми турбинами является неизменность агрегатного состояния входящего вещества на протяжении всего рабочего процесса. Это позволяет им функционировать при более высоких температурах и увеличивать КПД.
При одинаковой мощности с паровыми газовые установки имеют меньший вес и габариты, быстрее вводятся в эксплуатацию, проще в обслуживании.
В отличие от двигателя внутреннего сгорания, в газовой турбине меньшее количество движущихся элементов и низкая вибрация при работе, более высокое соотношение мощности к габаритам, малое количество вредных выбросов, а также низкие требования к используемому топливу.
Применение газовых турбин связано и с некоторыми недостатками. Среди них высокая стоимость за счет сложности производства деталей, высокое потребление электроэнергии, медленный пуск по сравнению с ДВС, низкий КПД при малых нагрузках.
Сервис газовых турбин
Газовые турбины функционируют при экстремальных температурах и нагрузках, поэтому их элементы должны иметь высокую жаропрочность, жаростойкость и удельную прочность.
Ресурс деталей существенно снижается во время пусков и остановок агрегата, поэтому необходимо использовать материалы, способные защищать узлы как при высоких, так и при низких нагрузках.
С этой целью конструкторы применяют инновационные смазочные материалы, которые обеспечивают долговременную защиту механизмов от коррозии и износа, обладают высокой несущей способностью и устойчивостью к экстремальным температурам.
Для облегчения сборки и демонтажа лопаток турбин, а также защиты от фреттинг-коррозии на их хвостовики наносят материал MODENGY 1001.
Рис. 2. Лопатки турбин до и после нанесения защитного покрытия на хвостовики
Для подшипников скольжения газовых турбин применяют MODENGY 1001 и MODENGY 1002, прессовых посадок – MODENGY 1005, ходовых винтов – MODENGY 1001 , конденсатоотводчиков – MODENGY 1001, крепежных деталей – MODENGY 1014.
На лепестковые газодинамические подшипники микротурбин наносят высокотемпературное покрытие MODENGY 2560.
Данные составы применяются на этапе производства элементов и не требуют обновления весь период функционирования газотурбинных установок.
Виды газовых турбин
Газовые турбины делятся на два вида:
- Промышленные – крупногабаритные установки с высоким КПД, применяемые на различного вида электростанциях
- Микротурбины – используются для обеспечения автономного энергоснабжения. Они производят экологически чистую энергию и могут являться аварийным источником питания
Рис. 3. Устройство микротурбины
Области применения
Газовые турбины часто устанавливаются в ракеты на жидком топливе, мощные компрессорные установки, системы хладоснабжения.
Наибольшую популярность получило применение газовых турбин на электростанциях за их высокую мощность при сниженных габаритах. Они могут обеспечить население теплом, светом и другой энергией в больших количествах.
Микротурбины производят электричество для торговых комплексов, строительных площадок, оборудования утилизирующей промышленности, аграрного сектора. Они эффективно работают в экстремальных условиях окружающей среды, например, на Крайнем Севере.
Самые мощные двигатели в мире машин — это турбины. Они различаются по конструкции, роду рабочего вещества и принципу работы. Что же представляют собой эти уникальные агрегаты, каковы их конструкционные особенности, способы приведения в действие и области применения?
Что же такое турбина и маленький экскурс в их историю
Очень упрощенно турбину можно представить себе как колесо с лопастями, приводимое во вращение потоком пара, газа или воды.
Её далеким прообразом является Александрийский шар, о котором уже шла речь в докладе о двигателях.
По мере накопления знаний и технического опыта появлялись более совершенные модели этих устройств. Например, водяное колесо. Если расположить по его ободу лопасти или черпаки и поставить вертикально под поток льющейся воды, колесо придет во вращение. Таким образом приводились в движение жернова на водяных мельницах. На этом же принципе работают и ветряные мельницы, использующие энергию ветра.
Начиная с XVI века, создатели турбин в качестве рабочего тела стали использовать пар, выходящий из специального сопла. Всего за 2 десятка лет были запатентованы несколько сотен изобретений относящихся к паровым турбинам. Но только шведскому инженеру Густаву Лавалю удалось создать такую модель, которую можно было реально использовать в промышленности.
Струя пара, исходящая из расширяющегося сопла, оказывала давление на лопатки, закрепленные на ободе колеса. Это воздействие и приводило колесо (ротор) во вращение. Отработанный пар конденсировался, и полученная вода возвращалась в паровой котел. Такие турбины получили название активных.
В отличие от них существуют реактивные турбины, где лопасти снабжены специальными каналами. Перемещаясь в них, рабочее тело расширяется и создает реактивную силу, вращающую ротор турбины.
Газовые турбины отличаются от паровых тем, что в качестве рабочего вещества в них используется газ, образующийся при сгорании топлива. Первые патенты на них были получены лишь в начале XX века.
Турбины XXI века
Турбины с любым видом рабочего вещества используются для приведения в действие все возможных машин. Для этого вал турбины соединяют с валом рабочей машины. В зависимости от назначения этой машины турбина может быть использована в различных областях народного хозяйства: энергетике, металлургии, на транспорте и т. д.
Паровые турбины вместе со вспомогательным оборудованием представляют собой паротурбинную установку. Именно они являются основным типом двигателя на современных атомных и тепловых электростанциях, на которых вырабатывается до 95% всей электроэнергии в мире.
Свежий пар приводит во вращение турбину, которая вращает ротор генератора электрического тока. А отработанный пар охлаждается и конденсируется в специальном конденсаторе. Полученный конденсат насосами перекачивается в котельный агрегат и используется для получения новой порции пара.
Подобным образом работают и гидравлические турбины, которые устанавливают на гидроэлектростанциях (ГЭС). Их обычно строят на реках, а для получения необходимого напора воды, сооружают плотины и водохранилища. Рабочее колесо турбины, взаимодействуя с водным потоком, приходит во вращение, приводя в действие генератор электрического тока.
ГЭС относятся к возобновляемым и экологичным источникам энергии, поскольку они не дают вредных выбросов в атмосферу.
В газовых турбинах рабочее вещество представляет собой газ, образующийся при сгорании самого разнообразного топлива — нефтепродуктов и даже измельченного угля. Обычно эти турбины входят в состав газотурбинных установок и газотурбинных двигателей.
Применение газовых турбин
Газотурбинные установки используют, в основном, для получения электроэнергии. Рабочее колесо турбины приводится во вращение потоком раскаленных газов. Это вращение передается на ротор генератора электрического тока. Вырабатываемое им электричество поставляется к потребителю. Специальное оборудование позволяет использовать отработанные горячие газы для отопления помещений и других нужд. Т.е. газотурбинная установка выполняет функции теплоэлектроцентрали.
Весьма важным аспектом применения турбин является турбонаддув. Эта функция позволяет увеличить мощность и динамичность двигателя. Она заключается в подаче воздуха в цилиндры двигателя под давлением. Для создания необходимого давления используется тепловая энергия выхлопных газов. Перед выбросом в атмосферу они попадают на турбину, приводят её во вращение. На одном валу с колесом турбины находится компрессор, который засасывает воздух из атмосферы и подает его в цилиндры двигателя.
Применение турбонаддува — эффективное средство для повышения мощности двигателя. Он с успехом применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Причём для дизелей он более эффективен, поскольку они допускают бОльшую степень сжатия.
Управление давлением нагнетаемого воздуха осуществляется с помощью специального клапана, который может стравливать избыток давления в атмосферу.
Турбины в авиации
Столь эффективный метод, повышающий эффективность работы двигателя не мог пройти мимо авиации. Ещё в первой мировой войне для достижения достаточного давления в двигателях на больших высотах, где воздух разряжен, использовали турбонаддув.
В настоящее время газовые турбины используются в авиации как важнейший компонент двигателя. Так в вертолетах и турбовинтовых самолетах они используются для приведения в действие воздушного винта.
В тридцатых годах прошлого столетия одного умного английского инженера посетила мысль создать авиационный двигатель без пропеллера. Тогда многие посчитали его идею безумной. Но этот принцип и ныне используется в современных турбореактивных двигателях (ТРД.)
В газотурбинном (турбореактивном) двигателе самолета турбина приводит в действие компрессор, а оставшаяся энергия вместе с газовой струей выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.
Самые…
Каждый вид турбин имеет свою сферу применения и свои плюсы и минусы. Максимальная мощность паровых турбин, используемых на АЭС, достигает 1700 МВт. Однако она несравненно меньше, чем мощность двигателей космических кораблей, достигающая 27 млрд. Вт.
Столь глобальное применение турбин не исключает её применение при совершении тонких медицинских манипуляций.
Так, при сверлении зубов, сверло приводится во вращение маленькой воздушной турбинкой, на которую подается струя сжатого воздуха. Эта миниатюрная деталька, вращаясь со скоростью 250 000 об/мин, сокращает время неприятной операции в несколько раз.
С развитием новых технологий и отраслей промышленности сфера применения турбин постоянно расширяется. Так появился интереснейший проект TESLA1, разработчиками которого явилась интернациональная группа конструкторов и дизайнеров.
Данный проект предполагается осуществить к 2030 году, когда будут проводиться 24 часовые гонки Ле-Мана. Что ж поживем — увидим….
Категория: Физика
Читайте также: