Garo turbina yra viena iš šiluminių variklių mašinų, kuriose garo šiluminė energija paverčiama mechaniniu darbu. Turbina - tai variklis, kuriame potencinė garo arba dujų energija paverčiama kinetine garo (dujų) srauto energija, o kinetinė garo (dujų) srauto energija paverčiama į mechaninę turbinos veleno sukimosi energiją. Šiuo metu garo ir dujų turbinos yra pagrindiniai energetiniai varikliai.
Garo turbinos konstrukcija yra gana paprasta. Prie turbinos nėra stūmoklio koto, smagračio ar slydimo vožtuvų, todėl jos priežiūra yra gana paprasta. Ją sudaro rotorius ir besisukančių menčių rinkinys, kurie yra pritvirtinti prie veleno, o velenas yra rotoriaus viduryje. Elektros generatorius, žinomas kaip garo turbinos generatorius, yra prijungtas prie rotoriaus veleno. Turbinos generatorius surenka iš veleno mechaninę energiją ir paverčia ją elektros energija, taip pat pagerindamas turbinos efektyvumą.
Garo Turbinų Istorija ir Plėtra
Pirmąją garo turbiną išrado graikų matematikas Heronas iš Aleksandrijos apie 120 m. pr. Kr. ir ji buvo slenkančio tipo. Gerokai vėliau, 1629 metais, italų inžinierius Dž. Brankas (Giovanni Branca) buvo, ko gero, pirmasis, išradęs aktyviąją garo turbiną, kuri sėkmingai suko jo malūną.
Pirmąją pramoninę garo turbiną 1883 metais (kitais duomenimis - 1889 metais) įrengė švedų inžinierius G. Lavalis (Gustav Laval). Lavalio turbina buvo ašinė, vienpakopė ir aktyvioji (impulsinė), pasižyminti labai dideliais sūkiais (> 500 aps/s) ir nedidele galia (< 500 kW).
Šiuolaikinę garo turbiną 1884 m. pagamino seras Charlesas Parsonsas. Jo dizainas buvo daug kartų keičiamas. Tais pačiais metais anglų inžinierius Č. Parsonsas (Charles Parsons) pasiūlė daugiapakopės reaktyviosios turbinos su slėgio pakopomis idėją.
Vėliau, 1896 metais, prancūzas A. Rato (Auguste Rateau) išrado daugiapakopę aktyviąją turbiną, kuri turėjo tris aktyviąsias slėgio pakopas. Tais pačiais (1896) metais amerikietis Č. Kertis (Charles Curtis) užpatentavo pirmąją daugiapakopę garo turbiną su greičio pakopomis.
Šiuolaikinės galingos turbinos gaminamos ne tiktai daugiapakopės, bet ir kelių skirtingo slėgio cilindrų. Turbinos galia siekia nuo 0,75 KW iki 1000 MW, o galingos garo turbinos gali siekti 1700 MW ir daugiau. Tai platus panaudojimo spektras, pavyzdžiui, siurbliai, kompresoriai ir kt. Šiuolaikinė garo turbina taip pat naudojama kaip pagrindinis variklis dideliuose šiluminės elektrinės įrenginiuose.
Garo Turbinos Veikimo Principai
Garo turbinos veikimo principas priklauso nuo dinaminio garo veikimo. Didelio greičio garai sklinda iš purkštukų ir atsitrenkia į besisukančias mentes, kurios sumontuotos ant disko, sumontuoto ant veleno. Šie didelio greičio garai sukuria dinaminį slėgį mentėms, kurių mentės ir velenas pradeda suktis ta pačia kryptimi.
Iš esmės garo turbinoje garų slėgio energija išgaunama, o vėliau ji paverčiama kinetine energija, leidžiant garams tekėti per purkštukus. Kinetinės energijos konversija atliekama mechaniniu būdu prie rotoriaus menčių. Rotorius yra prijungtas prie garo turbinos generatoriaus, kuris veikia kaip tarpininkas. Turbinos generatorius surenka mechaninę energiją iš rotoriaus ir paverčia ją elektros energija.
Kadangi garo turbinos konstrukcija yra paprasta, jos vibracija yra daug mažesnė nei kitų variklių, esant tam pačiam sukimosi greičiui.
Garo Turbinos Konstrukciniai Elementai
Garo turbina yra rotacinė galios mašina, paverčianti garo energiją į mechaninį darbą. Jos komponentai sukurti remiantis keturiais pagrindiniais principais: „garų energijos konversija - mechaninis energijos perdavimas - veikimo valdymas - saugos užtikrinimas“. Kiekviena dalis veikia kartu, kad pasiektų efektyvų ir stabilų energijos išėjimą.
Energijos Konversijos Komponentai
- Purkštukai (statoriaus mentės): Tai „pirmasis energijos keitiklis“, skirtas garams, patenkantiems į turbiną. Kai aukšto slėgio garai teka pro antgalį, kanalas susiaurėja, todėl garo slėgis krenta, o greitis smarkiai padidėja (garo šiluminė energija paverčiama kinetine energija). Taip susidaro didelio greičio garo srautas, kuris ruošiasi tolesniam darbui, kurį atlieka rotoriaus mentės.
- Rotoriaus mentės: Tai energijos konversijos „vykdomieji komponentai“. Kai didelės spartos garų srautas atsitrenkia į rotoriaus mentes, jis sukuria šoninę trauką, verčia suktis rotoriaus mentes ir prijungtą veleną (garo srauto kinetinė energija paverčiama rotoriaus mechanine energija). Jos yra tiesioginis turbinos išėjimo galios šaltinis. Rotoriaus menčių forma (pvz., susukto tipo) turi tiksliai atitikti garo srauto kryptį, kad energijos nuostoliai būtų kuo mažesni.
- Diafragmos: Tai purkštukų „atraminė ir padėties struktūra“. Diafragmos pritvirtintos prie cilindro sienelės su centrine anga, per kurią gali praeiti rotorius.
Mechaninės Energijos Perdavimo Komponentai
- Rotorius: Tai garo turbinos „besisukanti šerdis“. Pagal įrenginio tipą jis skirstomas į „impulsinį rotorių“ ir „reakcinį rotorių“:
- Impulsinis rotorius: Susideda iš pagrindinio veleno, sparnuotės ir judančių menčių. Judančios mentės yra pritvirtintos prie sparnuotės, o sparnuotė - ant pagrindinio veleno. Jis tinka aukšto slėgio, mažos talpos įrenginiams.
- Reakcinis rotorius: Neturi sparnuotės, o judančios mentės yra tiesiogiai pritvirtintos prie pagrindinio veleno (arba būgno). Rotorius turi didesnį bendrą standumą ir tinka vidutinio iki mažo slėgio, didelės galios įrenginiams (pvz., 300 MW ir didesnės šiluminės galios garo turbinoms).
- Pagrindinis velenas ir movos: Pagrindinis velenas yra rotoriaus „skeletas“, laikantis sparnuotes ir judančias mentes. Movos sujungia turbinos rotorių su generatoriaus rotoriumi (ar kitomis apkrovomis) ir perduoda sukimosi momentą.
Atraminiai ir Sandarinimo Komponentai
- Cilindras: Tai turbinos „apvalkalas“. Pagamintas iš lietojo arba legiruotojo plieno, padalintas į aukšto slėgio, vidutinio slėgio ir žemo slėgio cilindrus (skirta kelių cilindrų blokams). Viduje jame yra komponentų, tokių kaip membranos, purkštukai ir rotoriai, sudarantys uždarą garų kanalą. Balionas turi būti pakankamai tvirtas, kad atlaikytų aukštą garų slėgį ir temperatūrą, ir turi būti užsandarintas flanšais ir varžtais, kad būtų išvengta garo nuotėkio.
- Garo sandarikliai: Tai „pagrindiniai anti-nuotėkio komponentai“. Skirstoma į tris tipus:
- Veleno sandariklis: Sumontuotas ten, kur rotorius eina per cilindrą, neleidžiant aukšto slėgio garams nutekėti cilindro viduje išilgai veleno galo (sumažinant energijos nuostolius) arba nepatekti oro iš kondensatoriaus pusės (pažeidžiant vakuumą).
- Diafragmos garų sandariklis: Sumontuotas tarpelyje tarp centrinės diafragmos angos ir rotoriaus, neleidžiant garams tekėti tarp gretimų slėgio pakopų (išvengiama tarppakopinių energijos nuostolių).
- Ašmenų antgalio garų sandariklis: Sumontuotas tarpe tarp judančių peilių viršaus ir cilindro vidinės sienelės, sumažinantis garų nuotėkį per ašmenų viršūnes ir pagerinantis scenos efektyvumą.
- Guoliai: Tai rotoriaus „atramos ir trintį mažinantys komponentai“.
Garo Turbinų Tipai ir Klasifikacija
Yra įvairių garo turbinų tipų, kurie skirstomi pagal skirtingus kriterijus.
Pagal Veikimo Principą
- Impulsinė turbina: Kai garai patenka į judančius peilius per purkštukus.
- Reakcijos garo turbina: Kai garai spaudžiami atsitrenkia į judančias ašmenis per kreipiamąjį mechanizmą.
Pagal Garų Srauto Kryptį
- Ašinio srauto garo turbina: Kai garo srautas korpuso viduje yra lygiagretus rotoriaus veleno ašiai.
- Radialinio srauto garo turbina: Kai garo srautas korpuso viduje yra radialinis rotoriaus veleno ašies atžvilgiu.
Pagal Garų Išmetimo Būklę
- Atgalinio slėgio arba nekondensuojančio tipo garo turbinos: Kai išsiplėtus garui, jis išmetamas į atmosferą.
- Kondensacinio tipo garo turbina: Kai garas išleidžiamas į kondensatorių.
Pagal Garų Slėgį
Pagal garų slėgį turbinos skirstomos į:
- Aukšto slėgio arba išleidimo arba ištraukimo garo turbina.
- Vidutinio slėgio arba priešslėgio garo turbina.
- Žemo slėgio turbina.
Į turbiną tiekiamas aukšto, vidutinio ir žemo slėgio garas, priklausomai nuo konkretaus turbinos tipo.
Garo Turbinų Valdymas ir Apsaugos Sistemos
Garo turbinų veikimui valdyti ir saugai užtikrinti naudojamos įvairios sistemos. Jos padeda reguliuoti turbinos galią pagal išorinės apkrovos poreikius (pvz., elektros energijos suvartojimo pokyčius) ir apsaugo įrenginį neįprastomis sąlygomis. Šios sistemos, nors ir nėra tiesioginės mechaninės stabdymo sistemos, efektyviai kontroliuoja turbinos greitį ir leidžia ją sustabdyti kontroliuojamai arba avariniu režimu.
Reguliavimo Sistema
Reguliavimo sistema yra „apkrovos valdymo centras“. Ji yra atsakinga už turbinos greičio stabilumo palaikymą ir galios reguliavimą, kad atitiktų apkrovą. Šią sistemą sudaro:
- Valdiklis (pvz., išcentrinis arba elektrohidraulinis) stebi rotoriaus greitį realiuoju laiku. Kai, keičiantis apkrovai, greitis nukrypsta nuo vardinės vertės (pvz., sumažėjus tinklo elektros suvartojimui, greitis didėja), išvedamas signalas.
- Signalas perduodamas į hidraulinę pavarą, kuri varo valdymo vožtuvą (įrengtą prie turbinos garų įleidimo angos).
- Reguliavimo vožtuvas reguliuoja garų srautą (pvz., jei greitis didėja, vožtuvas šiek tiek užsidaro, kad sumažintų garų tiekimą), atkuria rotoriaus greičio stabilumą, o įrenginio išeiga reguliuojama, kad ji atitiktų apkrovą.
Apsaugos Sistema
Apsaugos sistema yra „saugos linija“, kuri užtikrina įrenginio saugumą neįprastomis sąlygomis. Ši sistema aktyvuojama, kai turbinos parametrai nukrypsta nuo leistinų ribų (pvz., viršijus maksimalų greitį, esant per dideliam vibracijos lygiui, perkaitimui ir kt.), inicijuodama avarinį išjungimą ar kitas apsaugines priemones. Tai apima greitą garo tiekimo nutraukimą ir palaipsniui sustabdant rotorių, taip užkertant kelią galimiems gedimams ar avarijoms.
Avarinio stabdymo vožtuvas I Paleidimo alyvos ir išjungimo alyvos funkcija ESV atidarymo metu I Kaip ESV užsidaro
Papildomos Sistemos ir Specifiniai Turbinų Tipai
Kondensacinė Sistema
Kondensavimo sistema, daugiausia naudojama kondensacinėms turbinoms, yra „raktas į efektyvumo didinimą“. Ją daugiausia sudaro garų turbinos korpusas, kondensato siurblys, kondensatorius ir cirkuliacinis vandens siurblys. Garai, padirbėję garo turbinoje, patenka į kondensatorių, kur atvėsinami ir kondensuojasi į vandenį, o paskui per kondensato siurblį siunčiami atgal į katilą.
Tarp šių komponentų gyvybiškai svarbų vaidmenį atlieka kondensatorius. Pagrindinis jos tikslas yra pagerinti garų turbinos šiluminį efektyvumą. Garams atvėsus į vandenį, jų tūris labai sumažėja, paliekant likusią erdvę. Tai tampa vakuumu ir padidina idealią garų entalpiją. Aspiratoriaus funkcija yra nustatyti reikiamą vakuumą garų turbinai ir kondensatoriui prieš paleidžiant turbiną. Eksploatuojant kondensacinę garų turbiną, oras ir kitos nekondensuotos dujos iš kondensatoriaus įrangos laiku ištraukiamos, kad būtų užtikrinta kondensacija ir šilumos mainų vamzdžio šilumos mainų efektyvumas palaikytų vakuumą. Vakuuminio siurbimo įrangos veikimas tiesiogiai lemia kondensacinės garų turbinos išmetamo garo slėgį, kuris daro įtaką įrenginio entalpijos dydžiui ir sunaudojamo garo dydžiui. Skirtingi siurbimo metodai turės įtakos garų turbinos bloko įrangos investicijoms, darbo režimui ir sistemos sudėtingumui, todėl kondensacinei garų turbinai labai svarbi siurbimo įranga.
Tepimo Sistema
Tepimo sistema yra „įrangos naudojimo trukmės garantija“. Ji užtikrina tinkamą judančių dalių tepimą, mažina trintį ir apsaugo nuo dilimo bei perkaitimo, taip prailginant turbinos tarnavimo laiką.
Ekstrahavimo Garo Turbinos
Ekstrahavimo garo turbinos mechaninis veikimo principas yra susijęs su garo ištraukimu įvairiais slėgiais, atsižvelgiant į vartotojų poreikius ir gaminių serijos reikalavimus. Ištraukimo garo slėgį galima nustatyti ir reguliuoti tam tikrame diapazone. Atsižvelgiant į skirtingą ištraukimo garų skaičių, ekstrahavimo turbina yra padalinta į vieno ištraukimo ir dvigubo ištraukimo tipus.
- Vieno išmetimo garo srautas gali būti suskirstytas į dvi dalis: aukšto ir žemo slėgio.
- Dvigubo išmetimo garo srautas yra padalintas į tris dalis: aukšto, vidutinio ir žemo slėgio sekcijas.
Kiekvienoje sekcijoje gali būti atskiras cilindras, sudarantis atskirą cilindrų išdėstymą, arba kelios sekcijos kartu cilindre, sudarančios vieną cilindrų išdėstymą. Tarp sekcijų yra garo išleidimo anga, per kurią dalis garo išeina šildymui, o likusi srauto dalis patenka į kitą sekciją per reguliuojamą mechanizmą. Dažniausiai naudojami srauto reguliavimo mechanizmai yra reguliavimo vožtuvas ir du tipai sukamojo pertvaros žiedinio srauto ploto keitimo. Be to, ekstrahavimo garo turbinai, kai ji veikia, reikia tiek maitinimo, tiek šilumos.
Kai ištraukimo garo tūris yra lygus nuliui, ji veikia taip pat, kaip kondensacinė garo turbina. Garo turbinoje garas patenka į katilo tiekiamo vandens šildytuvą, išskyrus dalį garo, o likusi garo dalis teka per visus lygius ir patenka į kondensatorių. Kai ištraukimo tūris nėra lygus nuliui, garas, patenkantis į turbiną, pirmiausia per aukšto slėgio skyrių atlieka darbą visuose lygiuose, o po to dalis garo per ištraukimo angą nukreipiama šildymui; kita garo dalis per reguliatorių arba besisukančią pertvarą per likusią stadiją toliau dirba ir galiausiai patenka į kondensatorių.
tags: #garo #turbinos #stabdymas