2.3. Turbiny parowe i turbiny gazowe – rodzaje i konstrukcje turbin, zasada działania, sprawność stopnia

Turbiny należą do dużej grupy maszyn przepływowych, zwanych silnikami wirnikowymi. Dzieli się je na:

• turbiny gazowe

• turbiny parowe

• turbiny wiatrowe

• turbiny wodne.

Ze względu na powszechność zastosowania oraz rolę, jaką odgrywają w energetyce, największe znaczenie mają turbiny parowe.

TURBINY PAROWE

1. Turbina parowa - silnik cieplny wirnikowy, w którym następuje przemiana energii "cieplnej" pary wodnej w pracę.

W siłowni parowej turbina parowa wraz z napędzanym przez nią generatorem elektrycznym tworzą turbozespół.

Współczesne turbiny parowe osiągają moc ponad 1500 MW, a istnieją techniczne możliwości budowy maszyn wirnikowych o znacznie większej mocy.

2. Nazewnictwo turbin na przykładach: 7C50, 7UC60, 13UP55, 13UC105, 13 UK215

pierwsze cyfry (tu 7,13) oznaczają ciśnienie świeżej pary, tzn. za kotłem a przed zaworem cyfry na końcu (tu 50,60,105,…) oznaczają moc turbiny

K – turbina kondensacyjna, ciśnienie na wyjściu z turbiny jest mniejsze od atmosferycznego, wykorzystywana w elektrowniach elektrycznych

C – turbina ciepłownicza, ciśnienie na wyjściu z turbiny jest większe od atmosferycznego, wykorzystywana w elektrociepłowniach

UC – turbina upustowo ciepłownicza

UP – turbina upustowo przeciwprężna

3. Klasyfikacja turbin parowych (za najważniejsze kryteria podziału uważa się cechy konstrukcyjne oraz parametry pary dolotowej i wylotowej) 8 kryteriów:

1. Według liczby stopni:

   • jednostopniowe (małej mocy, stosowane do napędu pomp, wentylatorów, małych prądnic itp.)

   • wielostopniowe (na przykład turbiny energetyki zawodowej)

2. Według liczby kadłubów:

   • jednokadłubowe

   • wielokadłubowe (turbiny z rozdziałem zakresu ciśnienia: część wysoko-, średnio- i niskoprężna turbiny, oznaczane odpowiednio WP, SP i NP

3. Według liczby nie sprzężonych wałów:

   • jednoosiowe

   • wieloosiowe

4. Według kierunków przepływu pary:

   • osiowe

   • promieniowe

5. Według konstrukcji:

   • komorowe (akcyjne)

   • bębnowe (reakcyjne)

   • kombinowane

6. Według parametrów pary:

   • niskoprężne 0,12-0,2 MPa

   • średnioprężne do 3,5 MPa

   • wysokoprężne ponad 3,5 MPa

7. Według przebiegu procesu cieplnego

   • kondensacyjne: a) bez układu regeneracji,
     b) z układem regeneracji

   • kondensacyjne: a) bez przegrzewania,
     b) z przegrzewem międzystopniowym,

   • kondensacyjne z regulowanymi upustami

   • przeciwprężne

8. Według zastosowań

   • energetyczne (duże moce, ciśnienie pary 13-25 MPa, przeważnie kondensacyjne)

   • ciepłownicze (można zaliczyć do energetycznych, z zadaniem oddania ciepła w parze odlotowej)

   • przeciwprężne (para z wylotu przekazywana do zastosowań przemysłowych)

   • napędowe (służą do napędu maszyn; głównie statków)

Największą grupę stanowią: energetyczne turbiny parowe kondensacyjne → służą do napędu generatorów elektrycznych w elektrowniach i osiągają ogromne moce (ponad 1500 MW).

Prędkość obrotowa wirnika turbiny energetycznej wiąże się z częstotliwością sieci:

• w Europie 3000 obr/min

• W USA 3600 obr/min

4. Zasada działania stopnia turbinowego:

• Stopień turbinowy - główny element turbiny parowej, odpowiedzialny za zachodzące w niej przemiany energetyczne. Składa się z:

  • nieruchomego wieńca przyrządów rozprężnych (ekspansywnych)

  • wieńca łopatek obracającego się wirnika

Działanie stopnia turbinowego sprowadza się do : przekazania energii przez parę organowi roboczemu maszyny, którym jest wieniec łopatek wirnika.

• Schemat przemian energetycznych turbiny parowej: energia cieplna → energia kinetyczna → praca

• Przemiana energii cieplnej pary w energię kinetyczną następuje w przyrządach rozprężnych turbiny:

  • dysze - w dyszach rozszerzających się u wylotu, może być osiągana prędkość naddźwiękowa.

  • kierownice - szczególny rodzaj dyszy, której powierzchnia otworu wylotowego ma najmniejsze pole przekroju. Max. prędkość przepływu w kierownicy na wylocie nie przekracza prędkości dźwięku.

• Głównym elementem turbiny parowej jest wirnik, do którego przymocowane są jednakowe, odpowiednio wyprofilowane łopatki wirnikowe. Para wodna przekazuje energię wirnikowi, przez działające na wirnik siły aerodynamiczne, powstające podczas opływu łopatek wirnika parą pod odpowiednim kątem.

• Ta część w której mocujemy na odwodzie łopatki, nazywamy stopką. Stopki są różnego kształtu w zależności od mocy, natomiast profile łopatek zależą od rodzaju kanału (w turbinie, dysze).

• Ukształtowanie profilu łopatki powoduje, że prędkość przepływu pary jest różna w poszczególnych punktach jej powierzchni: większa po stronie wypukłej i mniejsza po stronie wklęsłej. Z tego względu ciśnienie p różni się po obu stronach łopatki - jest mniejsze po stronie wypukłej, większe po stronie wklęsłej.

• Zsumowanie parcia ciśnienia po powierzchniach obu stron łopatki dają wypadkową siłę obwodową R_u, obracającą wirnik.

5. Turbiny osiowe

1. Turbiny parowe buduje się przeważnie jako turbiny osiowe

2. W turbinie osiowej łopatki kierownicze są umieszczone na obwodzie nieruchomej tarczy kierowniczej (1) , łopatki robocze są natomiast umocowane na obwodzie obracającej się tarczy wirnikowej (4).

3. Czynnik roboczy, rozprężając się między łopatkami kierownicy nabiera dużej prędkości i trafia na łopatki obracającego się z dużą prędkością wirnika:

4. W zależności od sposobu rozprężania się pary między łopatkami kierownicy oraz między łopatkami wirnika wyróżnia się dwa sposoby pracy stopnia turbinowego:

   • akcyjny, w którym rozprężanie pary następuje tylko w nieruchomych kierownicach, w wieńcu wirnikowym nie zachodzi natomiast żadna ekspansja

   • reakcyjny, w którym rozprężanie pary w nieruchomych kierownicach następuje tylko częściowo: para, przepływając przez wieniec wirnikowy, nadal ekspanduje.

Turbiny dużej mocy buduje się jako turbiny wielostopniowe, w celu uniknięcia wad turbin jednostopniowych.

5. Turbiny promieniowe

   1. Para w stopniach turbinowych turbin promieniowych płynie prostopadle do osi, a nie w kierunku osi wirnika.

   2. Wyróżnia się turbiny promieniowe o przepływie:

      • odśrodkowym - para płynie w kierunku promienia od osi na zewnętrz

      • dośrodkowym - para płynie w kierunku odwrotnym

   3. Łopatki wirnika są umieszczone równolegle do osi, a nie promieniowo jak w turbinach osiowych.

   4. Kierownice rozmieszczone są w postaci pierścienia - kierują przepływ pary w kierunku promieniowym.

5. Turbiny promieniowe budowane są jako turbiny o nieruchomych kierownicach oraz jako turbiny przeciwbieżne (zwane turbinami Ljungströma).

6. ZALETY turbin promieniowych:

   • duża sprawność

   • zwartość budowy

   • w wykonaniu przeciwbieżnym: brak tłoków odciążających

7. Ze względu na ograniczenia wytrzymałościowe: ograniczona długość łopatek wirnika oraz prędkość obrotowa, co powoduje, że moc turbin promieniowych nie przekracza 100 MW.

5. Sprawność stopnia turbiny parowej

• W celu przeprowadzenie analizy pracy w turbinie należy wyznaczyć miejsca, w których dokonamy pomiaru parametrów czynnika tzw. przekroje kontrolne. Nie dokonuje się pomiaru w punkcie tylko w przekroju, posługujemy się tylko i wyłącznie parametrami uśrednionymi, w maszynach przepływowych mówi się o parametrach na średnicy podziałowej.

• Przekroje kontrolne: na wejściu do kierownicy (parametry pary z kotła) [0], za kierownicą/przed wirnikiem [1], za wirnikiem [2]. Przekroje te występują w każdym stopniu maszyny.

WYKRES I-S TURBINY AKCYJNEJ

Wskaźnik reakcyjności ρ : parametr pozwalający określić z jaką turbiną mamy do czynienia (akcyjna lub reakcyjna). Określa jaki udział w rozprężaniu pary w stopce ma wirnik, jest to udział rozprężania w wirniku w odniesieniu do do rozprężania w stopniu dla przemiany teoretycznej:

H^w - izentropowy spadek entalpii w wirniku

H^k- izentropowy spadek entalpii w kierownicy

H_s - izentropowy spadek entalpii w stopniu

$$\rho = \ \frac{H^{w}}{H_{s}}$$

dla turbiny reakcyjnej:

H^k = H_s − H^w = (1 − ρ)H_s

H_s = (i₀−i_2s) ≈ (i₀−i_1s) + (i₁ − i_2s)

Sprawność obwodowa stopnia:

$$\eta_{u} = \frac{h_{u}}{\overset{\overline{}}{H_{s}}}$$

WYKRES I-S TURBINY REAKCYJNEJ

Praca obwodowa h_u ( praca właściwa, techniczna): uwzględnia 3 grupy strat:

• 2 straty łopatkowe (kierownicze Δh_d i wirnikowe Δh_l)

• straty wylotowe $h_{\text{wyl}} = \frac{c_{2}^{2}}{2}$

h_u = H_s − (Δh_d+Δh_l+h_wyl)

Sprawność obwodowa stopnia:

$$\eta_{u} = \frac{h_{u}}{\overset{\overline{}}{H_{s}}} = \frac{h_{u}}{i_{0} - i_{2s} + \frac{c_{0}^{2}}{2}} = \frac{i_{0} - (i_{2} + h_{\text{wyl}})}{\overset{\overline{}}{H_{s}}} = \frac{i_{0} - i_{2s} - ({\Delta h}_{d} + {\Delta h}_{l} + h_{\text{wyl}})}{\overset{\overline{}}{H_{s}}}$$

Praca wewnętrzna turbiny:

$$h_{i} = \overset{\overline{}}{H_{s}} - \left( {\Delta h}_{d} + {\Delta h}_{l} + h_{\text{wyl}} + \Sigma_{w} \right)$$

Sprawność wewnętrzna turbiny:

$$\eta_{i} = \frac{h_{i}}{\overset{\overline{}}{H_{s}}}$$

Sprawność łopatkowa (obwodowa ) stopnia z wykorzystaniem części energii straty wylotowej (większa niż obwodowa bez wykorzystania tej energii)

$$\eta = \frac{h_{u}}{\overset{\overline{}}{H_{s}} - {\mu \bullet \Delta h}_{\text{wyl}}}$$

• Sprawność ogólna turbiny parowej mieści się w następujących granicach: η_o = 0,16 - 0,4

• Na ogólną sprawność turbiny parowej składają się:

  • sprawność wewnętrzna 0,7- 0,92

  • sprawność teoretyczna 0,15 - 0,5

  • sprawność mechaniczna 0,88 - 0,99

TURBINY GAZOWE

• Turbina gazowa (nie zawsze poprawnie zwana spalinową) - maszyna wirnikowa, o takiej samej zasadzie działania, jak turbina parowa.

• Czynnikiem roboczym w turbinie gazowej są gorące gazy, w praktyce spaliny, dlatego potocznie taką turbinę nazywa się spalinową

• Podobnie jak w turbinie parowej, stopnie turbinowe mogą mieć, ze względu na rozprężanie czynnika roboczego, charakter akcyjny lub reakcyjny.

• Termin turbina gazowa stosuje się także do całego układu turbinowego, w którego skład wchodzą:

  • sprężarka wirowa

  • jedna lub więcej komór spalania

  • turbina gazowa

  • jeden lub więcej wymienników ciepła

1. Zasada działania turbinowego sinika spalinowego :

1. powietrze pobierane z otoczenia jest tłoczone przez sprężarkę wirową do komory spalania, gdzie bierze udział w spalaniu i chłodzi ściany komory spalania

2. wytworzone w komorze spalania(2) spaliny, zwykle rozcieńczone powietrzem, kierowane są bezpośrednio lub przez wymiennik ciepła do turbiny gazowej(4)

3. sprężarka(1) znajduje się najczęściej na wspólnej osi z turbiną, która ją napędza.

(3) - rozpylacz

• Znaczną część wytwarzanej przez turbinę gazową mocy, zużywa sprężarka powietrza: ze względu na duże zapotrzebowanie powietrza oraz wysoki wymagany stopień sprężania

• Strumień przetłaczanego przez sprężarkę powietrza znacznie przekracza zapotrzebowanie powietrza do spalania paliwa - duży nadmiar jest potrzebny do chłodzenia płomienicy komory spalania oraz obniżenia temperatury wlotowej spalin do poziomu bezpiecznego dla 1 stopnia turbinowego. Strumień ten jest nazywany rozcieńczającym.

2. BUDOWA TURBINY GAZOWEJ:

   1. wirnik: jest najczęściej monolityczną, jedno-wałową konstrukcją, z zasady wspólną dla części turbinowej i sprężarkowej

   2. część turbinowa składa się z paru (3-4) stopni turbinowych, z których pierwszy, a nawet dwa pierwsze są chłodzone.

   3. stopnie turbinowe: łopatki turbin gazowych wykonuje się ze stopów które umożliwiają pracę turbiny z temp. wlotową spalin do 900^oC.

   4. technika chłodzenia łopatek turbin: postęp w rozwoju tej techniki umożliwił zwiększenie temp. wlotowej spalin o około 300^oC. Łopatki turbiny są chłodzone podczas przepływu czynnika chłodzącego kanalikami wewnątrz łopatek.

   5. sprężarki powietrza - w celu uzyskania dużego stopnia sprężania stosowane w turbinach sprężarki buduje się jako wielostopniowe sprężarki osiowe, zwane wirowymi. Są one zwykle sprzężone z turbiną gazową na wspólnym wale. Wzrost temperatury sprężanego powietrza powoduje zmniejszenie sprawności turbiny gazowej na skutek zmniejszenia gęstości powietrza. Przeciwdziała się temu stosując chłodzenie międzystopniowe.

   6. komory spalania - w komorze spalania wymieszanie paliwa z powietrzem głównym, spalenie i częściowe schłodzenie spalin przez wymieszanie z powietrzem rozcieńczającym.

3. Układy turbiny gazowej (można je dzielić wg wielu kryteriów):

   1. obiegu cieplnego:

      • układy proste

      • układy złożone

   2. obiegu czynnika roboczego:

      • układ otwarty

      • układ zamknięty

   3. struktury:

      • jednowałowe

      • dwuwałowe

      • wielowałowe

   4. zastosowania:

      • lotnicze

      • energetyczne

      • przemysłowe

      • trakcyjne itd.

Największe zastosowanie znalazły dotychczas: turbiny gazowe w prostym układzie ( prosta konstrukcja, niezawodność pracy).

4. Turbiny gazowe mogą być zasilane paliwami:

   • ciekłymi: benzyna, nafta, olej napędowy, oleje opałowe, a nawet mazut

   • gazowymi: gaz ziemny, miejski i hutniczy, amoniak i wodór

Najczęściej do zasilania energetycznych turbin gazowych stosuje się gaz ziemny

4. Sprawność turbiny gazowej można zwiększyć stosując układy złożone, w których wykorzystuje się:

• regenerację ciepła, Rysunek a) układ otwarty

• chłodzenie międzystopniowe, Rysunek b)układ otwarty

• spalanie dwustadiowe.

1 - sprężarka, 2 - generator elektryczny, 3-turbina, 4-komora spalania, 5- podgrzewacz powietrza, 6-chłodnica

Sprawność turbiny gazowej zależy przede wszystkim od temperatury czynnika roboczego na wlocie turbiny. Jest ograniczona żarotrwałością łopatek wirnikowych i kierowniczych pierwszego stopnia turbinowego.

4. Układy turbin gazowych dzielą się na otwarte i zamknięte.
   W układach zamkniętych czynnik krąży w obiegu zamkniętym. Rolę komory spalania spełnia nagrzewnica, w której czynnik roboczy uzyskuje odpowiednią temperaturę wlotową. Po wylocie z turbiny gazowej temperatura czynnika roboczego przed sprężarką zostaje obniżona w chłodnicy. Zaletą układu zamkniętego jest możliwość użycia do nagrzewania czynnika roboczego dowolnych paliw.

Rys.obok: układ zamknięty

1. sprężarka, 2. generator elektryczny, 3.turbina gazowa, 4.nagrzewnica, 5.chłodnica

4. Turbiny pracują zwykle w układzie jednowałowym - sprężarka, turbina i generator są sprzężone mechanicznie na jednym wale. Obroty wirnika wynoszą odpowiednio 3000 lub 3600 obr/min.

W układzie dwuwałowym turbina gazowa dzieli się na część wysoko- i nisko-prężną. Części trubiny nie są sprzężone mechanicznie i mają różne obroty.

Rys. obok. turbina dwuwałowa:

1. sprężarka, 2. generator, 3. część WP, 4. część NP, 5.komora spalania

4. Turbiny gazowe w energetyce i ciepłownictwie:

   • Zalety turbin gazowych: prostota, lekkość konstrukcji, elastyczność ruchu, niezależność od źródeł wody , możliwość automatyzacji - dzięki tym zaletom zastosowanie turbin gazowych jest korzystne w elektrowniach małej mocy, elektrowniach szczytowych.

   • Turbiny gazowe emitują znikomą ilość zanieczyszczeń gazowych, praktyczni brak emisji zanieczyszczeń pyłowych. Brak odpadów paleniskowych - turbiny gazowe znajdują zastosowanie w ciepłownictwie.

W energetyce zawodowej : największe znaczenie mają układy gazowo-parowe, które umożliwiają uzyskiwanie mocy bloków energetycznych setek megawatów, z nieosiągalną dla siłowni parowych opalanych węglem, sprawnością 0,6