Паровая турбина: принцип работы 3 разновидностей агрегата

Устройство и рабочий принцип

По собственным особенностям конструкции, котельни обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые в большинстве случаев считают определяющими — конкретно сам котел, электрогенератор и турбина. Последние два составляющих создают кинетическую связь между собой, а одним из вариантов таких систем считается турбинный электрический генератор парового типа.

Если смотреть больше глобально, то аналогичные установки собой представляют полноценные тепловые электрические станции, пускай и меньших габаритов. Благодаря собственной работе, они способны обеспечивать электроэнергией не только гражданские объекты, но и большие отрасли промышленности.

Сам же рабочий принцип паровых электрогенераторов сводится к следующий ключевым моментам:

• Необходимое оборудование создает нагрев воды до хороших значений, при каких она выветривается, организуя пар.
• Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
• В результате мы приобретаем в первую очередь кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. После кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрогенератор, входящий в конструкцию подобных паровых установок, считается определяющим. Это можно объяснить тем, что именно электрические генераторы выполняют переход механической энергии в электрическую.

Это описание одной установки парового типа. Если требуется выделение большего количества энергии, то применяется объединение нескольких установок, соединенных вместе.

Аналогичное решение должно браться абсолютно индивидуально, в зависимости от типов объекта, и также показателей необходимой мощности энергии. Исключительно при таком грамотном подходе получиться избежать убыточности в таком вопросе.

Где применяются

Когда вы думаете о паровой энергии, вы можете представить себе паровые двигатели или пыхтящие локомотивы. Однако промышленные парогенераторы имеют множество применений:

• Дистилляция
• Стерилизация
• Подогрев теплового насоса
• Косвенный нагрев
• Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха

Электрический генератор может преобразовать приблизительно 97% электрической энергии из пара. Автоматическое управление безопасностью — регулятор уровня жидкости, например — поддерживает необходимый уровень воды и отключает генератор если уровень воды падает ниже нормы.

Парогенераторы с таким функционалом могут работать непрерывно без перегрева.

Генераторы пара из нержавеющей стали являются лучшим вариантов в случае необходимости достаточно чистого пара. Нержавейка уменьшает вероятность загрязнения пара.

Дизельный парогенератор

Они следуют подобной концепции теплообмена как бойлеры со змеевиками, но могут производить даже более высокое давление в зависимости от мощности. Они используются в основном на электростанциях.

Их паровое давление может ровняться, а в некоторых паровых машинах и превышать максимальное водяное давление в 221 Бар. Температура пара на этих машинах высокого давления может достигать 500 градусов по Цельсию.

Теплоутилизационный парогенератор

Теплоутилизационный парогенератор, или теплообменный аппарат, собирает облака пара под высоким давлением и использует этот пар после отработки через цепь теплообменников для питания других менее мощных паровых машин.

Этот восстановленный пар можно даже использовать на этих генераторах с более низким давлением для отопления промышленных предприятий или домов.

Парогенераторы для атомной электростанции

Существует два основных типа ядерных парогенераторов: (BWR), реактор с горячей водой и (PWR), реактор с водой под давлением. Вода в BWR превращается в пар внутри самого ядерного реактора и идет к турбине вне резервуара.

PWR вода находится под давлением свыше 100 Бар и никаких процессов кипения воды внутри реактора не происходит.

Паровые генераторы на солнечной энергии

Солнечные парогенераторы являются самым чистым способом получения пара. Вода бежит по трубам внутри панели солнечных батарей.

Солнце нагревает воду, а затем вода проходит через паровую турбину, создавая электроэнергию. Такой вид парогенераторов не производит отходов и не загрязняет окружающую среду.

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

• твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
• полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
• по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
• сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
• вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
• отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Процесс самостоятельной установки турбонаддува

Турбонаддув на авто

Для того чтобы поставить этот девайс на двигатель своими руками, нужно прежде всего понять одну вещь, независимо от марки автомобиля, модели турбины и прочих мелочей, принцип работы любого такого агрегата практически идентичен, так что проводимые работы в 95% случаев будут примерно одинаковы.

Ну давайте же начнем, а начать нужно со снятия с двигателя воздушного фильтра и карбюратора. Делается это потому, что патрубок приема устанавливается в то место, где находится карбюратор, а штатная приемная труба от карбюратора попросту удаляется. Также не будет лишним закрепить всю конструкцию нормальными болтами, для большей надежности. Газоотводящий патрубок будет заменен на шпильки коллектора выхлопа, а приемная труба глушителя будет введена снизу.

Что касается прямоугольно фланца на патрубке, то он крепится на приемной трубе при помощи медной прокладки. Это дает необходимый показатель жесткости и прочности крепления.

Следующим шагом необходимо соединить патрубок впуска и выпуска воздуха с аналогичной частью компрессора нашей системы. Делается это при помощи соединительного патрубка. Он имеет диаметр в 50 миллиметров и закрепляется при помощи пластиковых хомутов. На выходе из компрессора следует поставить еще один патрубок, но уже алюминиевый. После этого, можно приступить к возврату в систему двигателя его родного карбюратора. Для этого своими руками, с помощью штатных шпилек присоединяем его к горизонтальному фланцу при помощи родной прокладки.

Далее вам нужно демонтировать пластину, которая находится на крышки головки блока, но не перепутайте, их там несколько, а демонтировать нужно именно вторую с правой стороны. На ее место устанавливается приводной кронштейн дроссельной заслонки, которая отвечает за распределение и дозировку воздушных потоков, топлива, а теперь и выхлопа.

Теперь необходимо закрепить газопровод гидровакуумного усилителя. Крепится он на специально предназначенном штуцере входного патрубка. Далее ко всему этому делу присоединяются считывающие датчики приборов, дабы отслеживать показатели системы. В довершение всей работы не забудьте установить на место вентиляционный фильтр и трубу для вентиляции картера.

Турбина на автомобиле

Установка наддува

Итак, если вы решили установить турбонаддув своими руками, проводить процедуру нужно в следующем порядке:

Начнем с того, что купленный комплект нагнетателя следует тщательно осмотреть на предмет вмятин, трещин и других дефектов
Кроме того, нужно уделить внимание отверстию для подачи масла – внутри не должно быть грязи, пыли и прочих посторонних предметов.
После этого можно приступить к заправке турбины маслом

Очень важно ответственно подойти к выбору масла, ведь от этого в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики наддува.
Масло в отверстие заливается до самого верха, можно прокачать его ручным насосом, для наилучшего распределения внутри турбины
Если в процессе услышите шипение – не стоит пугаться, это нормальное явление.
Мероприятие повторяется несколько раз. Поле этого все масло нужно вылить из устройства.
Монтируя турбину на двигатель нужно расположить ее таким образом, чтобы масло могло свободно сливаться через маслоподающее отверстие.
Чтобы турбину было удобнее устанавливать лучше демонтировать теплоэкран, выпускной коллектор, а также генератор. Потом необходимо слить всю охлаждающую жидкость из системы.
Сливаем все масло

В блоке мотора высверливается отверстие, в которое на герметик устанавливается фитинг. После этого удаляем датчик температуры масла.
Устанавливаем адаптер, через который масло будет подаваться в турбину.
Далее возвращается на место теплозащитный экран, монтируется турбина и впускной коллектор. Фитинг и турбина соединяются шлангом, монтируется перепускной клапан.
На завершающем этапе устанавливаем интеркуллер и впускной пайпинг

Потом необходимо слить всю охлаждающую жидкость из системы.
Сливаем все масло. В блоке мотора высверливается отверстие, в которое на герметик устанавливается фитинг. После этого удаляем датчик температуры масла.
Устанавливаем адаптер, через который масло будет подаваться в турбину.
Далее возвращается на место теплозащитный экран, монтируется турбина и впускной коллектор. Фитинг и турбина соединяются шлангом, монтируется перепускной клапан.
На завершающем этапе устанавливаем интеркуллер и впускной пайпинг.

8-клапанный мотор ВАЗ с установленным турбонаддувом

Когда процесс монтажа закончен можно переходить к тестированию системы на работоспособность. Снимаем с цилиндров высоковольтные провода и прокручиваем мотор стартером. Если при этом давление масла в норме (гаснет лампа-индикатор на приборной панели), значит система работает нормально и можно запускать мотор. Первый раз двигателю нужно дать поработать минут 15 на холостых.

Строение паровой турбины

Паровые турбины строят в качестве стационарных конструкций, которые используют в основном на заводских силовых установках или электростанциях, и транспортных, необходимых для работы судовых котлов.

Независимо от принципа работы, суть происходящих действий будет оставаться неизменной – струя пара, вытекающая из сопла, будет направляться на лопатки диска, имеющегося на валу, и тот приводится в действие.

Паровые турбины различают по следующим характеристикам:

• Оборотам;
• Количеству корпусов;
• Направлению движения струи пара;
• Числу валов;
• Расположению конденсационной установки;
• Функциональности.

Паровые турбины обеспечивают длительную выработку механической энергии при температуре охлаждающей их воды до 330 С Цельсия. Также турбины должны выполнять продолжительную надежную работу с нагрузкой номинальной от 30 до 100%. Что необходимо для регулирования распределения электрической нагрузки. Самые распространенные конденсационные турбины обязаны обеспечивать длительное действие при температуре выхлопного процесса до 700 С.

Что такое турбированный двигатель в автомобиле

Первые турбированные двигатели были сконструированы ещё в 1905 году, однако на легковые автомобили их начали устанавливать во второй половине 20-го века. Турбонаддув – система нагнетания в цилиндры атмосферного двигателя дополнительного воздуха, вследствие чего происходит повышение среднего эффективного давления в цилиндрах. Это увеличивает мощность мотора без внесения изменений в его конструкцию. Работу мотора с турбонаддувом обеспечивает приводной нагнетатель, использующий энергию отработанных газов. Они приводят в движение колесо турбины, которая в свою очередь вращает колесо компрессора с помощью роторного вала. Компрессорное колесо сжимает воздух, который нагревается, а после поступления в интеркулер охлаждается и подаётся в цилиндры.

До недавнего времени двигатели с турбонаддувом устанавливались исключительно на дорогостоящие спортивные модели автомобилей. Но, по утверждению маркетологов, в настоящее время доля моделей с такими моторами стремительно увеличивается, и турбина становится практически обязательным элементов престижных марок авто.

Турбины устанавливают гораздо чаще на дизельных двигателях, чем на бензиновых

Производители машин делают акцент на том, что турбодвигатели беспощадно теснят «атмосферники», и большинство покупателей хороших машин предпочитают именно такой тип двигателя. Но так ли хорош турбомотор, как это расписывают конструкторы и инженеры автопредприятий? Чтобы сделать выводы, стоит рассмотреть его конструктивные особенности и поближе познакомиться с принципом действия.

Конструктивные особенности

Система турбонаддува состоит из компрессора, интеркулера, регулятора давления наддува и других узлов. Главная деталь – турбокомпрессор, регулирующий рост давления в системе впуска воздуха. Интеркулер охлаждает воздух и повышает его плотность.

Схема движения воздуха во время работы турбированного двигателя

Всей системой управляет регулятор наддува. Это перепускной клапан, ограничивающий давление отработанных газов. Отсекая некоторое их количество, клапан делает давление наддува оптимальным.

Турбокомпрессор работает следующим образом:

1. Воздух проходит через воздушный фильтр и поступает во входное отверстие.
2. Происходит сжатие воздуха, и в нём увеличивается содержание кислорода. Воздух нагревается, и его плотность снижается.
3. Массы воздуха покидают турбокомпрессор и попадают в интеркулер, в котором происходит охлаждение.
4. Сжатый воздух проникает через дроссель и впускной коллектор в цилиндры мотора.
5. Часть выхлопных газов, образовавшихся при сгорании топлива в цилиндрах, передаётся турбодвигателем назад в коллектор турбины. Этот поток воздуха запускает движение вала, на противоположном конце которого расположен компрессор. Здесь начинается повторное сжатие воздуха.

Схема турбокомпрессора

Ремонт турбины своими руками

• Снимаем турбину и освобождаем ее от всех винтов. Болты крепления улиток также открутим.
• Проверяем обе крыльчатки: турбину и компрессор. Их отремонтировать невозможно, а придется заменить в случае неисправности.
• Вал, на котором крепятся компрессор и турбина можно пытаться отшлифовать. Потом надо будет заменить подшипники другими, которые подойдут по размеру.
• Чтобы снять колесо компрессора, понадобятся кусачки с раздвижными губами. И надо обязательно учитывать, что на компрессорном валу левая резьба!
• Проверить допустимый ли люфт вала в условиях обычной мастерской очень сложно. Но тут мы идем на риск, уповая на удачу и возможность позже обратиться все-таки в мастерскую.
• Воспользовавшись универсальным съемником, пытаемся снять с вала компрессорное колесо.
• Втулки вала очень часто бывают причиной люфта.
• Очищаем и промываем специальными средствами все детали. При сборке некоторые узлы и детали принудительно смазываем маслом, которое используется при работе автомобиля. Перечень таких деталей различен в каждом конкретном случае.
• Не забыть поздравить себя самого после того, как удалось собрать турбокомпрессор! А если он еще и работает, вам пора подумать о смене профессии. На станции техобслуживания хорошая зарплата…

Прежде чем решаться разобрать и собрать турбокомпрессор далеко не в идеальных условиях, не имея опыта подобной работы, взвесьте еще раз самым тщательным образом все за и против.