Что такое турбины ограниченной мощности

Ерёмин Б.М. «Турбины с противодавлением и как обеспечивается промышленная безопасность при их использовании»

Ерёмин Борис Михайлович,
технический директор АНО «ДИЭКС»

Турбины с противодавлением и как обеспечивается промышленная безопасность при их использовании

В работе подробно описывается принцип работы турбины с противодавлением, предлагаются формулы по определению необходимых параметров и указываются требования промышленной безопасности при ее использовании.

Турбина с противодавлением

В профессиональном мире под турбинами понимают ротативный тепловой двигатель, который способен беспрерывно преобразовывать тепловую энергию рабочего вещества в механическую. Такая турбина состоит из двух составляющих:

Ротор — вращающаяся часть.

Статор — неподвижная часть.

Чтобы работа турбины была возможна необходимо, чтобы соблюдалось одно главное условие — наличие разности в давлениях между рабочими лопатками и сопловым аппаратом.

В современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не отдельно от конденсационных, а параллельно с ними. В этом случае турбина противодавления вырабатывает то количество энергии, которое определяется расходом пара. Нет необходимости устанавливать на одном объекте конденсационные турбины, достаточно, чтобы оба вида агрегатов были включены в единую сеть. К сожалению, мощность турбины с противодавлением определена нагрузкой потребителя, что существенно ограничивает область их использования.

Устанавливать такое оборудование стоит там, где оно сможет работать с постоянной нагрузкой, к примеру, в северных районах, когда тепловое потребление практически не прекращается. Если рассматривать с конструкционной стороны разницу между конденсационной турбиной и с противодавлением, то в последней нет ступеней, работающих в области низкого давления.

Графически изобразить схему установки турбины с противодавлением можно следующим образом:

1 — турбина с противодавлением;

2 — конденсационная турбина;

3 — редукционно-охладительная установка.

В нашем случае пар выходит из парогенератора с Р0 давлением, затем идет в турбину, здесь наблюдается его расширение до давления Рп. далее пар отправляется в сетевые подогреватели, а отсюда к потребителю тепла. Если говорить о промышленных целей, то пар используется с давлением от 0,4 до 0,7 МПа, а в некоторых случаях и до 1,8 МПа.

Мощность используемой турбины можно рассчитать по формуле:

где G — расход свежего пара;

H0 — располагаемый теплоперепад;

Ƞоэ — относительный электрический КПД, равный отношению электрической мощности к мощности идеальной турбины.

Именно потому, что Ƞоэ при неизменных процессах зависит от пропуска пара сквозь турбину, мощность будет определяться исключительно из расхода пара, проходящего через нее.

Использование этого типа оборудования совместно с конденсационным связано с тем, что работая изолированно турбины с противодавлением не могут обеспечить одновременно потребителя электроэнергией и теплом. при совместной работе ответственность за электроэнергию в большей степени берет на себя компенсационное оборудование.

Как правило, давление пара в данном случае приходится поддерживать все время постоянным. Уравнение расходов, которое будет связывать противодавление и тепловую нагрузку, в данном случае будет иметь вид:

где V — емкость паропровода, ведущего от турбины к тепловому потребителю;

G1 — секундный расход пара, проходящего через систему регулирующих клапанов турбины;

G2 — секундный расход пара, отводимый к потребителю;

P и T — давление и температура отработавшего в турбине пара.

Наше уравнение демонстрирует что давление отработавшего пара будет неизменным лишь тогда, когда количество пара прошедшего через турбин G1,у, равно количеству пара поступающему к потребителю G2. Если G1>G2, то dP/dt>0, то есть давление растет и наоборот, если G1 0, где Р0 —давление свежего пара, Р2 — давление в выходном патрубке, тем сильнее сказывается потеря пара в регулирующем клапане при недогрузке оборудования.

Поскольку в ТПД отношение Р20 велико, дроссельное парораспределение применять не рекомендуется. Чем выше Р20, тем большее число клапанов необходимо устанавливать.

Важно отметить, что использование соплового распределения еще не оправдывает характер экономичности при полной нагрузке турбины. Коэффициент полезного действия ТПД при недозагрузке лучше сохраняется при большем теплоперепаде для регулирующей степени. Если имеется идеальное парораспределение, то и перепад ступни будет постоянным независимо от нагрузки, а следовательно отношение скоростей тоже не меняется U/Сф, U — окружная скорость рабочей решетки U= Wd/2.

Где W — угловая скорость рабочих лопаток;

d — диаметр ступени;

Сф — фиктивная скорость.

Использование установок с одной степенью стало востребовано с агрегатами, у которых небольшие теплоперепады, работающих в условиях большой переменной нагрузки. Если необходима в условиях создания котельных турбина с большой мощностью, устанавливать такое оборудование нельзя, одной ступни может быть недостаточно. Если мы будем говорить конкретно о производственных мощностях, то там чаще всего используется одна регулируемая ступни и последующие нерегулируемые. Получается, что многоступенчатая конструкция одна из наиболее безопасных и востребованных в промышленных масштабах.

В рамках таблицы можно рассмотреть параметры комбинированной установки для мини-ТЭЦ, которая состоит из нескольких котлов ДКВр и ДЕ, бутанового контура и противодавленческой турбины.

Источник

Что такое турбированный двигатель

Содержание

  1. Основные отличия турбированного двигателя от атмосферного
  2. Особенности турбированных двигателей
  3. Как работает турбина
  4. Турбированный двигатель, плюсы и минусы
  5. Отличие от механического нагнетателя

Современные тенденции автопроизводителей сделали ставку на компактный турбированный двигатель. Это дало ряд преимуществ, среди которых компактность, экономичность, экологичность и максимальный КПД при малых объемах.

Основные отличия турбированного двигателя от атмосферного

Если атмосферный двигатель подразумевает впуск воздуха посредством разряжения, созданным поршнем, то с турбированным мотором все иначе. Для максимально эффективного сгорания топлива необходимо большое количество воздуха, чего невозможно добиться от атмосферника, поэтому нужно было воздух, в большом объеме, «затолкать».

В атмосферном силовом агрегате крутящий момент и мощность во многом зависит от объема цилиндров, что и стало основным отличием от турбомоторов.

Особенности турбированных двигателей

Принцип работы турбины состоит в принудительном нагнетании воздуха под давлением в цилиндры. Такое действие позволяет увеличить рабочий объем камеры сгорания за счет сильного сжатия, поэтому при равном объеме двигателя, разница в мощности между атмосферником и турбомотором колоссальная.

Главные предпосылки появления турбированных моторов:

  • Невозможность существенного увеличения мощности без увеличения объема и количества цилиндров (отсюда мы имеем агрегаты V8 и V12)
  • «Выжимание» максимальной мощности с помощью уменьшения камеры сгорания увеличивает степень сжатия, а значит работа двигателя без детонации невозможна. Детонация разрушает поршни.
  • Любые манипуляции по увеличению мощности атмосферника увеличивают расход топлива, а также делают невозможным комфортную эксплуатацию во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изначально в массовое производство был запущен дизельный турбированный двигатель — такие моторы «наматывали» миллионы километров без особых проблем. В 80-х годах прошлого века среди легковых автомобилей начали появляться бензиновые турбоагрегаты.

Стоимость таких автомобилей существенно отличалась от обычных. До 90-х годов широко использовались механические нагнетатели, приводящиеся в движение через ремень от коленвала. Конструкция довольно проста и надежна, о чем свидетельствует яркий пример в лице двигателя Mercedes-Benz M111 E23 Compressor.

Позднее решено было переходить на турбокомпрессор, работающий от выхлопных газов, так как механический нагнетатель забирал значительную мощность на раскручивание лопастей.

Как работает турбина

Турбина состоит из двух частей:

  1. Холодная – всасывает и раскручивает впускной воздух,
  2. Горячая – раскручивается воздух посредством движения выхлопных газов.

В турбине установлен картридж с лопастями, которые от движения воздуха раскручиваются вплоть до 150 000 оборотов в минуту, создавая давление. Вращаются лопасти на подшипниках, а за смазывание и охлаждение отвечает подача масла с двигателя.

Так как при резком повышении давления воздух сильно нагревается, был изобретен интеркуллер, охлаждающий воздух до нужной температуры.

Во впускной магистрали установлен клапан, отвечающий за сброс избыточного давления впускного воздуха (Blow off), а также вестгейт, ограничивающий количество отработанных газов, попадающих в турбину, что позволяет избежать резкого роста повышения оборотов крыльчатки (простыми словами-ограничитель).

Работа турбины крайне проста: в горячую часть турбины попадают отработанные газы и раскручивают крыльчатку. В холодной части раскрученная крыльчатка всасывает большое количество воздуха, который проходит через интеркулер, и в охлажденном состоянии попадает в цилиндры. После того, как отработанные газы раскрутили турбину, они идут далее по выпускной магистрали.

Турбированный двигатель, плюсы и минусы

Сначала о преимуществах:

  1. Возможность с малого объема “выжать” большую мощность, зачастую это 100 л.с. на каждый литр объема.
  2. Крутящий момент уже с холостых оборотов дает уверенную тягу, но только в случае, если турбина маленькая, она раскручивается быстрее.
  3. Диапазон крутящего момента широкий.
  4. Расход топлива, при одинаковой мощности с атмосферным моторов, явно ниже.
  5. Возможность увеличивать мощность с помощью прошивки на 20-30% без вреда ресурсу и комфорту движения.
  1. Ресурс турбины современных авто едва достигает 100 тыс.км.
  2. Возникновение «турбоямы», процесса между провалом и резким набором скорости из-за ожидания раскрутки турбины.
  3. Стоимость ремонта дороже, обслуживать двигатель нужно чаще.
  4. Возрастает потребность в качественном масле и топливе.

Отличие от механического нагнетателя

Приводной нагнетатель широко используется на американских автомобилях с V-образными «восьмерками». Явной потери мощности не ощущается в силу большого объема, зато компрессор уже с холостых оборотов обеспечивает стабильный крутящий момент. К тому же, конструктивно приводной компрессор удобнее и дешевле, чем установка двух турбин.

Турбина, работающая от выхлопных газов, значительно повышает КПД, а его сопротивление приравнивается к 0, так как используется энергия отработанных газов.

У приводного компрессора есть два недостатка: повышенный шум работы и потери мощности на раскручивание.

Основной проблемой турбированного двигателя является незнание правильного ухода и обслуживания таких агрегатов. Турбомоторы требуют более частого внимания, в таком случае дорогой ремонт турбины можно отсрочить на долгие годы.

Источник

Поделиться с друзьями
Мощность и напряжение