Турбины: принцип работы, виды, преимущества и недостатки

Содержание:

1. Конструкция и принцип работы турбины
2. Сверхзвуковые течения
3. Повышение перепада давления на турбине
4. Условие оптимальной работы турбины
5. Большой перепад давления в турбине
6. Виды турбин
7. Радиальная центростремительная турбина

Турбина является ключевым элементом выпускаемых компанией TICA ORC-энергоустановок и электростанций, в качестве источников низко- и среднетемпературного тепла использующих энергию земных недр, солнца, биомассы, отработанного тепла, полученного после охлаждения технологического оборудования, уходящих газов. Она оказывает решающее влияние на производительность и капитальную и эксплуатационную стоимость всей энергоустановки.

Турбина (от франц. turbine, происшедшего от лат. turbo (turbinis), — вихрь, волчок) — двигатель с вращающимся рабочим органом, в котором поток жидкости или газа непрерывно совершает механическую работу. Турбина является устройством динамического действия, в котором работа совершается во время процессов, обусловленных изменением скорости потока пара. Работу в турбинах, используемых в органическом цикле Ренкина (ORC), совершает пар, который образуется при испарении органических жидкостей под действием источников тепла температурой от 90 до 350 °C.

Одним из основных параметров, характеризующих турбины, является изоэнтропическая эффективность — отношение работы, совершенной потоком пара в турбине, к работе, которую этот же поток мог совершить при отсутствии теплообмена и потерь на трение, расширившись до того же конечного давления.

Конструкция и принцип работы турбины

Чаще всего турбина состоит из неподвижных лопаток и лопаток, размещенных на вращающемся диске. Диск с лопатками и вал, на котором он закреплен, образуют ротор турбины. Неподвижные лопатки имеют специальный профиль. Каналы между неподвижными лопатками можно рассматривать как ряд сопел, в которых газ движется в заданном направлении и постепенно ускоряется. Данный ряд лопаток называется направляющим аппаратом турбины. В направляющем аппарате пар расширяется и его давление падает. Поток пара, выходящий из направляющего аппарата, подается на вращающиеся лопатки.

В простейшей конструкции турбины пар, двигаясь с почти постоянной скоростью вдоль поверхности лопаток, изменяет направление движения практически на противоположное. При этом возникает сила, действующая на лопатки со стороны пара. Эта сила вращает ротор турбины.

Так как пар попадает на лопатки, двигаясь в одном направлении с ними, а покидает их, двигаясь с той же скоростью относительно лопаток, но уже в противоположном направлении, скорость пара относительно неподвижных частей турбины снижается. В простейшей турбине работа совершается за счет того, что пар перед лопатками движется быстрее, чем после лопаток.

Направляющий аппарат и диск с лопатками являются ступенью турбины. В турбине может быть несколько ступеней.

Сверхзвуковые течения

Если на направляющем аппарате создать перепад давления пара, превышающий определенную величину, то скорость пара на выходе превысит скорость звука. Кроме того, изменится характер течения пара: вблизи неподвижных поверхностей появятся области, в которых он будет находиться в сжатом состоянии (скачки уплотнения). В результате возникает дополнительное сопротивление движению потока, как следствие, эффективность турбины снижается.

Для паров большинства веществ, используемых в ORC, переход к сверхзвуковым течениям происходит тогда, когда давление пара на входе направляющего аппарата становится примерно в два раза меньше давления пара на выходе (например, для хладагента R245fa — в 1,8 раза.)

Повышение перепада давления на турбине

Движущимся лопаткам можно придать такую форму, чтобы при течении пара в каналах между ними изменялась площадь поперечного сечения потока и увеличивалась его скорость относительно лопаток. В таком случае, ускоряясь, пар будет отталкиваться от лопаток и на них начнет действовать сила, обусловленная не только изменением направления движения потока, но и увеличением его скорости. Для максимального вращающего эффекта поток пара должен быть направлен почти под прямым углом к оси турбины.

Без снижения эффективности турбины поток можно ускорять до тех пор, пока его скорость относительно лопаток не превысит скорость звука, то есть до тех пор, пока давление перед лопатками не станет в два раза больше, чем после них. Таким образом, без снижения эффективности турбины на одной ступени давление пара можно уменьшить примерно в четыре раза — в два раза на направляющем аппарате и в два раза на вращающихся лопатках.

Условие оптимальной работы турбины

По мере движения в турбине пар сначала ускоряется в направляющем аппарате, а затем может приобрести дополнительную скорость и во вращающихся лопатках. Если, покидая лопатки, пар движется относительно них с такой же скоростью, с которой лопатки движутся относительно корпуса турбины и эти скорости направлены в противоположные стороны, то скорость пара на выходе турбины будет минимальной, а совершенная паром работа максимальной.

Так как пар может покидать лопатки, двигаясь со скоростью звука, то для оптимальной работы лопатки турбины также должны двигаться со скоростью звука.

Большой перепад давления в турбине

В ORC-установках давление, при котором происходит кипение жидкости, может отличаться от давления конденсации в 4—100 раз (в зависимости от вещества и температуры источника тепла). Если отношение давлений на входе и на выходе одной ступени турбины превысит 4, то скорость потока окажется выше скорости звука и эффективность турбины снизится.

Для того чтобы отношение давлений пара в турбине превысило 4, однако ее эффективность осталась высокой, последовательно устанавливают несколько ступеней. При этом на каждой ступени давление уменьшается в два-четыре раза.

При незначительном превышении скорости звука, то есть когда отношение давлений на входе и на выходе будет несколько больше 4, потери возрастут, но не станут критическими. Если немного снизить эффективность, но при этом увеличить перепад давления на ступени и уменьшить количество ступеней, то стоимость всей турбины существенно снизится. Зачастую такой вариант является наилучшим, особенно для турбин небольшой мощности.

Виды турбин

Осевая турбина

Рассмотренная выше турбина является осевой. Поток пара в ней перемещается вдоль оси вращения. Это наиболее распространенный тип турбин, применяемых в энергетике.

Преимущества осевой турбины

Поток пара, проходящий через осевую турбину, может иметь большую площадь поперечного сечения и переносить значительную энергию. Агрегаты данного типа вырабатывают от 10 МВт электроэнергии и более. Эффективность многоступенчатых осевых турбин превышает 90%.

Недостатки осевой турбины

Проходя ступени турбины, пар расширяется. Как следствие, увеличиваются площадь поперечного сечения потока и высота лопаток турбины на каждой последующей ступени.

На поток пара, находящийся между высокими лопатками, действуют центробежные силы. Они «вынуждают» поток двигаться в радиальном направлении. В результате он становится неоднородным, а значит, не на всех его участках выполняются условия для оптимального преобразования энергии. Как итог, общая эффективность турбины снижается.

Разные точки одной лопатки находятся на разных расстояниях от оси вращения и движутся с разными скоростями относительно пара. Чтобы взаимодействие пара и лопаток было одинаковым по всей высоте лопаток, им придают закрученную форму. Из-за этого их обычно изготовляют по отдельности, что значительно увеличивает стоимость осевых турбин по сравнению с другими типами.

Невозможность создания эффективной осевой турбины малой мощности

Для того чтобы при любых режимах работы избежать соприкосновения лопаток и корпуса турбины, между ними предусмотрен зазор. Из-за этого часть пара проходит мимо лопаток, как следствие, эффективность турбины снижается. Так, если зазор равен 1% высоты лопатки, то эффективность турбины уменьшается на 2% и более.

Зазор между лопатками и корпусом не может быть меньше определенной величины. При значительном снижении высоты лопаток падение эффективности из-за зазора становится основной причиной потерь в осевой турбине. Поэтому эффективность осевых турбин мощностью менее 10 МВт существенно снижается.

Необходимость использования сложных радиально-упорных подшипников

Поскольку для создания значительных перепадов давления используется большое число ступеней, конструкция турбины усложняется, а ее себестоимость и расходы на эксплуатацию и обслуживание существенно возрастают. Кроме того, так как перепад давления пара на движущихся лопатках турбины вызывает силу, действующую вдоль оси ротора, вал осевой турбины должен быть закреплен в сложных радиально-упорных подшипниках, что также увеличивает стоимость всей системы.

Радиальная центростремительная турбина

Радиальная турбина

Радиальной называется турбина, в которой поток пара распространяется в радиальном направлении перпендикулярно оси вращения рабочего колеса.

Поток пара в радиальной центростремительной турбине

В радиальной центростремительной турбине поток пара направлен от периферии к центру. Ее ротор представлен на рисунке. Снаружи диска находится ряд неподвижных лопаток (направляющий аппарат), раскручивающих поток газа в направлении вращения ротора. Во время движения потока пара вдоль лопаток происходят такие же процессы, как и в осевой турбине: изменение направления и ускорение потока за счет перепада давления. При этом возникают силы, со стороны пара действующие на лопатки и вращающие ротор.

Особенность движения пара в центростремительной турбине

По мере движения потока пара в направлении оси вращения радиус, по которому движется каждая частица, непрерывно уменьшается. Скорость вращательного движения пара вокруг оси турбины также снижается. Затормаживающийся пар воздействует на лопатки силой в направлении своего движения вокруг оси, тем самым увеличивая крутящий момент, действующий на ротор. Таким образом, помимо сил, оказывающих влияние на пар в осевой турбине, на пар в центростремительной турбине воздействует сила, связанная с замедлением вращательного движения потока при его движении в направлении оси турбины (сила Кориолиса).

Дополнительный перепад давления в центростремительной турбине

В радиальной турбине на вращающийся пар воздействует центробежная сила. Для того чтобы пар двигался в направлении оси вращения, надо приложить дополнительное давление. Поэтому в центростремительной турбине создают дополнительный перепад давления, связанный с необходимостью преодоления центробежной силы. Как следствие, перепад давления на одной ступени центростремительной турбины больше, чем на одной ступени осевой. При этом благодаря действию силы Кориолиса пар в центростремительной турбине совершает большую работу.

Ограничение перепада давления

Как и в осевой турбине, фактором, ограничивающим максимальный перепад давления, является переход к сверхзвуковому течению пара. После перехода эффективность турбины снижается. Применительно к центростремительным турбинам обычно находят компромисс между стоимостью агрегата и его эффективностью. Допускается повышение скорости пара до сверхзвуковой за счет увеличения отношения давлений на входе и на выходе турбины выше оптимального. Как и в осевой турбине, фактором, ограничивающим максимальный перепад давления, является переход к сверхзвуковому течению пара. После перехода эффективность турбины снижается. Применительно к центростремительным турбинам обычно находят компромисс между стоимостью агрегата и его эффективностью. Допускается повышение скорости пара до сверхзвуковой за счет увеличения отношения давлений на входе и на выходе турбины выше оптимального. Несмотря на большое отношение давлений на одной ступени, центростремительная турбина имеет довольно высокую эффективность, что является ее основной отличительной особенностью.что является ее основной отличительной особенностью.

Воздействие пара на турбину

Сила, с которой пар воздействует на лопатки, направлена перпендикулярно оси вращения. Поэтому вал центростремительной турбины может быть закреплен в недорогих радиальных подшипниках.

Влияние зазора на эффективность турбины

Зазор между корпусом центростремительной турбины и лопатками ротора значительно меньше влияет на эффективность, нежели в осевой турбине. Это обусловлено следующими факторами:

1) вблизи периферии ротора скорость потока пара вдоль лопаток невысока. Кроме того, в этой области невелик перепад давления на сторонах лопатки. В результате возникает так называемый эффект скребка, когда движущаяся лопатка «сгребает» малоподвижный слой пара вблизи корпуса и создается дополнительный перепад давления, препятствующий перетеканию пара в направлении движения лопатки;

2) по мере уменьшения расстояния до оси вращения высота лопаток увеличивается, а зазор остается таким же, поэтому снижается доля потока, пропускаемого через зазор.

Возможность изготовления центростремительной турбины малой мощности

Так как зазоры в центростремительной турбине меньше влияют на ее эффективность, то высота лопаток в ней может быть значительно меньше, чем в осевой. Благодаря этому центростремительная турбина может иметь значительно меньшую мощность при сохранении довольно высокой эффективности.

Так как на одной ступени центростремительной турбины может быть достигнут большой перепад давления, эти агрегаты обычно имеют одну ступень и используются в недорогих установках малой мощности.

Частота вращения турбины довольно велика, поэтому электрический генератор надо подключать к ней через понижающий редуктор.

Конструктивные особенности центростремительной турбины

Диск центростремительной турбины обычно производят из цельного куска металла. Диск можно изготовить даже методом литья или штамповки, что значительно снижает стоимость турбины в целом. Поскольку диаметр потока пара, выходящего из агрегата, довольно мал, поток может переносить только относительную небольшую энергию. По этой причине центростремительные турбины обычно не используют в энергоустановках большой мощности.

Радиальная центробежная турбина

Радиальная центробежная турбина — это турбина, в которой поток пара движется вдоль радиуса от оси вращения к периферии. Направление потока пара в ней противоположно направлению потока в центростремительной турбине. Пар поступает в центробежную турбину в центре, вблизи оси вращения, и двигается в осевом направлении, а затем распространяется наружу в радиальном направлении, проходя через ряды лопаток ротора и ряды неподвижных направляющих лопаток.

Поток пара в радиальной центробежной турбине

В центробежной турбине происходят те же процессы, что и в центростремительной. Отличие заключается в том, что центробежная сила, действующая на пар, направлена вдоль потока, а не против него. Поскольку длина лопаток в центробежной турбине обычно мала, то перепад давления, обусловленный воздействием центробежных сил, на одной ступени не очень существенен.

В результате действия силы Кориолиса ротор центробежной турбины притормаживается, а не ускоряется, как в центростремительной. Для уменьшения тормозящего действия силы Кориолиса лопаткам центробежной турбины придают специальную форму.

По своим характеристикам ступень центробежной турбины похожа на ступень осевой. Отношение давлений на входе и на выходе ступеней центробежной и осевой турбин примерно одинаково, поэтому центростремительные турбины, как и осевые, чаще всего включают несколько ступеней.

Движущиеся лопатки разных ступеней размещаются на одном вращающемся диске. Неподвижные лопатки также закреплены на одном диске. Каждый элемент может быть изготовлен из одного куска металла. Конструкция многоступенчатой центробежной турбины удобна в обслуживании и очень компактна по своим размерам.

Как и в центростремительной турбине, пар действует на лопатки центробежной турбины силой, направленной перпендикулярно оси вращения ротора. Другие силы, действующие на ротор в осевом направлении, могут быть легко компенсированы. Поэтому в центростремительной турбине используются недорогие радиальные подшипники.

Течение пара в центробежной и осевой турбинах

Точки каждой лопатки ротора центробежной турбины, находящиеся на разной высоте, расположены на одном расстоянии от оси вращения и движутся с одинаковой скоростью относительно пара. Поэтому лопатки имеют простую форму, а не закручены, как в осевой турбине.

При последовательном прохождении ступеней поток пара расширяется. Так как диаметр ступеней в центробежной турбине увеличивается, то, чтобы обеспечить требуемую площадь поперечного сечения потока, высоту лопаток нужно изменять лишь незначительно. Высота лопаток первой и последней ступеней в центробежной турбине отличаются гораздо меньше, чем в осевой. Благодаря этому поток пара на последних ступенях является более однородным, а значит, эффективность центробежной турбины снижается в гораздо меньшей степени.

В отличие от осевой, лопатки разных ступеней центробежной турбины движутся с разной скоростью. Так, лопатки последней ступени обычно движутся со скоростью, близкой к скорости звука, остальных ступеней — значительно медленнее. В первых ступенях центробежной турбины поток пара движется с большой скоростью относительно лопаток, поэтому потери на трение в них выше, чем в осевой.

В целом, эффективность центробежной и осевой турбин примерно одинакова, однако первая значительно дешевле второй.

Подключение генератора к центробежной турбине

Как отмечалось выше, последняя ступень центробежной турбины движется со скоростью звука. Так как в парах органических жидкостей скорость звука относительно мала, то при диаметре турбины меньше 1 м частота вращения вала может равняться 50 Гц. В этом случае вал электрогенератора можно подключить к валу турбины без использования редуктора, что значительно упрощает конструкцию при сохранении ее компактности.

Зазоры и эффективность турбины

Конструкция многоступенчатой центробежной турбины очень проста в сборке и позволяет установить минимально возможные зазоры между лопатками ротора и корпусом. Вследствие малых потерь в зазорах можно изготовлять маломощные, но при этом высокоэффективные центростремительные турбины.

Расширительные машины объемного действия

Помимо турбин, поток пара может совершать работу в расширительных машинах объемного действия. В таких устройствах силы статического давления совершают работу при расширении отдельных порций пара. Непосредственно от скорости движения работа пара не зависит.

Двухвинтовая расширительная машина

Одной из машин объемного действия является двухвинтовая расширительная машина. Она состоит из двух роторов, на поверхности которых есть винтовые выступы и канавки. Поверхности роторов очень близко подходят друг к другу и к стенкам корпуса. На корпусе расположены отверстия, через которые подается и отводится пар. Из-за крайне малого зазора между ротором и стенками пар не может перетекать из одной канавки в другую. Кроме того, пар не может полностью заполнить всю канавку — только до зоны перекрытия роторов. В этой зоне канавка одного ротора плотно подходит к выступу другого и тем самым препятствует перетеканию пара дальше зоны перекрытия. Роторы вращаются навстречу друг другу, при этом зона перекрытия смещается в сторону выпускного отверстия. Для повышения производительности устройства на роторах может быть сделано несколько канавок.

Принцип работы двухвинтовой расширительной машины

1) В начальном положении зона перекрытия роторов находится вблизи впускного отверстия, расположенного между торцами роторов. В канавки роторов начинает поступать пар. 

2) При повороте роторов отверстие перекрывается одним из них, и пар в канавках отсекается от подводящей магистрали. Он заполняет часть канавок от торца роторов до зоны перекрытия. При дальнейшем вращении роторов зона перекрытия перемещается в сторону выпускного отверстия, в результате объем, занимаемый паром, увеличивается. Силы давления пара, воздействуя на роторы в зоне перекрытия, совершают работу, вращая их. В свою очередь роторы вращают вал электрогенератора. Максимальный объем, который может занимать пар, определяется длиной канавки между двумя зонами перекрытия, то есть шагом винта. 

3) После того как объем пара станет максимальным, пар начнет выходить через выпускное отверстие. К этому моменту роторы совершат один оборот. В течение еще одного оборота пар полностью покинет канавки.

Максимальная степень расширения пара

Максимальная степень расширения пара определяется отношением максимального объема пара к объему пара в момент осечки подачи пара и не зависит от условий работы.

Эффективность расширительной машины

Эффективность расширительной машины зависит прежде всего от утечки пара из канавок. Из-за утечки через зазоры между роторами и корпусом, а также между роторами не весь объем пара участвует в совершении работы. При увеличении частоты вращения скорость утечки пара изменяется незначительно, зато уменьшается время пребывания пара в канавках. По этой причине уменьшаются и потери пара, связанные с утечкой. Обычно двухвинтовые расширительные машины используются в устройствах мощностью 0,1—2 МВт. Их эффективность составляет 70—75 %. Максимальный перепад давления пара в устройствах зависит от метода борьбы с утечкой.

Преимущества и недостатки двухвинтовых расширительных машин по сравнению с турбинами