Бу турбиналары

Бу немесе газ турбинасы будың немесе газдың потенциалды энергиясы кинетикалық, ал кинетикалық энергиясы иіннің бұрылуның механикалық энергиясына айналатын қозғалтқыш болып табылады.

10.1 Бу турбиналарының классификациясы

Бу турбиналарын келесі белгілері бойынша топтастыруға болады:

1) Сатылар санына қарай:

а) бір сатылы;

б) көп сатылы.

2) Бу ағының қозғалысына қарай:

а) осьтік;

б) радиалдық.

3) Қорап санына қарай:

а) бір қорапты;

б) екі қорапты;

в) көп қорапты.

4) Будың үлестіру принципі бойынша:

а) дроссельді (таза бу параллельді түрде бір немесе бірнеше реттеуші қақпақша арқылы түрбинаның шүмегіне (сопло) үдейді);

б) буы тізбектеліп ашылатын шүмек қатары арқылы үдейтін шүмекті бу үлестіруі;

в) таза будың бірінші сатылы шүмекке әкелуінен басқа келесі сатыларға суландыруға әкелінетін сулы бу үлестіру.

5) Будың қозғалу принципі бойынша:

а) активті;

б) реактивті.

6) Жылулық процестің сипаты бойынша:

а) регенерациялы конденсациялық турбиналар. Бұл турбиналарда басты бу ағыны конденсаторға бағытталады және бу ондірісіндегі қолданылатын жасырын бу түзілу жылулығы жоғалатындықтан, осы жоғалтуды турбинаның аралық сатысынан төмендету үшін жартылай реттелмеген регенеративті бу сұрыптау жүзеге асады;

б) өндірістік немесе жылыту қажеттіліктері үшін аралық сатыдағы бір немесе екі реттеуші бу іріктеуі бар конденсациялық турбиналар;

в) Қарсықысымды турбиналар. Атқарылған будың барлық мөлшерінің жылулығы өндірістік немесе жылыту мақсатына жұмсалады. Бұндай турбиналардың конденсаторы болмайды, және ақырғысатыдан шыға берістегі қысым конденсациялық турбинаның соңғы қысымынан жоғары болады;

7) Таза будың параметрлері бойынша:

а) орташы қысымды (р ₀ = 34,3 бар);

б) жоғарылатынған қысым (р ₀ = 88 бар, t ₀ = 535 ⁰C);

в) жоғары қысым (р ₀ =127,5 бар, t ₀ = 565 ⁰C);

г) аса қауіпті параметрлері (р ₀ =127,5 бар, t ₀ = 565 ⁰C).

10.2 Бу турбиналарының белгіленді

1) Әріпті белгілену:

К – конденсациялық;

Т – сұрыпталған буы теплофикациялық реттелетін конденсациялық;

ПТ – сұрыпталған буы өндірістік және теплофикациялық реттелетін конденсациялық;

Р – сұрыпталған буы реттелмейтін қарсы қысымды турбина;

ПР – қарсы қысымды және сұрыпталған буы өндірістік реттелетін турбина.

2) Сандық белгілену;

Бірінші сан – турбина қуаты, МВт.

Екінші сан – таза будың номиналды қысымы, бар.

Таза будың қысымынан кейін сұрыптаудың реттелген қысымы, қарсы қысым жазылуы мүмкін.

10.3 Лавальдің белсенді түрдегі бір сатылы бу турбинасы

Бір сатылы белсенді турбинасы келесі бөліктерден тұрады: 1 – білік; 2 – диск; 3 – жұмыс дөңгелегі; 4 – шүмектер; 5 – қорабы; 6 – шығару келте құбыры.

10.1 сурет – Бір сатылы белсенді турбинаның сұлбаның қимасы

Білік сапталған диск жіне жұмыс қалақшаларымен бірге турбинаның маңызды бөлігін құрайды – ротор. Ротор турбина қорабында құрылған (5). Біліктің мойындары мойынтірікте жатыр.

Бу бастапқы қысымнан р сонғы қысымға р₂ дейін суны шүмекте немесе шүмектер табында ұлғаяды. Қысымның төмендеуі әнтальпия мен температураның азаюымен бірге жүреді, яғни шүмекте бу ағысының кинетикалық энергиясына айналатын жылылың энергиясы іске асады. Будың шүмектегі ұлғаю процессі кезінде жылдамдығы с ₀–дан с ₁ дейін өседі ал жұмыс қалақшаларының арналарында с ₁–ден с ₂ қалақшаларына әсер етіп, турбина роторы айналу иінінің механикалық жұмысын атқарады. Турбина белсенді типті болғандықтан, барлық ұлғаю процессі тек қозғалыссыз арналарда ғана болады, ал кинетикалық энергия ұлғаласыз жұмыс қалақшаларындағы механикалық жұмысқа айналады.

1 – қорап; 2 – дағыра; 3 – тиекше; 4 – сатылардың бірінің шүмекті қалақшасы; 5 – сатылардың бірінің жұмыс қалақшасы; 6 – таза будың сақиналы беру камерасы; 7 – түсіру поршені; 8 – біріктергіш бу өткізгіш; 9 – шығарылым келте құбыр.

10.2 сурет– Парсонның реактивті типті көпсаталы бу турбинасы

Таза бу турбина қалақшаларына таза буға арналған сақиналы камерадан өтеді. Қоратың қозғалыссыз және қозғалатын бөліктерінде будың өтуғе канал ретінде бағыттаушы және жұмыс қалақшалары бекітілген. Бу қалақшалар арасындағы канал арқылы ағып өтіп, сақиналы камерадан шығаралым келте құбырға келіп түседі, содан кейін конденсаторға. Қозғалыс барысында бу ақырын р ₀ қысымынан р ₂ қысымына дейін кеңейеді. Ал жылу құрамыныңтөмендеуімен қатар жүреді, турбина реактивті болғандықтан, төмендеу қозғалыссыз каналарда және қозғалысты (жұмыс) каналдарында болады.

10.4 Турбиналы сатыдағы будың энергияға айналуы

О ₁, О ₂ – шүмекті және жұмыс тор мойынының шамасы

10.3 сурет –Осьтік сатының қима бөлігі және сатының орташа диаметрі бойынша цилиндрлік қиманың жаймасы

с – абсолютті жылдамдық; u – айналмалы жылдамдық; ω – салыстырмалы жылдамдық

10.4сурет – Турбиналы сатыдағы бу ағыны үшін жылдамдың ұшбырышы

Суретте ротор осі бойында турбиналық сатының осьтік типтегі схематикалық сызбасы мен шүмектңк және жұмыс қалақшалары бойынша диаметрдің цилиндрлік жаймасы.

Шүмектік қалақша каналдарында жқмыс денесі (бу) шүмек қалақшаларының қысымнан р ₀ саңылаудағы шүмек пен жұмыс қалақшаларының арасындағы қысымға дейін р ₁ кеңейеді. Бу шүмек қалақшаларының шыға берісінде кеңею процесі кезінде, α₁ бұрышымен жұмыс қалақшаларының айналмалы жылдамдығының и ₁ векторына бағытталған с ₁ жылдамдығын қабылдайды (абсолютті жылдамдық).

Бұрыштағы ағын бағыты шүмекті қалақшаларының пішіні мен қондырғысына байланысты беріледі. Жұмыс қалақшалары шүмек алдында айналмалы – жылдамдықпен и жылжиды. Бұл жылдамдықтың мәні жұмыс қалақшалары орналасқан диаметрден d және ротордың айналу жиілігіне тәуелді.

Жұмыс денесі жұмыс қалақшаларына кіре берісте салыстырмалы қозғалыста салыстырмалы жылдамдықпен ω₁ығысады. Салыстырмалы жылдамдық ω₁ векторы абсолютті жылдамдық векторлық айналмалы жылдамдық векторының параллелограмм ережесі бойынша геометриялық есептелуыінен табылады.

Абсолютті с ₁, айналмалы и ₁ және салыстырмалы ω₁ жылдамдық векторлары жұмыс қалақшаларына кіре беісте жылдамдық үшбұрышын құрайды. Салыстырмалы ω₁ және айналмалы и ₁ жылдамдықтар арасындағы бұрыш β_1.

Жұмыс қалақшасының кіре берісіндегі жиіліктерінің бағыты даярлану кезінде салыстырмалы жылдамдық бағытымен анықталады, яғни β₁ бұрышымен. Жұмыс қалақшарлырының артында жұмыс денесінің р ₁-ден р ₂ дейінгі кеңеюі және ағынның бұрылуы болады. Ағынның бұрылуы жасалады, және соған байланысты, ротордың келтіру машинасына қарсы тұру жұмысын атқаратын айналдыру моменті. Жұмыс қалақшасының каналындағы ағынның бұрылуы есесіне күштің белсенді бөлігі құрылады, ал жұмыс қалақшасының каналындағы ағынның үдеуі есесіне жұмыс қалақшаларына әсер ететін күштің реактивті бөлігі құрылады. Қалақшаның жұмыс каналынан шыға берістегі жұмыс денесінің салыстырмалы жылдамдығы ω₂ әріпімен белгіленеді және жұмыс торының каналына кіре берістегі салыстырмалы қозғалыстың кинетикалық энергиясымен және жұмыс денесінің р ₁ қысымнан р ₂ қысымға дейінгі кеңею энергиясымен анықталады. 2 индексі (ω₂, с ₂, и ₂) жылдамдықтар жұмыс қалақшаларынан шыға берістегі жылдамдық үшбұрышын құрайды.

10.5 h, s – диаграммада көрсетілген турбиналы сатыдағы будың ұлғаю процесі

10.5 сурет – Турбиналы сатыдағы будың (газдың) ағысының процесі

Шүмекті канал сатысындағы жұмыс денесінің, саты алдындағы күйінен, анықталған 0 нүктесінен 1t нүктесіне дейінгі ұлғаюы шүмектегі теориялық ағу процесіне сәйкес. Шүмектегіреалды процесс энергияның Δ Н _с жоғалуымен қатар жүреді,ол жылдамдық ретінде ағынға қайта оралады жән ешүмектерден кейін энтальпияны жоғарылатады. Шүмек артындағы жұмыс денесінің шынайы күш 1 нүктесімен белгіленеді. Шүмектегі энергия шығынынан шүмектен ағып кеткен шынайы жылдамдығы кем с _1t.

Мұнда φ – шүмектің жылдамдық коэффициенті.

Жұмыс қалақшасындағы жұмыс денесінің теориялық ұлғаю процесі 1 нүктесінен 2t нүктесіне дейінгі сызықпен көрсетілген.

H ₁ – H _2t айырмашылығы H _ор ретінде белгіленеді және жайғастырылған жылу түсу жұмыс күрекшесі деп аталады. H ₁ – H _2t айырмашылығыΔ Н _р жұмыс күрекшесінің энергия жоғалтуын көрсетеді. Шынайы жылдамдық жұмыс күрекшесінен шыққанда, теориялықтан аз болады және келесі түрде анықталады:

Мұндағы ψ –жұмыс күрекшесінің жылдамдық коэффиценті

Егер жұмыс күрекшесінің шығаберсінде кинетикалық энергиясы бар ағын сыйымдылықты арнаға түссе,онда бұл энергия жұмыс денесінің температурасын көтеруге жұмсалады. шамасы жылдамдық сатысының шығаберістегі жоғалту энергиясы деп аталады.

Турбина сатысындағы ағынның бұрышы мен жылдамдығы арасындағы байланыс реактивті сатыға ρ тәуелді.

Реактивті саты дегеніміз жайғастырылған жылу түсу жұмыс күрекшесінің, соплолық және жұмыстық күрекшесінің қосыныдысының қатынасын атайды.

11 Газ құбырлық қондырғылар

11.1 Газ құбырлы қондырғылардың схемасы мен циклі

Газдық турбинада жұмыс денесі ретінде газөнімділік отының жану өнімдері, ауа, температурасы өте қызған ауа немесе басқа ауа қоспалары жатады.

Жұмыс істеу принципі бойынша газ – бу. Жұмыс денесінің кеңею бөлігінде отын газды ағынның кинетикалық энергиясына айналады да, содан кейін механикалық жұмысқа айналады. Бірақ газды қолдану барысында су буымен жақсы құрамды болғандықтан, газды және булы турбиналардың құрылымдық айырмашылықтары бар.

Газ турбинасы қондырғылардың бутурбинасы қондырғылардан айырмашылығы:

1) ықшамды, себебі отын үлкен қазазнда емес, аса үлкен емес камереда жанады, газды турбинаға жақын орналасқан, сонымен қатар ГТҚ-да сұйықталу (конденсация)қондырғылары жоқ;

2) тез іске қосу мен жүктеуді қамтамасыз етеді (30 с – 30 минут);

3) конструкциясы мен қызмет ету жағы оңай;

4) сыйымдылығы көп;

5) арзан бағасы;

6) суыту үшін суды қажет етпейді.

ГТҚ-лар БТҚ-ға жол береді:

1) бірегейлі қуат бойынша;

2) ПӘК өте аз;

3) пайдалануы аса ұзақ мерзімге жорамды болмайды;

4) отынның сорттарына қатал.

ГТҚ шығару бұрыннан пайда болды, бірақ ХІХ ғ-дың соңында сапалы және төмен деңгейлі тазды турбиналы жасап шығару мүмкін болды. Бірінші газды турбинаны жасап шығаруға рөл қосқан өрт инженерлері П.Д. Кузминский және В.К. Караводин, сонымен қатар неміс инженерлері Штальце мен Холщварт болды. Бірақ, газды құбырлармен тәжірибе жүргізсе де, олрады практика жүзінде қолдануға жарамады. Тек қана соңғы 3-4 оңжылдықта ған техникалық өнімнің тезірек өмуыіне байланысты, металлургияның жетістіктерінің, техникалық өнімнің дәрежесінің лезде өсуінің нәтижесінде газ турбинасы іске асты. Олар үнемді, ыңғайлы пайдалану жағына ұзақ мерзімді болып келді.

Жыл сайын газ турбинасының энергетикадағы рөлі өміп кледі. ГТҚ-ның тез іске қосылуына байланысты,оны шыңдарда (пик), жартылай шыңдарда және сақтық қондырғыларында пайдаланады. Сонымен қатар ГТҚ-ды аз қуатты лектр станцияда пайдаланады.

Газ турбинасының дамуы, оның қуаттылығына, үнемділігіне, беріктігіне және пайдалану мерзімінің ұзаққа жарауына бағытталған.

11.2 Қарапайым ГТҚ-ның схемалары мен циклдері

Қарапайым ГТҚөның тұрақты қысымдағы ашық типтегі жану схемасы 11.1 суретінде көрсетілген. Компрессор 1 атмосферадан ауаны жатады да, белгіленген қысымға шейін қысып, жану камерасына түседі 4. Отын (жартылай) сорғышының 3 көменгімен форсунка 5 арқылы отынды бүрікеді (впрыскивается) де, ауа араласып, жанып кетеді. Пайда болған газ түрде жану өнімі газ турбинасына 8 бағытталады. Осыдан ескеретін жағдай, ауа компрессорының 20-40 % ғана активті жану зонасына 6 пайдаланудағы беріледі де, жану процесіне қатысады. Бұл бірінші текті (первичный) ауа деп аталады. Қалған ауаның 60-80 % ағынға, аутивті зонадан кейін қосылады. Бұл ауа бөлігі (екінші текті немесе салқындатқыш ауа) турбина алдындағы газ температурасын белгіленген мөлшерге дейін азайтуға мүмкіндік береді. Мәселен, отынның интенсивті және толық жануын қамтамасыз ету үшін, әдетте активті зондағы жану камерасының температурасы 1800–2300 К аралығын да болады, ол үнемділік жән епайдалануы жағынан ұзақ мерзімділігіне, оытнға байланысты 900-1400 К.

1- компрессор, 2 – генератор, 3 – отын сорғышы, 4 – жану камерасы, 5 – форсунка, 6 – жану зонасы, 7 – іске қосу электрқозғалтқышы, 8 – газ турбинасы.

Сурет 11.1 – Қарапайым ГТҚ-ның тұрақты қысымдағы ашық типтегі жану схемасы.

Турбинамен 8 өркендейтін қуат компрессер 1 және басқа көмекші механизмдерге шығындалады, ал қалған бөлігі (артық) тұтынушыларға беріледі. Мысалы, генераторда 2 электрлік энергияға айналады. ГТҚ-ның іске қосылуы электрқозғалтқыш 7 арқылы, ал отынның тұтануы (зажигание) жану камерасындағы электрлік шамдардың іске қосылуы арқылы жүзеге асады.

11.2 суреттегі Т, s диаграммада тұрақты қысымдағы ГТҚ-ның термодинамикалық шынайы циклі көрсетілген. Термодинамикалық циклдың маңызды шектемелері:

1) цикл тұйықталған, ол идеал газдың тұрақты мөлшерімен жүзеге асады. Өзгермейтін химиялық құралы және тұрақты сйымдылығы бар;

2) циклдағы процесстер қайтарымды, себебі олар жылусыз және гидравликалық шығынсыз ағып өтеді;

3) компрессеордағы қысу және турбинадағы кеңеюі – адиабата процестері. Бірақ, бұл кезде шығын болмайды. Сондықтан бұл процестер тұрақты энтропия кезінде жүзеге асады. Сұндағы 3-4 сызығы компроссордағы ауаны изоэнтропты сығыумен сипаттайды.

Шынайы циклдағы сығу компроессордың ңшкі шығынымен айқындалады. Бұл процесс энтропияның өсуіне әкеледі. (3-4 сызығы)

Жану камерасындағы отынның изобара сызығы 4-1, температура Т ₄-тен T ₁ –ге дейін өседі. 1-2' сызығы турбинадағы жұмыс денесінінің изоэнтропты кеңеюін көрсетеді. Шынайы циклдағы кеңею турбинаныңішкі шығынын болады. 1-2 сызығында көрсетілген. Қысым р ₂ – ге, температура Т ₂ –ге дейін төмендейді.

Термодинамикалық циклде жылу шығыны изобарамен 2-3 көрсетілген. Нәтижесінде, бұл процестегі жұмыс денесінің температурасы бастапқы мәніне Т ₃ дейін азаяды. Шынайы циклдегі 2-3 сызығы шартты тұйықталу (замыкающий) процесін көрсетеді. Ол турбинадағы атмосфераның шығуы кезінде газдың суымен сәйкес келеді.

Термодинамикалық циклдың термиялық ПӘК-і

(11.1)

Мұндағы q ₁ және q ₂ – циклдағы жылудың берілуі мен алынуы, кДж/кг;

l ₀ – циклдің меншікті пайдалы жұмысы, кДж/кг. Ол турбина мен компрессордың изоэнтропты жұмысының айырмасына тең:

l ₀= l _от – l _ок (11.2)

Компрессордағы 1 кг газыдң изотропты сығу жұмысы l _ок энтальпияның соңғы және бастапқы айырмасымен анықталады:

(11.3)

мұндағы h ₃ и h ₄ – газдың бастапқы және соңғы сығылу энтальпиясы, кДж/кг;

Т₃ және Т₄^’ – циклдағы 3 және 4' нүктесіне сәйкес газдың абсолютті температ

с _р – тұрақты қысымдағы газдың меншікті жылусыйымдылығы, кДж/(кг•К).

Турбинадағы 1 кг газдың изоэнтропты кеңеюі энтропияның соңғы және бастапқы кеңеюімен анықталады:

(11.4)

Мұндағы, h ₁ және h ₂ ' – газыдң бастапқы және соңғы кеңею энтальпиясы, кДж/кг;

T ₁ және T ₂ ' – циклдағы 1 және 2' нүктесіне газдың абсолютті температурасы, К.

Циклдағы келтірілген жылу q ₁ Т, s диаграммада c-4'-l-d ауданымен бейнеленген:

Q ₁ = c _p (T₁ - T₄') (11.5)

Егер l ₀ және q ₁ орындарына қойсақ, мынадай теңдік шығады

(11.6)

Изотропты процесстер үшін:

(11.7)

(11.8)

Мұндағы р ₁ / р ₂ = р ₄ / р ₃ = β — компрессордағы қымымның өсу дәрежесі;

T ₁ /T ₃ = τ — циклдағы температураның осу дәрежесі;

k=c _p /c _υ (c _υ – тұрақты көлемдегі газдың меншікті жылусыйымдылығы).

(11.7) және (11.8) формуларын (11.6) қойып, (k —l)/ k=m, деп белгілеп, ТТҚ-нығ термиялық циклның ПӘК-нің формуласы пайда болады:

(11.9)

Компрессордағы ауаның сығылуы мен турбинадағы газдың кеңею жұмыстарын шынайы циклде термодинамикалық циклдегі сияқты энтальпия айырмалары арқылы табамыз:

l _к =с _р (T ₄— T ₃) (11.10)

l _т= с _p,(T ₁— T ₂,) (11.11)

Компрессордағы ауаны сығу кезіндеі ауытқуларыдан пайда ішкі шығында оның ішкі ПӘК- мен анықталады:

(11.12)

Мұндағы l _ok — термодинамикалық циклдегі 1 кг ауаны сығу кезіндегі изоэнтропты жұмыс, кДж/кг;

l _к – шынайы циклдағы 1кг ауаны сығу жұмысы, кДж/кг.

Турбинаның ішкі шығыны,оның салыстырмалы ішкі ПӘК-мен анықталады:

(11.13)

Мұндағы l _т — шынайы циклдегі турбинадағы 1 кг газдың кеңею жұмыс, кДж/кг.

l _от— изоэнтропты кеңею жұмысы, кДж/ кг;

(12.12) және (12.13) формулаларын қойып, компрессордағы шынайы жұмыстың сығу формуласын аламыз:

(11.14)

Турбинаның кеңею:

(11.15)

Мұндағы μ – отын мөлшері, жану камерасына берілетін 1 кг ауа, кг/кг.

μ = 0,01— 0,018 кг/кг7

(11.14) және (11.15) формулаларын қолдана отырып, ТТҚ-ның ушкі пайдалы жұмысын анықтаймыз:

l _i= l _т- l _k= l _отη_oi – l _ok(1/η_k)= c _p(T ₁ – T' ₂) η_oi – c_p(T' ₄ – T₃)(1/ η_k)=c_p T ₁(1- T' ₂/ T ₁) (11.16)

η_oi = c _p T ₃(T' ₄/ T ₂-1)(1/η_k) (11.17)

(11.16) және (11.7) формулалары арқылы келесі формуланы табамыз:

Мұнда τ =T ₁ /T ₃ — циклдағы температураның өсу дәрежесі.

Қолданылған әдебиет тізімі

1 Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергия, 1977.-424 с.

2 Поляков В.Л., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. - М.: Стройиздат, 1990. - 336 с.

3 Рихтер Л.Д., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М, Вспомогательное оборудование тепловых электростанций.-М.: Энергоатомиздат, 1987.-216 с.

4 Малюшееко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы: Справочное пособие. -М.: Энергоизднт, 1981. - 200 с.

5 Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Насосное оборудование тепловых электростанций. -М.: Энергия, 1975.-280 с.

6 Аэродинамический расчёт котельных установок (нормативный метод).-Л.: Энергия, 1977.-256 с.

7 Ядерные энергетические установки. Под общ. ред. Н. А. Доллежаля. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 629 с.

8 Марцинковекий В.А., Борона П.Н. Насосы атомных электростанций, -М.: Энергоатомиздат, 1987.-256 с.

9 Митенков Ф-М., Новинский Э.Г., Будов В.М. Главные циркуляционные насосы АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 320 с.

Дата добавления: 2014-01-05