Turbina parowa -Steam turbine

Wirnik nowoczesnej turbiny parowej zastosowanej w elektrowni

Turbina parowa to maszyna , która pobiera energię cieplną z pary pod ciśnieniem i wykorzystuje ją do wykonania pracy mechanicznej na obracającym się wale wyjściowym. Jego współczesna manifestacja została wynaleziona przez Charlesa Parsonsa w 1884 roku. Wytwarzanie nowoczesnej turbiny parowej obejmuje zaawansowaną obróbkę metali w celu formowania wysokogatunkowych stopów stali w precyzyjne części przy użyciu technologii, które po raz pierwszy stały się dostępne w XX wieku; ciągły postęp w zakresie trwałości i wydajności turbin parowych pozostaje kluczowym elementem ekonomiki energetycznej XXI wieku.

Turbina parowa jest formą silnika cieplnego, która w dużej mierze czerpie z poprawy sprawności termodynamicznej z zastosowania wielu etapów rozprężania pary, co skutkuje bliższym podejściem do idealnego procesu rozprężania odwracalnego. Ponieważ turbina generuje ruch obrotowy , szczególnie nadaje się do wykorzystania do napędzania generatora elektrycznego — około 85% całej produkcji energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych w roku 2014 było przy użyciu turbin parowych. Turbina parowa podłączona do generatora elektrycznego nazywana jest turbogeneratorem .

Od 2021 roku wśród największych turbin parowych na świecie znajdują się turbiny parowe Arabelle produkowane przez GE w oparciu o autorski projekt firmy Alstom . Turbina Arabelle ma 7 m średnicy, waży 4000 ton i obraca się z prędkością 1500 obr/min. W typowej instalacji jądrowej wymagane jest kolejne 4000 ton stalowej konstrukcji nośnej, a także 1000 ton pomp, zaworów i rur.

Problemy techniczne obejmują niewyważenie wirnika , wibracje , zużycie łożysk i nierównomierną rozszerzalność (różne formy szoku termicznego ). W dużych instalacjach nawet najsolidniejsza turbina jest w stanie rozerwać się, gdy jest eksploatowana bez wyważenia.

Historia

Przemysłowa turbina parowa o mocy 250 kW z 1910 roku (po prawej) bezpośrednio połączona z generatorem (po lewej)

Pierwszym urządzeniem, które można zaklasyfikować jako reakcyjna turbina parowa, była niewiele więcej niż zabawka, klasyczna Aeolipile , opisana w I wieku przez Bohatera Aleksandrii w rzymskim Egipcie . W 1551 Taqi al-Din w Osmańskim Egipcie opisał turbinę parową z praktycznym zastosowaniem obracania rożna . Turbiny parowe opisał również Włoch Giovanni Branca (1629) i John Wilkins w Anglii (1648). Urządzenia opisane przez Taqi al-Dina i Wilkinsa są dziś znane jako podnośniki parowe . W 1672 roku Ferdinand Verbiest zaprojektował samochód napędzany turbiną impulsową . Bardziej nowoczesna wersja tego samochodu została wyprodukowana pod koniec XVIII wieku przez nieznanego niemieckiego mechanika. W 1775 roku w Soho James Watt zaprojektował turbinę reakcyjną, która została tam uruchomiona. W 1807 roku Polikarp Zalesov zaprojektował i zbudował turbinę impulsową, wykorzystując ją do obsługi pompy pożarniczej. W 1827 r. Francuzi Real i Pichon opatentowali i skonstruowali złożoną turbinę impulsową.

Nowoczesna turbina parowa została wynaleziona w 1884 roku przez Charlesa Parsonsa , którego pierwszy model został podłączony do prądnicy , która generowała 7,5 kilowatów (10,1 KM) energii elektrycznej. Wynalezienie turbiny parowej Parsonsa umożliwiło tanią i obfitą elektryczność oraz zrewolucjonizowało transport morski i wojnę morską. Projekt Parsonsa był typem reakcji . Jego patent był licencjonowany, a turbina została powiększona wkrótce potem przez Amerykanina George'a Westinghouse'a . Turbina Parsonsa również okazała się łatwa do skalowania. Parsons miał satysfakcję widząc, jak jego wynalazek został zastosowany we wszystkich głównych elektrowniach na świecie, a wielkość generatorów wzrosła z jego pierwszych 7,5 kilowatów (10,1 KM) do jednostek o mocy 50 000 kilowatów (67 000 KM). W ciągu życia Parsonsa moc produkcyjna jednostki została zwiększona około 10 000 razy, a całkowita moc turbogeneratorów skonstruowanych przez jego firmę CA Parsons and Company i ich licencjobiorców, wyłącznie do celów lądowych, przekroczyła trzydzieści milionów koni -moc.

Opracowano inne odmiany turbin, które efektywnie pracują z parą. Turbina de Lavala (wynaleziona przez Gustafa de Lavala ) przyspieszyła parę do pełnej prędkości przed skierowaniem jej na łopatkę turbiny. Turbina impulsowa De Lavala jest prostsza i tańsza oraz nie musi być odporna na ciśnienie. Może działać przy dowolnym ciśnieniu pary, ale jest znacznie mniej wydajny. Auguste Rateau opracował turbinę impulsową ze sprzężeniem ciśnieniowym, wykorzystując zasadę de Lavala już w 1896 r., w 1903 r. uzyskał patent w USA, a w 1904 r. zastosował turbinę do francuskiej łodzi torpedowej. Wykładał w École des mines de Saint-Étienne na dekadę do 1897, a później założył odnoszącą sukcesy firmę, która po jego śmierci została włączona do firmy Alstom . Jednym z twórców nowoczesnej teorii turbin parowych i gazowych był Aurel Stodola , słowacki fizyk i inżynier oraz profesor w Szwajcarskim Instytucie Politechnicznym (obecnie ETH ) w Zurychu. Jego praca Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (po angielsku: Turbina parowa i jej potencjalne zastosowanie jako silnik cieplny) została opublikowana w Berlinie w 1903 roku. Kolejna książka Dampf und Gas-Turbinen (po angielsku: Turbiny parowe i gazowe) została opublikowana w 1922.

Turbina Brown-Curtis typu impulsowego, która została pierwotnie opracowana i opatentowana przez amerykańską firmę International Curtis Marine Turbine Company, została opracowana w latach 1900 we współpracy z firmą John Brown & Company . Był używany na statkach handlowych i okrętach wojennych z silnikami Johna Browna, w tym na liniowcach i okrętach wojennych Royal Navy.

Produkcja

Turbina parowa bez górnej pokrywy

Dzisiejszy przemysł wytwórczy turbin parowych jest wytwarzany przez takich producentów, jak:

Rodzaje

Turbiny parowe są produkowane w różnych rozmiarach, od małych jednostek <0,75 kW (<1 hp) (rzadko) stosowanych jako napędy mechaniczne pomp, sprężarek i innych urządzeń napędzanych wałem, do turbin o mocy 1500 MW (2 000 000 hp) wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej . Istnieje kilka klasyfikacji dla nowoczesnych turbin parowych.

Ostrze i scenografia

Schemat ideowy przedstawiający różnicę między turbiną impulsową a 50% reakcyjną

Łopatki turbin występują w dwóch podstawowych typach, łopatkach i dyszach . Ostrza poruszają się całkowicie dzięki działaniu pary na nie, a ich profile nie zbiegają się. Powoduje to spadek prędkości pary i zasadniczo brak spadku ciśnienia, gdy para przechodzi przez łopatki. Turbina złożona z łopatek naprzemiennie ze stałymi dyszami nazywana jest turbiną impulsową ,Turbina Curtis , turbina Rateau lub turbina Brown-Curtis . Dysze wyglądają podobnie do ostrzy, ale ich profile zbiegają się w pobliżu wyjścia. Powoduje to spadek ciśnienia pary i wzrost prędkości, gdy para przechodzi przez dysze. Dysze poruszają się zarówno z powodu oddziaływania pary na nie, jak i reakcji z powodu pary o dużej prędkości na wyjściu. Turbina złożona z ruchomych dysz naprzemiennie z dyszami stałymi nazywana jest turbiną reakcyjną lub turbiną Parsonsa .

Z wyjątkiem zastosowań o niskim poborze mocy, łopatki turbiny są rozmieszczone szeregowo w wielu etapach, zwanych mieszaniem , co znacznie poprawia wydajność przy niskich prędkościach. Etap reakcji to rząd nieruchomych dysz, po którym następuje rząd dysz ruchomych. Wiele etapów reakcji dzieli spadek ciśnienia między wlotem pary a wylotem na liczne małe krople, w wyniku czego powstaje turbina mieszana ciśnieniowo . Etapy impulsu mogą być złożone pod wpływem ciśnienia, prędkości lub ciśnienia i prędkości. Złożony ciśnieniowo etap impulsowy to rząd nieruchomych dysz, po którym następuje rząd ruchomych ostrzy, z wieloma etapami mieszania. Jest to również znane jako turbina Rateau, po jej wynalazcy. Stopień impulsowy o złożeniu prędkości (wynaleziony przez Curtisa i zwany także „kołem Curtisa”) to rząd nieruchomych dysz, po którym następują dwa lub więcej rzędów ruchomych ostrzy naprzemiennie z rzędami nieruchomych ostrzy. Dzieli to spadek prędkości na scenie na kilka mniejszych. Szereg etapów impulsowych łączonych z prędkością nazywa się turbiną łączoną z prędkością ciśnieniową .

Schemat morskiej turbiny parowej AEG z ok. 1905 r

W 1905 roku, kiedy turbiny parowe weszły do ​​użytku na szybkich statkach (takich jak HMS  Dreadnought ) oraz w lądowych zastosowaniach energetycznych, ustalono, że pożądane jest użycie jednego lub więcej kół Curtis na początku wielostopniowego turbina (gdzie ciśnienie pary jest najwyższe), a następnie etapy reakcji. Było to bardziej wydajne w przypadku pary pod wysokim ciśnieniem ze względu na mniejsze przecieki między wirnikiem turbiny a obudową. Ilustruje to rysunek niemieckiej morskiej turbiny parowej AEG z 1905 roku. Para z kotłów wchodzi z prawej strony pod wysokim ciśnieniem przez przepustnicę sterowaną ręcznie przez operatora (w tym przypadku marynarza zwanego przepustnicą). Przechodzi przez pięć kół Curtis i liczne etapy reakcji (małe łopatki na krawędziach dwóch dużych wirników pośrodku) przed wyjściem przy niskim ciśnieniu, prawie na pewno do skraplacza . Skraplacz zapewnia podciśnienie, które maksymalizuje energię pozyskiwaną z pary i kondensuje parę do wody zasilającej , która jest zawracana do kotłów. Po lewej stronie znajduje się kilka dodatkowych etapów reakcji (na dwóch dużych wirnikach), które obracają turbinę w kierunku wstecznym, z parą wpuszczaną przez oddzielną przepustnicę. Ponieważ statki rzadko są eksploatowane na biegu wstecznym, wydajność nie jest priorytetem w turbinach rufowych, więc tylko kilka stopni jest używanych, aby zaoszczędzić koszty.

Wyzwania związane z projektowaniem ostrza

Głównym wyzwaniem stojącym przed projektowaniem turbin było zmniejszenie pełzania łopat. Z powodu wysokich temperatur i wysokich naprężeń podczas pracy, materiały turbin parowych ulegają uszkodzeniu przez te mechanizmy. Wraz ze wzrostem temperatury w celu poprawy sprawności turbiny, pełzanie staje się znaczące. Aby ograniczyć pełzanie, w konstrukcjach łopatek stosuje się powłoki termiczne i superstopy ze wzmocnieniem w roztworze stałym i wzmocnieniem granic ziaren .

Powłoki ochronne stosowane są w celu zmniejszenia uszkodzeń termicznych i ograniczenia utleniania . Powłoki te są często stabilizowaną ceramiką na bazie dwutlenku cyrkonu . Zastosowanie termicznej powłoki ochronnej ogranicza oddziaływanie temperaturowe nadstopu niklu. Zmniejsza to mechanizmy pełzania występujące w ostrzu. Powłoki oksydacyjne ograniczają straty wydajności spowodowane nagromadzeniem na zewnątrz łopatek, co jest szczególnie ważne w środowisku o wysokiej temperaturze.

Ostrza na bazie niklu są stopione z aluminium i tytanem w celu zwiększenia wytrzymałości i odporności na pełzanie. Mikrostruktura tych stopów składa się z różnych obszarów składu . Jednolita dyspersja fazy gamma-prim – połączenie niklu, aluminium i tytanu – sprzyja wytrzymałości i odporności ostrza na pełzanie dzięki mikrostrukturze.

Do stopu można dodać pierwiastki ogniotrwałe , takie jak ren i ruten , aby poprawić wytrzymałość na pełzanie. Dodatek tych pierwiastków zmniejsza dyfuzję fazy pierwotnej gamma, zachowując w ten sposób wytrzymałość zmęczeniową , wytrzymałość i odporność na pełzanie.

Warunki dostarczania i odprowadzania pary

Turbina parowa niskiego ciśnienia w elektrowni jądrowej. Turbiny te odprowadzają parę wodną pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego.

Typy turbin obejmują kondensację, bez kondensacji, ponowne nagrzewanie, ekstrakcję i indukcję.

Turbiny kondensacyjne

Turbiny kondensacyjne są najczęściej spotykane w elektrowniach. Turbiny te pobierają parę z kotła i odprowadzają ją do skraplacza . Odprowadzona para ma ciśnienie znacznie poniżej atmosferycznego i jest w stanie częściowo skondensowanym, zwykle o jakości bliskiej 90%.

Turbiny bez kondensacji

Turbiny bez kondensacji są najszerzej stosowane do zastosowań związanych z parą technologiczną, w których para będzie wykorzystywana do dodatkowych celów po usunięciu z turbiny. Ciśnienie wylotowe jest kontrolowane przez zawór regulacyjny w zależności od potrzeb ciśnienia pary technologicznej. Są one powszechnie spotykane w rafineriach, jednostkach ciepłowniczych, zakładach celulozowo-papierniczych i odsalaniach , gdzie potrzebne są duże ilości pary technologicznej o niskim ciśnieniu.

Podgrzej turbiny

Turbiny dogrzewające są również wykorzystywane prawie wyłącznie w elektrowniach. W turbinie dogrzewającej strumień pary wychodzi z wysokociśnieniowej sekcji turbiny i jest zawracany do kotła, gdzie dodawane jest dodatkowe przegrzanie. Para następnie wraca do sekcji pośredniego ciśnienia turbiny i kontynuuje swoją ekspansję. Stosowanie ponownego nagrzewania w cyklu zwiększa wydajność pracy turbiny, a także kończy się rozprężanie przed kondensacją pary, minimalizując w ten sposób erozję łopatek w ostatnich rzędach. W większości przypadków maksymalna liczba przegrzań stosowanych w obiegu wynosi 2, ponieważ koszt przegrzania pary niweluje wzrost wydajności pracy turbiny.

Turbiny wydobywcze

Turbiny wydobywcze są powszechne we wszystkich zastosowaniach. W turbinie typu ekstrakcyjnego para jest uwalniana z różnych etapów turbiny i wykorzystywana do potrzeb procesów przemysłowych lub przesyłana do podgrzewaczy wody zasilającej kotły w celu poprawy ogólnej wydajności cyklu. Przepływy ekstrakcji mogą być sterowane zaworem lub pozostawione bez kontroli. Para ekstrahowana powoduje utratę mocy na dalszych stopniach turbiny.

Turbiny indukcyjne wprowadzają parę o niskim ciśnieniu na etapie pośrednim, aby wytworzyć dodatkową moc.

Obudowa lub układy wałów

Układy te obejmują turbiny z pojedynczą obudową, mieszanką tandemową i mieszanką krzyżową. Jednostki z pojedynczą obudową to najbardziej podstawowy styl, w którym pojedyncza obudowa i wał są połączone z generatorem. Mieszanki tandemowe są stosowane, gdy dwie lub więcej obudów jest bezpośrednio połączonych ze sobą w celu napędzania pojedynczego generatora. Układ turbiny krzyżowej składa się z dwóch lub więcej wałów, które nie są w linii, napędzając dwa lub więcej generatorów, które często pracują z różnymi prędkościami. Turbina krzyżowa jest zwykle używana w wielu dużych zastosowaniach. Poniżej przedstawiono typową instalację morską z lat 30. i 60. XX wieku; to pokazuje turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia napędzające wspólną przekładnię redukcyjną, z przekładniową turbiną przelotową na jednej turbinie wysokiego ciśnienia.

Układ maszynowy turbiny parowej na prawej burcie japońskich krążowników typu Furutaka i Aoba

Wirniki dwuprzepływowe

Dwuprzepływowy wirnik turbiny. Para wchodzi do środka szybu i wychodzi na każdym końcu, równoważąc siłę osiową.

Poruszająca się para wytwarza zarówno styczny, jak i osiowy nacisk na wał turbiny, ale w prostej turbinie nacisk osiowy nie jest przeciwny. Aby utrzymać prawidłowe położenie i wyważenie wirnika, tej sile musi przeciwdziałać siła przeciwna. Łożyska oporowe mogą być stosowane do łożysk wału, wirnik może wykorzystywać atrapy tłoków, może to być podwójny przepływ - para wchodzi przez środek wału i wychodzi na obu końcach lub kombinacja któregokolwiek z tych. W wirniku z podwójnym przepływem łopatki w każdej połówce są zwrócone w przeciwne strony, tak że siły osiowe negują się nawzajem, ale siły styczne działają razem. Ta konstrukcja wirnika jest również nazywana dwuprzepływowym , dwuosiowym przepływem lub podwójnym wydechem . Taki układ jest powszechny w obudowach niskociśnieniowych turbin złożonych.

Zasada działania i konstrukcja

Za idealną turbinę parową uważa się proces izentropowy , czyli proces o stałej entropii, w którym entropia pary wchodzącej do turbiny jest równa entropii pary opuszczającej turbinę. Żadna turbina parowa nie jest jednak prawdziwie izentropowa, z typowymi sprawnościami izentropowymi w zakresie od 20 do 90% w zależności od zastosowania turbiny. Wnętrze turbiny składa się z kilku zestawów łopatek lub kubełków . Jeden zestaw nieruchomych ostrzy jest połączony z obudową, a jeden zestaw wirujących ostrzy jest połączony z wałem. Zestawy zazębiają się z pewnymi minimalnymi prześwitami, przy czym wielkość i konfiguracja zestawów jest różna, aby efektywnie wykorzystać rozszerzanie się pary na każdym etapie.

Praktyczna sprawność cieplna turbiny parowej zmienia się w zależności od wielkości turbiny, stanu obciążenia, strat szczelinowych i strat tarcia. Osiągają najwyższe wartości do około 50% w turbinie o mocy 1200 MW (1600 000 KM); mniejsze mają niższą wydajność. Aby zmaksymalizować wydajność turbiny, para jest rozprężana, wykonując pracę, w kilku etapach. Te etapy charakteryzują się sposobem, w jaki pobierana jest z nich energia i są znane jako turbiny impulsowe lub reakcyjne. Większość turbin parowych wykorzystuje mieszankę konstrukcji reakcyjnej i impulsowej: każdy stopień zachowuje się jak jeden lub drugi, ale cała turbina wykorzystuje oba. Zazwyczaj sekcje o niższym ciśnieniu są typu reakcji, a stopnie o wyższym ciśnieniu są typu impulsowego.

Turbiny impulsowe

Wybór łopatek do turbin impulsowych

Turbina impulsowa ma nieruchome dysze, które ukierunkowują strumień pary na strumienie o dużej prędkości. Strumienie te zawierają znaczną energię kinetyczną, która jest przekształcana w obrót wału przez łopatki wirnika w kształcie kubełka, gdy strumień pary zmienia kierunek. Spadek ciśnienia występuje tylko na nieruchomych łopatkach, przy wzroście netto prędkości pary na całej scenie. Gdy para przepływa przez dyszę, jej ciśnienie spada od ciśnienia wlotowego do ciśnienia wyjściowego (ciśnienie atmosferyczne lub, częściej, próżnia skraplacza). Ze względu na wysoki współczynnik rozprężania pary, para opuszcza dyszę z bardzo dużą prędkością. Para opuszczająca ruchome ostrza ma dużą część maksymalnej prędkości pary opuszczającej dyszę. Strata energii spowodowana tą wyższą prędkością wyjściową jest powszechnie nazywana prędkością przenoszenia lub stratą na wyjściu.

Prawo momentu pędu mówi, że suma momentów sił zewnętrznych działających na płyn czasowo zajmujący objętość kontrolną jest równa wypadkowej zmianie czasu pędu kątowego przez objętość kontrolną.

Wirujący płyn wchodzi do przestrzeni kontrolnej w promieniu z prędkością styczną i opuszcza w promieniu z prędkością styczną .

Trójkąty prędkości na wlocie i wylocie na łopatach maszyny turbo.
Trójkąt prędkości

Trójkąt prędkości toruje drogę do lepszego zrozumienia zależności między różnymi prędkościami. Na sąsiednim rysunku mamy:

i są to prędkości bezwzględne odpowiednio na wlocie i wylocie.
i są prędkościami przepływu odpowiednio na wlocie i wylocie.
i są prędkościami wirowymi odpowiednio na wlocie i wylocie, w ruchomym punkcie odniesienia.
i są względnymi prędkościami odpowiednio na wlocie i wylocie.
i są prędkościami ostrza odpowiednio na wlocie i wylocie.
jest kątem łopatki kierującej i jest kątem łopatki.

Wtedy z prawa momentu pędu moment pędu na płyn jest określony wzorem:

Dla impulsowej turbiny parowej: . Dlatego siła styczna działająca na ostrza wynosi . Praca wykonana w jednostce czasu lub mocy rozwinięta: .

Gdy ω jest prędkością kątową turbiny, to prędkość łopatek wynosi . Rozwinięta moc jest wtedy .

Wydajność ostrza

Sprawność łopatek ( ) można zdefiniować jako stosunek pracy wykonanej na łopatkach do energii kinetycznej dostarczanej do płynu i wyraża się wzorem

Wydajność etapu

Dysza zbieżno-rozbieżna
Wykres przedstawiający sprawność turbiny impulsowej

Stopień turbiny impulsowej składa się z zestawu dysz i ruchomego koła. Sprawność etapu określa zależność między spadkiem entalpii w dyszy a pracą wykonaną na etapie.

Gdzie jest określona entalpia kropla pary w dyszy.

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki :

Zakładając, że jest to znacznie mniej niż , otrzymujemy . Ponadto sprawność stopnia jest iloczynem sprawności łopatki i sprawności dyszy, lub .

Wydajność dyszy wyraża się wzorem , gdzie entalpia pary (w J/Kg) na wejściu do dyszy wynosi , a entalpia pary na wyjściu z dyszy wynosi .

Stosunek cosinusów kątów łopatek na wylocie i wlocie można przyjąć i oznaczyć . Stosunek prędkości pary do prędkości wirnika na wylocie do wlotu łopatki jest określony przez współczynnik tarcia .

i przedstawia utratę prędkości względnej spowodowaną tarciem, gdy para przepływa wokół ostrzy ( w przypadku ostrzy gładkich).

Stosunek prędkości łopatek do bezwzględnej prędkości pary na wlocie jest określany jako stosunek prędkości łopatek .

jest maksymalna, gdy lub, . Oznacza to , a zatem . Teraz (dla jednostopniowej turbiny impulsowej).

Dlatego maksymalną wartość sprawności stopnia uzyskuje się przez umieszczenie wartości w wyrażeniu .

Otrzymujemy: .

W przypadku ostrzy równokątnych , zatem , i otrzymujemy . Jeżeli pominie się tarcie spowodowane powierzchnią łopatki, wówczas .

Wnioski dotyczące maksymalnej wydajności

  1. Dla danej prędkości pary praca wykonana na kg pary byłaby maksymalna, gdy lub .
  2. Wraz ze wzrostem zmniejsza się praca wykonywana na ostrzach, ale jednocześnie zmniejsza się powierzchnia ostrza, dzięki czemu występują mniejsze straty tarcia.

Turbiny reakcyjne

W turbinie reakcyjnej same łopatki wirnika są rozmieszczone tak, że tworzą zbieżne dysze . Ten typ turbiny wykorzystuje siłę reakcji wytworzoną podczas przyspieszania pary przez dysze utworzone przez wirnik. Para kierowana jest na wirnik za pomocą stałych łopatek stojana . Opuszcza stojan w postaci strumienia, który wypełnia cały obwód wirnika. Para następnie zmienia kierunek i zwiększa swoją prędkość w stosunku do prędkości ostrzy. Spadek ciśnienia występuje zarówno na stojanie, jak i na wirniku, przy czym para przyspiesza przez stojan i zwalnia przez wirnik, bez zmian netto prędkości pary na stopniu, ale ze spadkiem zarówno ciśnienia, jak i temperatury, odzwierciedlając pracę wykonaną w napęd wirnika.

Wydajność ostrza

Wkład energii do ostrzy na etapie:

jest równa energii kinetycznej dostarczanej do nieruchomych ostrzy (f) + energii kinetycznej dostarczanej do ruchomych ostrzy (m).

Lub = spadek entalpii na ostrzach stałych, + spadek entalpii na ostrzach ruchomych, .

Efektem rozprężania pary nad poruszającymi się łopatkami jest zwiększenie prędkości względnej na wyjściu. Dlatego prędkość względna na wylocie jest zawsze większa niż prędkość względna na wlocie .

Jeśli chodzi o prędkości, spadek entalpii nad poruszającymi się łopatami wyraża się wzorem:

(przyczynia się do zmiany ciśnienia statycznego)

Wykres prędkości

Spadek entalpii w łopatkach stałych, przy założeniu, że prędkość pary wchodzącej do łopatek stałych jest równa prędkości pary opuszczającej łopatki poprzednio poruszające się, wyraża się wzorem:

gdzie V 0 jest prędkością wlotową pary do dyszy

jest bardzo mały i dlatego można go pominąć. W związku z tym,

Bardzo szeroko stosowana konstrukcja ma pół stopnia reakcji lub 50% reakcji i jest znana jako turbina Parsona . Składa się z symetrycznych łopatek wirnika i stojana. Dla tej turbiny trójkąt prędkości jest podobny i mamy:

,
,

Zakładając turbinę Parsona i uzyskując wszystkie wyrażenia, które otrzymujemy

Z trójkąta prędkości wlotowej mamy

Wykonana praca (dla jednostkowego przepływu masy na sekundę):

Dlatego wydajność ostrza jest dana przez

Stan maksymalnej wydajności ostrza

Porównanie sprawności turbin impulsowych i reakcyjnych

Jeśli , to

Dla maksymalnej wydajności otrzymujemy

i to w końcu daje

W związku z tym znajduje się, umieszczając wartość w wyrażeniu wydajności łopaty

Obsługa i konserwacja

Nowoczesna instalacja generatora turbin parowych

Ze względu na wysokie ciśnienia panujące w obwodach parowych oraz zastosowane materiały, turbiny parowe i ich obudowy mają dużą bezwładność cieplną . Podczas nagrzewania turbiny parowej do użytku, główne zawory odcinające parę (za kotłem) mają linię obejściową, aby umożliwić przegrzanej parze powolne ominięcie zaworu i rozpoczęcie podgrzewania linii w układzie wraz z turbiną parową. Ponadto, gdy nie ma pary , włącza się przekładnia obrotowa, która powoli obraca turbinę, aby zapewnić równomierne ogrzewanie, aby zapobiec nierównomiernemu rozszerzaniu się . Po uprzednim obróceniu turbiny przez obracarkę, dającym czas wirnikowi na ustawienie się w płaszczyźnie prostej (bez wyginania), następuje wyłączenie obracarki i powolne doprowadzenie pary do turbiny, najpierw do łopatek rufowych, a następnie do łopatek przednich obracając turbinę z prędkością 10–15 obr./min (0,17–0,25 Hz), aby powoli ją rozgrzać. Procedura rozgrzewania dużych turbin parowych może trwać dłużej niż dziesięć godzin.

Podczas normalnej pracy niewyważenie wirnika może prowadzić do wibracji, które ze względu na duże prędkości obrotowe mogą doprowadzić do oderwania się łopaty od wirnika i przez obudowę. Aby zmniejszyć to ryzyko, wkłada się znaczne wysiłki w zrównoważenie turbiny. Ponadto turbiny pracują z parą wysokiej jakości: albo przegrzaną (suchą) albo parą nasyconą o wysokiej frakcji suchej. Zapobiega to gwałtownemu uderzeniu i erozji ostrzy, które ma miejsce, gdy skroplona woda jest wydmuchiwana na ostrza (przenoszenie wilgoci). Ponadto ciekła woda przedostająca się do łopatek może uszkodzić łożyska oporowe wału turbiny. Aby temu zapobiec, wraz z elementami sterującymi i przegrodami w kotłach w celu zapewnienia wysokiej jakości pary, w rurach parowych prowadzących do turbiny zainstalowano spusty kondensatu.

Wymagania konserwacyjne nowoczesnych turbin parowych są proste i wiążą się z niskimi kosztami (zwykle około 0,005 USD za kWh); ich żywotność często przekracza 50 lat.

Regulacja prędkości

Schemat układu generatora turbiny parowej

Sterowanie turbiną za pomocą regulatora jest niezbędne, ponieważ turbiny muszą być uruchamiane powoli, aby zapobiec uszkodzeniom, a niektóre zastosowania (takie jak wytwarzanie prądu przemiennego) wymagają precyzyjnej kontroli prędkości. Niekontrolowane przyspieszenie wirnika turbiny może prowadzić do przekroczenia prędkości, co powoduje zamknięcie regulatora i zaworów dławiących, które kontrolują przepływ pary do turbiny. Jeśli te zawory ulegną awarii, turbina może nadal przyspieszać, aż się rozpadnie, często katastrofalnie. Turbiny są drogie w produkcji, wymagają precyzyjnej produkcji i specjalnej jakości materiałów.

Podczas normalnej pracy w synchronizacji z siecią elektryczną, elektrownie są sterowane z pięcioprocentową kontrolą prędkości spadku . Oznacza to, że prędkość przy pełnym obciążeniu wynosi 100%, a prędkość bez obciążenia 105%. Jest to wymagane do stabilnej pracy sieci bez polowań i wyłączania elektrowni. Zwykle zmiany prędkości są niewielkie. Regulacji mocy wyjściowej dokonuje się poprzez powolne podnoszenie krzywej spadku poprzez zwiększanie nacisku sprężyny na regulator odśrodkowy . Generalnie jest to podstawowy wymóg systemowy dla wszystkich elektrowni, ponieważ starsze i nowsze elektrownie muszą być kompatybilne w odpowiedzi na chwilowe zmiany częstotliwości bez uzależnienia od komunikacji zewnętrznej.

Termodynamika turbin parowych

Wykres Ts przegrzanego cyklu Rankine'a

Turbina parowa działa na podstawowych zasadach termodynamiki z wykorzystaniem części 3-4 cyklu Rankine'a pokazanego na sąsiednim schemacie. Para przegrzana (lub sucha para nasycona w zależności od zastosowania) opuszcza kocioł w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Na wejściu do turbiny para uzyskuje energię kinetyczną przechodząc przez dyszę (dysza nieruchoma w turbinie impulsowej lub łopatki nieruchome w turbinie reakcyjnej). Gdy para opuszcza dyszę, porusza się z dużą prędkością w kierunku łopatek wirnika turbiny. Na ostrzach powstaje siła z powodu ciśnienia pary na ostrzach, które powoduje ich ruch. Generator lub inne tego typu urządzenie można umieścić na wale, a energia, która była w parze, może być teraz magazynowana i wykorzystywana. Para opuszcza turbinę jako para nasycona (lub mieszanka cieczowo-parowa w zależności od zastosowania) w niższej temperaturze i ciśnieniu niż wchodziła i jest przesyłana do skraplacza w celu schłodzenia. Pierwsze prawo pozwala nam znaleźć wzór na szybkość, z jaką rozwija się praca na jednostkę masy. Zakładając, że nie następuje przenoszenie ciepła do otaczającego środowiska, a zmiany energii kinetycznej i potencjalnej są nieistotne w porównaniu ze zmianą entalpii właściwej , otrzymujemy następujące równanie

gdzie

  • to tempo, w jakim praca jest rozwijana w jednostce czasu
  • jest natężeniem przepływu masowego przez turbinę

Wydajność izentropowa

Aby zmierzyć wydajność turbiny, możemy spojrzeć na jej sprawność izentropową . Porównuje to rzeczywistą wydajność turbiny z wydajnością, którą osiągnęłaby idealna turbina izentropowa. Przy obliczaniu tej sprawności przyjmuje się, że ciepło tracone do otoczenia wynosi zero. Początkowe ciśnienie i temperatura pary są takie same dla rzeczywistej i idealnej turbiny, ale na wyjściu turbiny zawartość energii pary („entalpia właściwa”) dla rzeczywistej turbiny jest większa niż dla idealnej turbiny z powodu nieodwracalności w rzeczywistej turbinie . Entalpia właściwa jest oceniana przy tym samym ciśnieniu pary dla rzeczywistej i idealnej turbiny, aby zapewnić dobre porównanie między nimi.

Sprawność izentropową określa się dzieląc pracę rzeczywistą przez pracę idealną.

gdzie

  • h 3 to entalpia właściwa w stanie trzecim
  • h 4 to entalpia właściwa w stanie 4 dla rzeczywistej turbiny
  • h 4s to entalpia właściwa w stanie 4s dla turbiny izentropowej

(ale zauważ, że sąsiedni diagram nie pokazuje stanu 4s: jest pionowo poniżej stanu 3)

Napęd bezpośredni

Turbina parowa o mocy 5 MW z napędem bezpośrednim

Elektrownie wykorzystują duże turbiny parowe napędzające generatory elektryczne do produkcji większości (około 80%) energii elektrycznej na świecie. Pojawienie się dużych turbin parowych sprawiło, że wytwarzanie energii elektrycznej w stacjach centralnych stało się praktyczne, ponieważ silniki parowe tłokowe o dużej mocy stały się bardzo nieporęczne i działały z małymi prędkościami. Większość stacji centralnych to elektrownie na paliwa kopalne i elektrownie jądrowe ; niektóre instalacje wykorzystują parę geotermalną lub skoncentrowaną energię słoneczną (CSP) do wytwarzania pary. Turbiny parowe mogą być również wykorzystywane bezpośrednio do napędzania dużych pomp odśrodkowych , takich jak pompy wody zasilającej w elektrociepłowni .

Turbiny wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej są najczęściej bezpośrednio sprzężone z ich generatorami. Ponieważ generatory muszą obracać się ze stałymi prędkościami synchronicznymi w zależności od częstotliwości systemu elektroenergetycznego, najczęstsze prędkości to 3000 obr./min dla systemów 50 Hz i 3600 obr./min dla systemów 60 Hz. Ponieważ reaktory jądrowe mają niższe temperatury graniczne niż elektrownie opalane paliwami kopalnymi, przy niższej jakości pary , turbozespoły mogą być przystosowane do pracy przy połowie tych prędkości, ale z generatorami czterobiegunowymi, aby zmniejszyć erozję łopatek turbiny.

napęd morski

Turbinia , 1894, pierwszy statek napędzany turbiną parową
Turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia dla SS  Maui
Turbina Parsonsa z polskiego niszczyciela Wicher z 1928 r

W statkach parowych zalety turbin parowych nad silnikami tłokowymi to mniejsze rozmiary, mniejsze wymagania konserwacyjne, lżejsza waga i mniejsze wibracje. Turbina parowa jest wydajna tylko wtedy, gdy pracuje z tysiącami obrotów na minutę, podczas gdy najskuteczniejsze konstrukcje śmigieł są przeznaczone dla prędkości poniżej 300 obr./min; w związku z tym zwykle wymagane są precyzyjne (a więc drogie) przekładnie redukcyjne, chociaż wiele wczesnych statków w okresie I wojny światowej , takich jak Turbinia , miało bezpośredni napęd z turbin parowych na wały śrubowe. Inną alternatywą jest przekładnia turboelektryczna , w której generator elektryczny napędzany przez turbinę szybkoobrotową jest używany do napędzania jednego lub więcej wolnoobrotowych silników elektrycznych połączonych z wałami napędowymi; precyzyjne cięcie kół zębatych może być wąskim gardłem produkcyjnym w czasie wojny. Napęd turboelektryczny był najczęściej używany w dużych amerykańskich okrętach wojennych zaprojektowanych podczas I wojny światowej i w niektórych szybkich liniowcach, a także był używany w niektórych transportach wojskowych i masowo produkowanych eskortach niszczycieli podczas II wojny światowej .

Wyższy koszt turbin i związanych z nimi kół zębatych lub agregatów prądotwórczych/silnikowych jest rekompensowany mniejszymi wymaganiami konserwacyjnymi i mniejszymi rozmiarami turbiny w porównaniu z silnikiem tłokowym o tej samej mocy, chociaż koszty paliwa są wyższe niż w przypadku silnika wysokoprężnego, ponieważ turbiny parowe mają niższą sprawność cieplną. Aby obniżyć koszty paliwa, na przestrzeni lat poprawiono sprawność cieplną obu typów silników.

Wczesny rozwój

Rozwój okrętowego napędu turbin parowych w latach 1894-1935 był zdominowany przez potrzebę pogodzenia wysokiej efektywnej prędkości turbiny z niską wydajną prędkością (poniżej 300 obr./min) śruby okrętowej przy ogólnych kosztach konkurencyjnych do silników tłokowych . W 1894 roku wydajne przekładnie redukcyjne nie były dostępne dla dużych mocy wymaganych przez statki, więc konieczny był napęd bezpośredni . W Turbinii , która ma bezpośredni napęd na każdy wał napędowy, efektywna prędkość turbiny została zmniejszona po wstępnych próbach poprzez skierowanie przepływu pary przez wszystkie trzy turbiny z bezpośrednim napędem (po jednej na każdy wał) szeregowo, prawdopodobnie łącznie około 200 pracujących stopni turbiny w serii. Ponadto na każdym wale znajdowały się trzy śmigła do pracy przy dużych prędkościach. Wysokie prędkości wału z epoki reprezentuje jeden z pierwszych amerykańskich niszczycieli turbinowych , USS  Smith , wystrzelony w 1909 roku, który miał turbiny z napędem bezpośrednim i którego trzy wały obracały się z prędkością 724 obr./min z prędkością 28,35 węzła (52,50 km/h; 32,62). mph).

Zastosowanie turbin w kilku obudowach, które wyrzucają parę do siebie szeregowo, stało się standardem w większości późniejszych zastosowań napędu morskiego i jest formą mieszania krzyżowego . Pierwsza turbina była nazywana turbiną wysokiego ciśnienia (HP), ostatnia turbina była turbiną niskiego ciśnienia (LP), a każda turbina pomiędzy nimi była turbiną średniego ciśnienia (IP). Znacznie późniejszy układ niż Turbinia można zobaczyć na RMS  Queen Mary w Long Beach w Kalifornii , uruchomionym w 1934 roku, w którym każdy wał jest napędzany przez cztery turbiny połączone szeregowo z końcami dwóch wałków wejściowych skrzyni biegów z pojedynczą redukcją. Są to turbiny HP, I IP, II IP i LP.

Maszyny przelotowe i przekładnie

Dążenie do ekonomii było jeszcze ważniejsze, gdy brano pod uwagę prędkości przelotowe. Prędkość przelotowa wynosi w przybliżeniu 50% maksymalnej prędkości okrętu i 20-25% jego maksymalnego poziomu mocy. Byłaby to prędkość stosowana podczas długich rejsów, gdy pożądane jest zmniejszenie zużycia paliwa. Chociaż sprowadziło to prędkości śmigła do efektywnego zakresu, sprawność turbiny została znacznie zmniejszona, a wczesne statki turbinowe miały słabe zasięgi przelotowe. Rozwiązaniem, które okazało się przydatne przez większość ery napędów turbin parowych, była turbina przelotowa. Była to dodatkowa turbina, aby dodać jeszcze więcej stopni, początkowo przymocowana bezpośrednio do jednego lub więcej wałów, wydmuchująca do stopnia w połowie długości turbiny HP i nie używana przy dużych prędkościach. Gdy przekładnie redukcyjne stały się dostępne około 1911 r., niektóre statki, w szczególności pancernik USS  Nevada , miały je na turbinach przelotowych, zachowując przy tym główne turbiny z napędem bezpośrednim. Przekładnie redukcyjne pozwalały turbinom pracować w ich wydajnym zakresie przy znacznie większej prędkości niż wał, ale były drogie w produkcji.

Turbiny przelotowe początkowo konkurowały z silnikami tłokowymi w zakresie oszczędności paliwa. Przykładem zachowania silników tłokowych na szybkich statkach był słynny RMS  Olympic z 1911 roku, który wraz ze swoimi siostrami RMS  Titanic i HMHS  Britannic miał silniki z potrójnym rozprężaniem na dwóch zewnętrznych wałach, oba wydmuchujące do turbiny LP na wale środkowym . Po zaadoptowaniu turbin z pancernikami typu Delaware wystrzelonymi w 1909 roku, Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych powróciła do maszyn tłokowych na pancernikach typu New York z 1912 roku, a następnie do turbin na Nevadzie w 1914 roku. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych nie miała planów dotyczących okrętów przekraczających 21 węzłów (39 km/h; 24 mph) do czasu I wojny światowej, więc prędkość maksymalna była mniej ważna niż ekonomiczna podróż. Stany Zjednoczone nabyły Filipiny i Hawaje jako terytoria w 1898 roku i brakowało im ogólnoświatowej sieci stacji węglowych Brytyjskiej Marynarki Wojennej . W związku z tym Marynarka Wojenna USA w latach 1900-1940 najbardziej ze wszystkich krajów potrzebowała oszczędności paliwa, zwłaszcza że perspektywa wojny z Japonią pojawiła się po I wojnie światowej. Potrzeba ta została spotęgowana przez fakt, że USA nie wypuściły żadnych krążowników w latach 1908-1920, więc niszczyciele musiały wykonywać misje dalekiego zasięgu, zwykle przypisywane krążownikom. Tak więc amerykańskie niszczyciele wystrzelone w latach 1908–1916 wyposażono w różne rozwiązania rejsowe. Obejmowały one małe silniki tłokowe i przekładniowe lub bezprzekładniowe turbiny przelotowe na jednym lub dwóch wałach. Jednak gdy turbiny z pełnymi przekładniami okazały się ekonomiczne pod względem kosztów początkowych i paliwa, zostały szybko przyjęte, a większość statków zawierała również turbiny rejsowe. Począwszy od 1915 wszystkie nowe niszczyciele Royal Navy miały w pełni przekładniowe turbiny, a Stany Zjednoczone poszły w ich ślady w 1917.

W Królewskiej Marynarce Wojennej prędkość była priorytetem, dopóki bitwa jutlandzka w połowie 1916 roku nie pokazała, że ​​w pościgu krążowników liniowych poświęcono zbyt dużo pancerza. Brytyjczycy używali wyłącznie okrętów wojennych z napędem turbinowym od 1906 roku. Ponieważ uznali, że ze względu na ich światowe imperium, pożądany byłby duży zasięg przelotowy, niektóre okręty wojenne, w szczególności pancerniki typu Queen Elizabeth , były wyposażone w turbiny rejsowe od 1912 roku, po wcześniejszych instalacjach eksperymentalnych .

W marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych niszczyciele klasy Mahan , zwodowane w latach 1935-36, wprowadziły przekładnię z podwójną redukcją. To dodatkowo zwiększyło prędkość turbiny powyżej prędkości wału, umożliwiając mniejsze turbiny niż przekładnia z pojedynczą redukcją. Ciśnienie i temperatura pary również rosły stopniowo, od 300 psi (2100 kPa)/425°F (218°C) [para nasycona] w klasie Wickes z okresu I wojny światowej do 615 psi (4240 kPa)/850°F ( 454 °C) [przegrzana para] na niektórych niszczycielach klasy Fletcher z okresu II wojny światowej i późniejszych okrętach. Powstała standardowa konfiguracja z turbiną wysokociśnieniową o przepływie osiowym (czasami z dołączoną turbiną przelotową) i turbiną niskociśnieniową o podwójnym przepływie osiowym, połączoną z przekładnią z podwójną redukcją. Ten układ był kontynuowany przez całą epokę pary w US Navy i był również używany w niektórych projektach Royal Navy. Maszyny tej konfiguracji można zobaczyć na wielu zachowanych okrętach wojennych z okresu II wojny światowej w kilku krajach.

Kiedy budowa okrętów marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych została wznowiona na początku lat pięćdziesiątych, większość bojowników nawodnych i lotniskowców używała pary o wartości 1200 psi (8300 kPa)/950 °F (510 °C). Trwało to do końca ery okrętów wojennych US Navy z napędem parowym z fregatami klasy Knox z wczesnych lat 70-tych. Statki amfibie i pomocnicze nadal używały pary o mocy 600 psi (4100 kPa) po II wojnie światowej, z USS  Iwo Jima , zwodowanym w 2001 r., prawdopodobnie ostatnim niejądrowym statkiem parowym zbudowanym dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

Napęd turboelektryczny

NS  50 Let Pobedy , nuklearny lodołamacz z napędem jądrowo-turbo-elektrycznym

Napęd turboelektryczny został wprowadzony na pancerniku USS  New Mexico zwodowanym w 1917 roku. W ciągu następnych ośmiu lat Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych wypuściła pięć dodatkowych pancerników z turbodoładowaniem i dwa lotniskowce (początkowo zamówione jako krążowniki liniowe klasy Lexington ) . Zaplanowano jeszcze dziesięć statków powietrznych z turbodoładowaniem, ale odwołano je z powodu ograniczeń nałożonych przez traktat waszyngtoński .

Chociaż Nowy Meksyk został wyposażony w turbiny z przekładnią w trakcie remontu w latach 1931-1933, pozostałe statki turboelektryczne zachowały ten system przez całe swoje kariery. System ten wykorzystywał dwa duże generatory z turbiną parową do napędzania silnika elektrycznego na każdym z czterech wałów. System był początkowo mniej kosztowny niż przekładnie redukcyjne i sprawiał, że statki były bardziej zwrotne w porcie, z wałami zdolnymi do szybkiego cofania i zapewniania większej mocy wstecznej niż w przypadku większości systemów przekładniowych.

Niektóre liniowce były również zbudowane z napędem turboelektrycznym, podobnie jak niektóre transportowce i masowo produkowane niszczyciele eskorty podczas II wojny światowej . Jednak, gdy Stany Zjednoczone zaprojektowały „krążowniki traktatowe”, poczynając od USS  Pensacola zwodowanego w 1927 roku, turbiny z przekładnią były używane do oszczędzania masy i odtąd były używane we wszystkich szybkich statkach o napędzie parowym.

Bieżące użycie

Od lat 80. turbiny parowe zostały zastąpione turbinami gazowymi na szybkich statkach i silnikami Diesla na innych statkach; wyjątkami są statki i łodzie podwodne o napędzie jądrowym oraz zbiornikowce LNG . Niektóre statki pomocnicze nadal używają napędu parowego.

W marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych turbina parowa o napędzie konwencjonalnym jest nadal używana na wszystkich z wyjątkiem jednego z desantowych okrętów desantowych typu Wasp . Royal Navy wycofała ze służby swoją ostatnią klasę nawodnych okrętów wojennych o napędzie parowym, dok platformy desantowej typu Fearless , w 2002 roku, a włoska marynarka w 2006 roku wycofała ze służby swoje ostatnie konwencjonalne okręty nawodne z napędem parowym, niszczyciele klasy Audace . W 2013 roku francuska marynarka wojenna zakończyła swoją erę parową wycofaniem ze służby ostatniej fregaty typu Tourville . Wśród innych marynarek błękitnowodnych , rosyjska marynarka wojenna obecnie obsługuje lotniskowce typu Kuzniecow z napędem parowym i niszczyciele typu Sovremenny . Indyjska marynarka wojenna obecnie obsługuje INS Vikramaditya , zmodyfikowany lotniskowiec klasy Kijów ; obsługuje również trzy fregaty klasy Brahmaputra oddane do użytku na początku 2000 roku i jedną fregatę klasy Godavari , która ma zostać wycofana z eksploatacji. Chińska marynarka wojenna obecnie obsługuje lotniskowce klasy Kuzniecow z napędem parowym , niszczyciele Sovremenny , niszczyciele klasy Luda oraz samotny niszczyciel Typ 051B . Większość innych sił morskich wycofała się lub przebudowała swoje parowe okręty wojenne. Od 2020 roku meksykańska marynarka wojenna eksploatuje cztery fregaty amerykańskie klasy Knox napędzane parą . Marynarka egipska i marynarka wojenna Republiki Chińskiej operują odpowiednio dwiema i sześcioma fregatami US Knox . Ekwadorska marynarka wojenna eksploatuje obecnie dwie fregaty klasy Condell z napędem parowym (zmodyfikowane fregaty klasy Leander ).

Obecnie wydajność cyklu turbiny parowej napędowej nie przekroczyła jeszcze 50%, jednak silniki wysokoprężne rutynowo przekraczają 50%, zwłaszcza w zastosowaniach morskich. Elektrownie wysokoprężne mają również niższe koszty operacyjne, ponieważ potrzeba mniej operatorów. W związku z tym na bardzo niewielu nowych statkach stosowana jest konwencjonalna energia parowa. Wyjątkiem są gazowce LNG, dla których często bardziej opłacalne jest stosowanie odparowanego gazu z turbiną parową niż jego ponowne skroplenie.

Statki i łodzie podwodne o napędzie jądrowym wykorzystują reaktor jądrowy do wytwarzania pary do turbin. Energia jądrowa jest często wybierana tam, gdzie moc diesla byłaby niepraktyczna (jak w zastosowaniach podwodnych ) lub logistyka tankowania stwarza poważne problemy (na przykład lodołamacze ). Szacuje się, że paliwo reaktora dla okrętów podwodnych klasy Vanguard Królewskiej Marynarki Wojennej wystarczy na 40 okrążeń kuli ziemskiej – potencjalnie wystarczy na cały okres eksploatacji statku. Napęd jądrowy zastosowano tylko do bardzo niewielu statków komercyjnych ze względu na koszty konserwacji i kontroli wymaganych w systemach jądrowych i cyklach paliwowych.

Lokomotywy

Lokomotywa parowa z turbiną parową to lokomotywa parowa napędzana przez turbinę parową. Pierwsza lokomotywa kolejowa z turbiną parową została zbudowana w 1908 roku dla Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Mediolan, Włochy. W 1924 Krupp zbudował dla Deutsche Reichsbahn lokomotywę parową T18 001, działającą w 1929 roku .

Głównymi zaletami lokomotywy z turbiną parową są lepsze wyważenie obrotowe i mniejsze uderzenie młota w tor. Jednak wadą jest mniej elastyczna moc wyjściowa, tak że lokomotywy turbinowe najlepiej nadają się do operacji długodystansowych przy stałej mocy wyjściowej.

Testowanie

Brytyjskie, niemieckie, inne krajowe i międzynarodowe kody testowe są używane do standaryzacji procedur i definicji używanych do testowania turbin parowych. Wybór kodu testowego do zastosowania jest umową między nabywcą a producentem i ma pewne znaczenie dla projektu turbiny i powiązanych systemów.

W Stanach Zjednoczonych ASME opracowało kilka kodów testów wydajności turbin parowych. Należą do nich ASME PTC 6-2004, Turbiny parowe, ASME PTC 6.2-2011, Turbiny parowe w cyklach kombinowanych , PTC 6S-1988, Procedury rutynowych testów wydajności turbin parowych. Te kody testów wydajności ASME zyskały międzynarodowe uznanie i akceptację do testowania turbin parowych. Najważniejszą i wyróżniającą cechą kodów testów wydajności ASME, w tym PTC 6, jest to, że niepewność testu pomiaru wskazuje na jakość testu i nie może być stosowana jako tolerancja handlowa.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Źródła

Dalsze czytanie

  • Bawełna, KC (1998). Ocena i poprawa wydajności turbin parowych . Fakt bawełniany.
  • Johnston, Ian (2019). „Rise of Brown-Curtis Turbine”. W Jordanii John (red.). Okręt wojenny 2019 . Oxford: Wydawnictwo Osprey. s. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
  • Thurston, RH (1878). Historia rozwoju silnika parowego . Nowy Jork: D Appleton and Co.
  • Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (w języku niemieckim). Springer Verlag : Berlin, Heidelberg, Nowy Jork.
  • Waliullah, Nouszad (2017). „Przegląd technologii skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) i jej możliwości w Bangladeszu”. 2017 Międzynarodowa Konferencja Inżynierii Elektrycznej, Komputerowej i Komunikacyjnej (ECCE) . CUET. s. 844-849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020 . ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID  42153522 .

Linki zewnętrzne