ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Лекция_1 «Общие сведения о тепловых двигателях» -- 2 часа

Цели и задачи освоения дисциплины

Цели дисциплины состоят в ознакомлении будущих бакалавров с типовыми конструкциями, принципами работы, современным состоянием и перспективами развития, особенностями эксплуатации нагнетателей и тепловых двигателей.

Задачи освоения дисциплины заключаются в приобретении навыков в оценке и анализе физических процессов, протекающих в нагнетателях и тепловых двигателях, расчета основных геометрических размеров машины и ее характеристик, в выборе экономичных режимов работы, в обеспечении правильной эксплуатации.

Место дисциплины в структуре ООП ВПО

При освоении данной дисциплины обучающейся должен знать методы решения дифференциальных уравнений, законы термодинамики, термодинамические процессы идеальных газов и водяного пара, основы газодинамики и гидравлики. Поэтому в дисциплине используются знания, полученные студентами в таких дисциплинах, как: «Математика», «Физика», «Техническая термодинамика», «Газодинамика», «Гидравлика», а также средних специальных учебных заведениях.

Знания, полученные студентами при изучении данной дисциплины, в дальнейшем будут использоваться в процессе выполнения выпускной работы и в практической деятельности после окончания университета

3. ВВЕДЕНИЕ

В общем случае двигателями называются машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу. Машины, преобразующие тепловую энергию в механическую работу, называются тепловыми двигателями.

В зависимости от способов превращения тепла в механическую работу наибольшее распространение получили следующие типы тепловых двигателей: 1. паровые поршневые машины; 2. паровые турбины; 3. двигатели внутреннего сгорания; 4. газовые турбины и 5. ракетные двигатели.

1. Паровые поршневые машины первыми из тепловых двигателей начали применяться в промышленной энергетике и уже в XVIII столетии получили широкое распространение. Они, в частности, более 100 лет господствовали на железнодорожном. транспорте, речных и морских судах. как в виде.главных двигателей, так и в качестве двигателей для вспомогательных механизмов. Однако с течением времени они стали вытесняться паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания, являющимися более совершенными типами тепловых двигателей.

2. Паровые турбины как наиболее экономичные тепловые двигатели в настоящее -время находят самое широкое распространение на крупных тепловых электростанциях и мощных тепловых электроцентралях, а также на атомных электростанциях. Доля электроэнергии, производимой в нашей стране тепловыми электростанциями, где применяются паровые турбины, составляет более 70 %. Аналогичное соотношение характерно и для большинства других стран. Паровые турбины получили также широкое распространение в качестве главных двигателей военных кораблей и судов гражданского флота. Они используются, кроме того, для привода различных машин (насосов,.газодувок и др.).

3. В транспортных установках (морские и речные суда, тепловозы, автомобили, тракторы) и во всех других случаях, когда требуются компактные тепловые двигатели сравнительно небольшой мощности (не более 10 МВт),как наиболее подходящие используются двигатели внутреннего сгорания.

4. Газовые турбины, являющиеся тепловыми двигателями газотурбинных установок, получают все большее распространение, хотя пока их удельный вес в общей энергетике существенно меньше, чем паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Наибольшее применение газовые турбины получили в составе турбореактивных двигателей авиации и в установках на газоперекачивающих станциях. Они используются также на электростанциях для пиковых установок, на железнодорожных газотурбовозах и морских судах, в составе турбонаддувочных аппаратов для двигателей внутреннего сгорания и высоконапорных парогенераторов.

5. Ракетные двигатели устанавливаются в настоящее время главным образом в ракетах, а в стационарных и наземных транспортных установках практически не применяются.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

К примеру, на ЦБП около 80'% потребляемой теплоты, и более 40 % потребляемой электроэнергии вырабатывается на собственных ТЭЦ и ТЭС. На предприятиях ЦБП имеются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), утилизационные тепловые электростанции (УТЭС), дизель- электростанции (ДЭС), гидроэлектростанции (ГЭС) и котельные установки (КУ). Для. производства тепловой и электрической энергии наибольшее распространение в ЦБП получили ТЭЦ. Паровые турбины ТЭЦ потребляют пар высоких параметров от парогенераторов с начальным давлением Р0 = 8,83 - 12,75 МПа (90-130 кгс/см2) и температурой t„ = 535^-565 °С. УТЭС вырабатывают тепловую и электрическую энергию на базе сжигания отходов производства (в основном черного щелока и древесной коры.) ТЭЦ и УТЭС имеются почти на всех крупных и большинстве средних предприятий отрасли. ДЭС вырабатывают только электрическую энергию и имеются на Кордяжской бумажной и Чижовской картонной фабриках, а также на Кайском ЦБЗ. ГЭС обеспечивает электрической энергией один Фяскельский ЦБК. КУ вырабатывают только тепловую энергию и применяются на сравнительно небольших предприятиях ЦБП.

Необходимость строительства для ЦБП собственных энероис сочников, и прежде всего ТЭЦ и КУ, объясняется

трудностями передачи без больших потерь пара сравнительно высоких параметров на значительные расстояния. Максимальное экономически оправданное расстояние транспортировки пара составляет 8-10 км. На территории, описанной радиусом 3-10 км, не всегда можно сконцентрировать промышленные объекты с суммарной тепловой нагрузкой, оправдывающей сооружение районной ТЭЦ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПАРОВЫХ ТУРБИНАХ

Паровая турбина является тепловым двигателем, в котором потенциальная энергия пара в межлопаточных каналах превращается в кинетическую энергию, а последняя через рабочие лопатки и диски предается на вал в виде механической работы. В зависимости от особенностей преобразования потенциальной энергии в кинетическую паровые турбины разделяются на два основных типа: активные и

Реактивные.

Турбины, в которых весь процесс расширения пара происходит только в каналах сопловых решеток, а кинетическая энергия пара превращается в механическую работу через рабочие лопатки, называются активными.

Простейшая активная одноступенчатая турбина состоит из следующих основных частей (рис.1.1): вала 2 и диска 6 с рабочими лопатками 5, сопел 4, опорного подшипник 3, комбинированного опорно-упорного подшипника с гребнем 7, концевых уплотнений 9, корпуса 1 и выходного патрубка 8.

Пар от начального давления Ро до значения Р1 расширяется в соплах, закрепленных в корпусе перед рабочими лопатками вращающегося диска (рабочего колеса). Понижение давления пара в сужающемся (конфузорном) канале сопла сопровождается увеличением абсолютной скорости от значения Со до величины С2. В каналах рабочих решеток относительная скорость уменьшается только на величину потерь (W₂~ до С₂), в результате чего часть кинетической энергии, равная С²/2. — С2/2, через рабочие лопатки передается на диск, а затем на вал в виде механической работы.

Мощность активной одноступенчатой турбины даже при сравнительно высокой окружной скорости на среднем диаметре порядка 350 м/с обычно не превышает 800 кВт.

Небольшая мощность, низкая экономичность и необходимость в ряде случаев применения зубчатой передачи ограничивают область использования одноступенчатых турбин.

В 1900г. американский инженер Кертис предложил активную паровую турбину, рабочее колесо которой имело две ступени скорости (рис. 1.2). В такой двухвецечной ступени скорости в соплах 1 происходит понижение давления от Ро до Pj - Р₂ и увеличение скорости от Со до С/. В каналах первого ряда рабочих решеток 2 (первого венца) скорость уменьшается от С/ до С₂, а во втором венце 4 от С /До С₂- В результате этого на вал 5 через диск 6 передается механическая работа, эквивалентная. сумме кинетических энергий: -

сг 2 2

Установленные между рабочими венцами поворотные решетки 3 изменяют направление пара от С2 до d/ (значение скорости уменьшается - только на величину потерь).

Двухвенечная ступень скорости имеет сравнительно низкий КПД из-за дополнительных потерь энергии в каналах поворотных и второго ряда рабочих лопаток. Однако такие ступени при одинаковой окружной скорости в сравнении с одновенечной ступенью срабатывают примерно в четыре раза больший теплоперепад и, следовательно, позволяют получить значительно большую мощность. Благодаря этому преимуществу они нашли применение в качестве двигателей для вспомогательных механизмов и регулирующих ступеней для ряда турбин средней и малой мощности/

По иному принципу работает реактивная турбина (рис. 1.3), предложенная в 1884 г. английским инженером Парсонсом. В отличие от активной турбины здесь свежий пар из кольцевой камеры 1 поступает по всей окружности к сопловым 2 и рабочим 3 лопаткам. Сопловые лопатки крепятся в корпусе 6, а рабочие лопатки на барабане 4. Для уменьшения осевых усилий, действующих на ротор и воспринимаемых упорным подшипником, в конструкции турбины предусматривается разгрузочный поршень 8, камера которого соединяется паропроводом 7 с выходным патрубком 5. Расширение пара в реактивной турбине происходит как в сопловых, так и в рабочих решетках. При этом в каждой ступени срабатывается небольшая часть общего перепада давления Р₀ - Р_к (рис. 1.3), что обуславливает невысокие скорости рабочих колес по сравнению с одноступенчатыми активными турбинами.

Принцип последовательного включения ступеней, в каждой из которых использует­ся лишь часть располагаемого теплоперепада, оказался плодотворным для последующего развития не только реактивных, но и активных многоступенчатых паровых турбин. Он позволил выполнять турбины очень большой мощности и с высокой экономичностью при умеренной. частоте вращения, допускающей непосредственное соединение валов турбины и электрического генератора.

Наряду с осевыми турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала, были созданы радиальные паровые турбины с движением пара в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Наиболее интересной является радиальная турбина (рис. 1.4), предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем.

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН. ГОСТ НА ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

Паровые турбины по способу использования отработавшего пара классифицируются по следующим типам: 1. конденсационные; 2. противодавленческие: 3. конденсационные с одним или двумя регулируемыми отборами пара и 4. противодавленческие с регулируемым отбором пара.

1. В конденсационной турбине все количество поступающего пара проходит через, ее проточную часть и, расширяясь до давления значительно ниже атмосферного, направляется в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется.

2. В противодавленческой турбине весь пар, пройдя через ее проточную часть направляется затем к тепловым потребителям, использующим теплоту отработавшего пара для производственных и теплофикационных целей. К противодавленческим относятся также турбины с -ухудшенным вакуумом, в которых обычно расширение пара производится до давления- несколько ниже атмосферного, а теплота охлаждающей воды используется для отопительных, аграрных и бытовых нужд.

3. В конденсационной турбине с регулируемым отбором часть пара отбирается после. какой-либо промежуточной ступени и отводится к тепловому потребителю. Оставшееся^- количество пара после использования в последующих ступенях направляется В конденсатор. Необходимое давление отбираемого пара поддерживается автоматически путем соответствующей настройки регулятора. Если для теплового потребителя требуется пар разных давлений, то тогда в турбине устанавливается два регулируемых отбора пара. Турбины с большим числом регулируемых отборов пара не получили распространения.

4. В противодавленческой турбине с регулируемым отбором часть поступающего в турбину пара с требуемым давлением отбирается после промежуточной ступени, в то время как оставшееся количество пара, пройдя последующие ступени, также отводится к тепловому потребителю, но уже при более низком давлении, соответствующем давлению отработавшего пара.

По ГОСТ 3618-82 условное обозначение типа турбины состоит из буквенной и цифровой части. В буквенной части применяются следующие • обозначения: К - конденсационная турбина; Р - противодавленческая турбина; П - конденсационная турбина с регулируемым производственным отбором пара при давлении в отборе 0,39-1,47 МПа (4-15 кгс/см²); Т - конденсационная турбина с регулируемым, теплофикационным (отопительным) отбором пара при давлении в отборе 0,069-0,24 МПа (0,7-2,5 кгс/см").

В цифровой части обозначения вначале приводится значение номинальной и максимальной мощности в МВт',' 'затем давление свежего пара перед турбиной; в турбинах с противодавлением," а также в турбинах с регулируемым производственным отбором пара через дробь указывается давление в отборе и величина противодавления. (По ГОСТ 3618-82 в условном обозначении турбины давление пара дается в кгс/см², для новых турбин - в МПа). В качестве примера приводятся следующие условные обозначения турбин: К-300-240, Р-50-130/13, Т-50/60-130, П-6-35/5, ПТ-50/60-130/7, ПР-12/15-90/15/7.

Под номинальной мощностью конденсационной турбины (К) понимается наибольшая электрическая "мощность на зажимах генератора, которую турбина должна длительно развивать при номинальных значениях всех других основных параметров и при отборах пара на постоянные собственные нужды энергетической установки.

Под номинальной мощностью теплофикационной турбины (П, Т, ПТ, ПР, ТР) и турбины с противодавлением. (Р) понимается наибольшая электрическая мощность на зажимах генератора, которую турбина должна длительно развивать при номинальных значениях основных параметров.

Под максимальной электрической мощностью конденсационной турбины (К) понимается наибольшая мощность на зажимах генератора, которую турбина должна развивать при максимальном расходе пара через стопорные клапаны и при отключении тепловых потребителей, предусмотренных техническими условиями.