Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 146. Процессы в паровых машинах и паровых турбинах
Поршневые паровые машины являются, как известно, старейшими тепловыми двигателями, вошедшими в широкое употребление на фаб риках в конце XVIII в., а на железных дорогах и во флоте — в пер вые десятилетия XIX в.; первая годная для эксплоатации паровая турбина была сконструирована французским инженером Лавалем в 1885 г. Несмотря на низкий (в сравнении с двигателями внутрен него сгорания) к. п. д., паросиловые установки попрежнему занимают видное место в промышленности и на транспорте, так как они позво ляют использовать теплоту сгорания дешёвых видов топлива: камен ного угля, торфа, мазута, древесины.
Резервы и выработка этих видов топлива огромны. В СССР годо вая добыча угля превышает 300 млн. т. Одни запасы торфа в СССР по теплотворной способности равносильны 150 млрд. т. нефти (тогда как все мировые запасы нефти не превосходят 10 млрд. т). Этим и определяется практическое значение паросиловых установок. Мно жество больших электростанций и крупные военно-морские суда оснащены паровыми турбинами мощностью в десятки (и более ста) тысяч л. с.; на железных дорогах, на небольших электростанциях, в промышленных предприятиях и на небольших судах применяются поршневые паровые машины самой разнообразной мощности (преиму щественно порядка сотен и тысяч л. с.).
К. п. д. поршневых паровых машин часто составляет всего 10—12%. Низкий к. п. д. паровых машин объясняется не какими-либо их конструктивными недостатками, но, во-первых, малой разностью температур, между которыми заключён цикл па ровой машины, и, во-вторых, неизбежными потерями тепла в топке.
Максимальный коэффициент полезного действия, который может иметь какая-либо тепловая машина, не может превысить того к. п. д., который при заданных пределах температур присущ циклу Карно:
Для паровой машины Т есть температура пара в котле. При да влении в котле p=12 am Т =460°. Т0— температура конденсации отработавшего пара; в случае выпуска отработавшего пара в атмосферу Г0373°; при выпуске отработавшего пара в конденсатор,
в котором поддерживается давление в 1/10 am, T0=318°. Для ука занных условий (при давлении в котле в 12 am и при выпуске пара в конденсатор) •100=31%. Это означает, что не более 31% тепла, сообщённого воде, может быть превращено в работу. Но примерно только 70% теплоты сгорания топлива идёт на на гревание воды, остальное количество уносится дымовыми газами; до 10% составляют потери на трение, следовательно, эффектив ный к. п. д. паровой машины в указанных условиях не может превы шать 20%1). Если давление пара в котле равно 9 am, то к. п. д. паровой машины будет не бо лее 16%.
Рис. 369. Цикл Ренкина.
Обычно стремятся прибли зить цикл паровой машины к так называемому циклу Ренкина, изображённому на рис. 369. На рис. 369 точка 1 отве чает термодинамическому со стоянию воды, поступающей в паровой котёл. Линия 1—2
_ изображает процесс нагревания.
воды в котле до температуры ки пения T при давлении р (точка 2). Изотерма-изобара 2—3 изображает процесс парообразования; образующийся пар наполняет рабочий цилиндр, перемещая поршень. Производимая при этом поршнем работа изображается площадью, заключённой между изохорами, проходящими через точки 2 и 3, и ограниченной сверху линией 2—3. Эту работу назы вают работой наполнения. Когда часть цилиндра окажется наполнен ной паром, прекращают доступ пара в цилиндр. Это называют отсечкой пара (точка 3). Последующее расширение пара происходит примерно адиабатно, пока давление пара не упадёт до того давления р0, которое поддерживается в конденсаторе. Точка 4 изображает термодинамическое состояние пара в конденсаторе (давление р0 и температура Т0).
Первой мерой к повышению к. п. д. паровых машин является расширение температурных пределов цикла. С этой целью стремятся повысить температуру кипения воды в котле. Обычно поддер живают давление в котле в 10—16 ат что соответствует температуре кипения в 180—200°С. Всё шире входят в употребление паровые котлы высокого давления в 60—120 am, что соответствует температуре кипения в 275—322°С. Для понижения температуры конденсации отра ботавшего пара его выпускают не в атмосферу, а в конденсатор, где поддерживается давление примерно в 0,1 am и где поэтому пар сгущается в воду при 45°С, а не при 100°С, как это имело бы место при выпуске отработавшего пара в атмосферу.
Второй по своему значению мерой к повышению к. п. д. паро вых машин является борьба с преждевременной конденсацией пара в цилиндре. К концу цикла при выпуске пара в конденсатор стенки цилиндра и поршень охлаждаются, поэтому при впуске в цилиндр новой порции пара из котла часть пара сгущается в воду и в виде капель оседает на стенках цилиндра и на внутренней поверхности поршня. После отсечки пара во время последующего расширения благодаря связанному с расширением падению температуры ещё неко торая часть пара сгущается в воду. Так как работа производится паровой машиной вследствие давления пара на поршень, а сконденси ровавшийся пар уже не оказывает этого давления, то понятно, что вся преждевременно сконденсировавшаяся часть пара представляет собой совершенно такую же непроизводительную трату пара, как и прямая утечка пара, происходящая из-за недостаточно плотного при легания поршня к стенкам цилиндра.
Наиболее действительной мерой против преждевременной конден сации пара является перегрев пара. На пути из котла в цилиндр пар заставляют проходить через обогреваемые топочными газами трубы пароперегревателя (рис. 370). Пар из насыщенного превращается в перегретый; обычно создают перегрев на 150—200°, так что при впуске пара в цилиндр хотя и происходит некоторое падение темпе ратуры пара, но пар всё ещё остаётся перегретым, и стенки цилиндра даже во время расширения почти не увлажняются.
В машинах, работающих насыщенным паром, для уменьшения преждевременной конденсации внешние стенки цилиндра обогревают горячим паром посредством устройства, которое носит название паро вой рубашки.
Чем шире температурные пределы цикла, тем более резкое охлаж дение испытывает каждая новая порция пара, впускаемого в цилиндр из котла. Поэтому применение высокого давления (высокого нагрева пара в котле), с одной стороны, повышает к. п. д. цикла, но, с дру гой стороны, увеличивает потери, связанные с преждевременной кон денсацией пара. Это побуждает строить машины с несколькими (чаще — двумя) рабочими цилиндрами, через которые последовательно проходит пар, испытывая в каждом цилиндре расширение при посте пенно падающей температуре. Этим достигается в каждом цилиндре меньшая разность температуры между свежим паром, поступающим в цилиндр, и отработавшим. Поэтому стенки каждого цилиндра, имея после выхлопа отработавшего пара температуру не слишком низкую в сравнении с температурой свежего пара, не так сильно охлаждают свежий пар.
Рис. 370. Схема паровой установки.
На рис. 370 представлена схема паросиловой установки, понятная по сделанным на схеме надписям. На этой схеме показан обычный водотрубный котёл с двумя барабанами.
Большое преимущество имеют прямоточные котлы системы Л. К.Рамэина. Схема такого котла представлена на рис. 371.
Рис. 371. Прямоточный котёл.
В котле Рамзина нет громоздких барабанов, которые обычно служат для обеспечения естественной циркуляции воды и собирания пара. В обычных котлах вода и пароводяная смесь поднимаются по одной системе трубок, а по другим трубкам вода опускается. Вода совершает многократную цир куляцию по этим трубкам, раньше чем она успевает превратиться в пар. Вместо обычной естественной циркуляции воды в котле Рамзина введена принудительная циркуляция воды. Вода подаётся насосом под значительным давлением в длинный змеевик. В первой части змеевика вода нагревается отходящи ми газами до температуры кипения; во второй части змеевика, охваченной пламе нем, вода кипит, превра щаясь в пар высокого давле ния (более 120 am); в третьей части змеевика происходит перегрев пара.
В паровых турбинах в механическую работу пре образовывается кинетическая энергия пара. Из котла пар под большим давлением по ступает в направляющие аппараты (сопла) турбины (рис. 372) и в них за счёт падения давле ния приобретает при выходе большую скорость, примерно 1000 м/сек.
Рис. 372. Сопла турбины.
Чтобы в сопле происходило возможно более полное превращение внутренней энергии пара в кинетическую энергию, соплу придают форму рас ширяющегося к выходу канала (§ 143). Покинув направляющие аппараты, пар поступает на лопатки турбинного ко леса, производит на них давление и приводит рабочее колесо турбины во вращение.
Различают два принципа действия пара на лопатки турбин: активное и реактивное. Для пояснения этих прин ципов приведены схемы на рис. 373 и 374.
Рис. 373. Активное дей ствие пара на лопатку турбины.
Рис. 374. Реактивное дей ствие пара на лопатку турбины.
На рис. 373 изображена схема активного действия пара на лопатки турбины. Лопатки турбины закреплены на рабочем диске, насаженном на вал турбины. Рабочий диск вра щается в плоскости, перпендикулярной к чертежу; и означает окруж ную скорость диска. Пар из котла поступает при давлении р1 к соплу и в нём, приобретая ускорение, испытывает падение статического давления до значения p2. По выходе из сопла пар со скоростью с1 поступает на лопатку; w1 означает ту относительную скорость, с ко торой пар протекает вдоль лопатки. Изогнутая лопатка отклоняет струю пара; благодаря этому пар давит на лопатку турбины с силой, которая представляет собой развиваемую им центробежную силу.
Вследствие трения пара о поверхность лопатки относительная ско рость пара несколько снижается. Относительная скорость отработав шего пара w2, сложенная с окружной скоростью и, даёт абсолютную скорость выхода пара с2. Если не учитывать потери на трение пара, то работа, воспринятая лопатками от каждого килограмма пара, протекающего через рабочее колесо турбины, измеряется убылью кинетической энергии пара:
кГм, где с выражено в м/сек, a g— в м/сек2.
В разбираемом случае характерны следующие явления:
1) Преобразование внутренней энергии пара в кинетическую проис ходит исключительно в направляющих, неподвижных аппаратах (в соп лах).
2) Давление пара при выходе из сопла (при выходе на лопатки) понижено до величины противодавления среды, так что при течении пара вдоль лопатки давление остаётся неизменным.
3) Поскольку на лопатках давление пара остаётся неизменным, входные и выходные сечения каналов, образуемых соседними на диске лопатками, устраивают одинаковыми.
Турбины, в которых применён активный принцип действия пара, часто называют турбинами равного давления.
На рис. 374 изображена схема реактивного действия пара на лопатку турбины. В этом случае пар, проходя через сопло, испытывает не полное расширение, а лишь частичное. Покидая сопло, он имеет давление р'1 большее, чем противодавление среды p2. Поэтому абсолютная скорость с1 входа пара на лопатку в этом случае соответствует не полному перепаду давлений, а лишь разности их p1-р'1. Лопатки изогнуты и расположены на ободе так, что межлопаточные простран ства представляют собой каналы с возрастающим сечением. Пар, протекая меж лопатками, продолжает расширяться, и по выходе из лопаток давление его падает до противодавления среды р2. Следова тельно, в этом случае преобразование внутренней энергии пара в кине тическую происходит в соплах лишь частично и заканчивается уже на турбинном колесе в расширяющихся каналах межлопаточных про странств.
Относительная скорость течения пара вдоль лопатки получается так же, как и в случае схемы рис. 373, разложением абсолютной ско рости по направлению окружной скорости и по направлению касатель ной к поверхности лопатки. Вследствие расширения пара в межлопа точных каналах относительная скорость возрастает от w1 до w2. Пар получает ускорение и поэтому оказывает на лопатку турбины, кроме давления отклонения струи, ещё давление реакции струи.
Реактивные турбины часто называют турбинами избыточного да вления.
Для обеспечения наибольшего к. п. д. надо, чтобы окружная скорость и лопаток турбины составляла в случае активной турбины примерно половину скорости выхода пара из сопла, а в случае реак тивной турбины окружная скорость должна быть почти равна скорости выхода пара. Более точно: для активной турбины надо, чтобы
u =1/2c1cos, a для реактивной и= c1cos; угол входа а выби рается возможно более малым, и поэтому значения cos ос не сильно разнятся от единицы.
Даже при использовании средних перепадов давлений абсолютные скорости истечения пара из сопла получаются порядка 1200 м/сек (это много более, чем скорость пули).
Окружная скорость диска активной турбины должна, следовательно, составлять примерно 600 м/сек. Такой окружной скорости при диа метре рабочего колеса в 1 м соответствуют 11,5 тыс. оборотов вала в 1 мин.
В целях понижения числа оборотов турбины без ущерба для к. п. д. расчленяют работу пара на несколько ступеней.
В однодисковой турбине весь процесс преобразования внутренней энергии в кинетическую осуществляется при помощи одного ряда направляющих аппаратов, расположенных перед рабочим диском. Вве дением ступеней давления разбивают превращение внутренней энергии в кинетическую на несколько этапов. Достигается это тем, что за пер вым рядом направляющих аппаратов и первым рабочим диском уста навливают второй ряд аппаратов и второй рабочий диск и т. д. (рис. 375).
Рис. 375. Схема многоступенчатой тур бины.
В такой многоступенчатой турбине в каждом её рабочем колесе используется лишь часть всего располагаемого перепада давлений, следующая часть его используется во второй ступени и т. д. Ступени давления, введённые Парсонсом, допускают работу пара на лопатках и по активному и по реактивному принципам.
В активных турбинах применяют ещё другой способ понижения числа оборотов турбины, введённый Кертиссом, — ступени ско рости. При применении ступеней скорости отдача кинетической энер гии производится паром не в одном рабочем диске, а в нескольких. Пар по выходе из лопаток первого диска поступает на неподвижные промежуточные направляющие лопатки. Назначение последних — изме нить направление движения пара для возможности его входа на лопатки второго вращающегося диска с целью дальнейшей отдачи там части кинетической энергии. За вторым рабочим диском сле дуют опять направляющие ло патки и т. д.
Высокое начальное давление пара и относительно высокий вакуум в конденсаторе обеспе чивают паровым турбинам сравнительно высокий к. п. д., достигающий (по отношению к энергии топлива, расходуемого в котле) 25—28%. Удельный расход пара, составляющий в поршневых машинах 8 и более кг пара в час на 1 л. с., в паровых турбинах равен 4—41/2 кг/л. с. в час.
Мощные паровые турбины строят с большим числом ступеней (16—40); общее число лопаток в колёсах турбины исчисляется не сколькими тысячами; вес турбины составляет 2—4 кг на 1 л. с. мощности. Роторы турбин на 100 тыс. квт, делающие 3000 об/мин, весят около 30 т.
1) На первый взгляд может показаться, что перегрев пара должен уве личивать к. п. д. паровой машины не только потому, что этим путём устра няются потери, связанные с преждевременной конденсацией пара, но также и потому, что перегрев значительно расширяет температурные пределы цикла. Оказывается, однако (термодинамика позволяет предвидеть это), что форма цикла изменяется при этом в невыгодную сторону, и поэтому расширение температурных пределов цикла путём перегрева почти не было бы эффектив ным (в смысле повышения к. п. д.), если бы не сказывалась другая, более важная роль перегрева, заключающаяся в устранении преждевременной кон денсации.