TURBINY PAROWE
Za pierwowzór parowej turbiny uwa\
ana jest tzw. bania Herona, greckiego matematyka, fizyka,
mechanika, wynalazcÄ™ i konstruktora z I w.n.e.
Urządzenie składało się z podgrzewanego ogniem kotła oraz
. właściwej turbiny w formie kuli zamocowanej na osi. Na jej
obwodzie znajdowały się dwie dysze skierowane
przeciwbie\
nie. Powstająca w kotle para doprowadzana była
do kuli przez wydrÄ…\
one osie i wydostawała się z niej poprzez
dysze. Wywołane przez wypływ pary z dysz siły odrzutu o
równoległych kierunkach i przeciwnym zwrocie wytwarzały
siłę ciągu i wprawiały kulę w ruch obrotowy
Bania Herona
Wynalazek współczesnej turbiny parowej pochodzi z końca XIX wieku.
Za wynalazców turbiny parowej uwa\
a siÄ™ Szweda C. G. P. de Lavala (1883 r) oraz Anglika Ch. A.
Parsonsa (1884 r). Od początku XX wieku ma miejsce intensywny rozwój jej konstrukcji, trwający do
chwili obecnej.
Turbiny parowe są stosowane w wielu dziedzinach gospodarki, głównie w energetyce, przemysłach
przetwórczych i w transporcie morskim. Zasadniczym zadaniem turbin parowych jest napęd prądnic
elektrycznych w energetyce. Turbiny parowe sÄ… tak\
e stosowane do napędu pomp, sprę\
arek i
wentylatorów. Stanowią te\
napęd du\
ych statków i okrętów, np. tankowców czy lotniskowców, w
szczególności o napędzie atomowym. Większość wytwarzanej na świecie energii elektrycznej pochodzi
z turbozespołów parowych (turbozespół - zespół zło\
ony z turbiny i napędzanej przez nią prądnicy
elektrycznej oraz z urządzeń pomocniczych). Nale\
y zwrócić uwagę, \
e w elektrowniach jÄ…drowych,
podobnie jak w konwencjonalnych, turbiny parowe napędzają prądnice.
Turbina parowa jest silnikiem cieplnym wirnikowym. W turbinie odbywa siÄ™ przetwarzanie energii
cieplnej pary wodnej, dopływającej z kotła, na pracę mechaniczną.
W turbinie parowej zachodzi podwójna przemiana energii:
" przez rozprÄ™\
enie pary (głównie w nieruchomych kanałach międzyłopatkowych) następuje
zamiana energii cieplnej pary na energiÄ™ kinetyczna strumienia pary,
" w kanałach międzyłopatkowych wirnika zachodzi z kolei przetwarzanie tej energii kinetycznej
na pracÄ™ mechanicznÄ….
Podstawowym elementem ka\
dej turbiny jest łopatka, która jest przymocowana do piasty, tarczy lub
bębna.
Przykłady łopatk turbiny: nowej i zu\
ytej
1
A
opatki są przymocowane na całym obwodzie bębna lub tarczy, tworząc tzw. wieniec łopatkowy lub
palisadę łopatkową. Piasta, bęben bądz
tarcza jest osadzona na wale. Czasem sÄ… one wykonane jako
jeden element. Wał razem z piastą, tarczą lub bębnem i wieńcem łopatkowym stanowią wirnik turbiny,
na którym generowany jest moment obrotowy w wyniku przepływu pary i odprowadzany wałem do
maszyny napędzanej, np. prądnicy (generatora).
Układ łopatkowy turbiny jest zło\
ony z nieruchomych wieńców łopatkowych (tzw. wieńce kierownicze,
związane z kadłubem) oraz wieńców wirujących związanych z wirnikiem. Zadaniem wieńca
kierowniczego jest odpowiednie wprowadzenie pary na wieniec Å‚opatkowy. Przed ka\
dym wieńcem
Å‚opatkowym jest wieniec kierownic.
Schemat układu łopatkowego dwuwieńcowego
stopnia Curtisa
1  dysze doprowadzajÄ…ce parÄ™ do turbiny
2 - wieniec wirujÄ…cy I (Å‚opatki wirnika)
3 - wieniec odwracajÄ…cy (kierownice)
4 - wieniec wirujÄ…cy II (Å‚opatki wirnika)
Stopień Curtisa jest to wieniec łopatek i kierownic, do którego w pierwszej kolejności dopływa para
doprowadzona do turbiny. W stopniu tym bardzo du\
a część energii kinetycznej pary zostaje zamieniona
na pracę - obrót wału (wirnika).
Wraz z przepływem pary przez kolejne wieńce łopatek i kierownic obni\
a się ciśnienie (wskutek roz-
prÄ™\
enia) i objętość właściwa pary szybko wzrasta, stąd wysokości łopatek na wylocie z turbiny są
znacznie większe ni\
na wlocie.
Zdemontowane wieńce kierownic
turbiny
Moc jednostkowa małych turbin parowych wynosi ok. 1 kW, największych przekroczyła ju\
1500 MW.
Jest to moc nieosiągalna dla innych typów silników cieplnych. Turbiny parowe odznaczają się wysoką
sprawnością wewnętrzną. Zawiera się ona w przedziale 0.67  0.87. Im większa moc turbiny tym
wy\
sza sprawność.
2
Omówienie zasadniczych elementów turbiny oraz drogi pary na przykładzie
jednokadłubowej, wielostopniowej, akcyjnej turbiny kondensacyjnej.
Jednokadłubowa wielostopniowa akcyjna turbina kondensacyjna o mocy 50 MW, n = 3000 Obr/min, ciśnienie pary świe\
ej
9 MPa, temperatura pary świe\
ej 535°C, ciÅ›nienie w skraplaczu 3,5 kPa
Para przegrzana o ciÅ›nieniu 9 MPa i temperaturze 535°C dopÅ‚ywa rurociÄ…gami z kotÅ‚a i dostaje siÄ™ do
turbiny przez zawór główny, nazywany te\
szybkozamykającym (nie pokazany na rysunku), całkowicie
otwarty w czasie normalnej pracy. Następnie rurociągami 1 dopływa do zaworów regulacyjnych 2 (jeden
lub częściej kilka, tu 4), znajdujących się pod wpływem regulatora prędkości obrotowej. Zawory
regulacyjne są tu połączone z komorami dyszowymi 3, u których wylotu są zamocowane nieruchome
Å‚opatki kierownicze 4 pierwszego stopnia turbiny 29, nazywane zwyczajowo dyszami. U wylotu turbiny
panuje znacznie ni\
sze od atmosferycznego ciśnienie 3,5 kPa, tj. stosunkowo głęboka pró\
nia,
wytwarzana przez połączone z turbiną urządzenie kondensacyjne. Ta du\
a ró\
nica ciśnień pomiędzy
wlotem i wylotem turbiny ma na celu umo\
liwić jak największe rozprę\
enie pary, a więc uzyskanie z
niej jak największej ilości energii. Zachodzi ono stopniowo, w 21 kolejnych stopniach turbiny. W nie-
ruchomych kanałach rozprę\
nych poszczególnych stopni, nazywanych kierownicami, para uzyskuje
odpowiednią energię kinetyczną, dzięki której wykonuje następnie pracę w wieńcach wirujących. Po
przepłynięciu przez wieńce kierownicze i wirujące wszystkich stopni rozprę\
ona para opuszcza turbinÄ™
przez wylot 5, który jest połączony ze skraplaczem, umieszczonym zwykle pod turbiną (nie pokazany na
rysunku). Wraz z obni\
eniem ciśnienia (wskutek rozprę\
enia) objętość właściwa pary szybko wzrasta,
stąd wysokości łopatek na wylocie są znacznie większe ni\
na wlocie. A
opatki kierownicze, tworzÄ…ce
wieńce kierownicze, są osadzone w tarczach kierowniczych 6, które za pośrednictwem obejm 7 są
połączone z kadłubem turbiny 8.
A
opatki wirujące, tworzące wieńce wirujące, są zamocowane na tarczach wirujących 9, które w części
wylotowej są osadzone na wale (wirniku) 10, a w części wlotowej wytoczone razem z wałem ze
wspólnej odkuwki. Wirnik 10 spoczywa na ślizgowych ło\
yskach nośnych: przednim 11 oraz tylnym 12.
Siłę osiową przejmuje ło\
ysko oporowe 13, zwykle typu Michella. W omawianej turbinie przednie
Å‚o\
ysko nośne i ło\
ysko oporowe są połączone, tworząc ło\
ysko oporowo-nośne. Wirnik turbiny 10 jest
bezpośrednio sprzę\
ony z wirnikiem napędzanej prądnicy (generatora) 14 za pomocą sprzęgła
półsztywnego 15. Dla uniknięcia nadmiernych przecieków pary na zewnątrz turbiny (w części wlotowej)
oraz podsysania powietrza (w części wylotowej) wirnik uszczelnia się względem kadłuba labiryntowymi
3
dławnicami zewnętrznymi 16 oraz 17. W tarczach kierowniczych 6 wirnik jest uszczelniony
labiryntowymi dławnicami międzystopniowymi 18. Dla zasilania regeneracyjnych podgrzewaczy
skroplin częśćpary z turbiny jest odbierana przez króćce upustów regeneracyjnych 19 na komorach
upustów 20. W przednim stojaku ło\
yskowym 21, poza Å‚o\
yskiem oporowo-nośnym, jest umieszczony
blok regulatorów bezpieczeństwa 22 oraz napędzana od wału turbiny główna pompa olejowa 23 i
regulator prędkości obrotowej 24. W celu zapewnienia równomiernego nagrzewania turbiny przy
rozruchu i stygnięcia przy wyłączaniu z ruchu (odstawianiu) wirnik turbiny jest powoli obracany przez
elektryczny silnik obracarki 25 z przekładnią 26. W czasie normalnej pracy turbiny obracarka jest
odłączona. Turbina opiera się na betonowym fundamencie za pośrednictwem płyt fundamentowych.
Monta\
wirnika turbiny w kadłubie
Podział turbin
1. Ze względu na zasadę działania:
" akcyjne
" reakcyjne
2. Ze względu na kierunek przepływu pary:
" osiowe
" promieniowe
3. Ze względu na stan czynnika termodynamicznego:
" na parę przegrzaną z ciśnieniem podkrytycznym
" na parę przegrzaną z ciśnieniem nadkrytycznym
" na parÄ™ nasyconÄ… (stosowane w elektrowniach jÄ…drowych)
4. Ze względu na liczbę:
" kadłubów (korpusów): wysokoprę\
ne, średnioprę\
ne, niskoprÄ™\
ne,
" wylotów pary i wałów
5. Ze względu na sposób realizacji obiegu cieplnego:
4
" kondensacyjne
" przeciwprÄ™\
ne
" upustowo-kondensacyjne
" upustowo-przeciwprÄ™\
ne
" kondensacyjno-ciepłownicze
" upustowo-ciepłownicze
6. Ze względu na ilość stopni:
" jednostopniowe
" wielostopniowe
7. Ze względu na liczbę wałów:
" jednowałowe
" dwuwałowe - ka\
dy z wałów napędza oddzielny odbiornik
8. Ze względu na prędkość kątową:
" turbiny normalnoobrotowe (50 Hz lub 60 Hz)
" turbiny o połówkowej liczbie obrotów (25 Hz lub 30 Hz)
" turbiny szybkoobrotowe z przekładniami zębatymi
9. Ze względu na rodzaj odbiornika:
" do napędu generatorów elektrycznych
" do napędu maszyn roboczych (pomp, sprę\
arek itp.)
" do napędu środków transportu (statki i inne)
10. Ze względu na parametry pary świe\
ej:
" na ciśnienie podkrytyczne i nadkrytyczne
" na parę nasyconą (siłownie jądrowe z wodnymi reaktorami wrzącymi i ciśnieniowymi)
" w układach z jednokrotnym i wielokrotnym przegrzewem pary
11. Ze względu na funkcję w systemie elektroenergetycznym:
" turbiny bloków podstawowych
" turbiny do pokrywania obciÄ…\
eń podszczytowych i szczytowych
12. Ze względu na udział w pokrywaniu obcią\
eń dobowych w systemie elektroenergetycznym
turbiny takie dzielÄ… siÄ™ na turbiny do obciÄ…\
eń:
" podstawowych
" podszczytowych
" szczytowych - do szybkich uruchomień
5