Garo ir Dujų Turbinų Veikimo Principas ir Skirtumai

Šiuolaikinėje energetikoje garo ir dujų turbinos yra pagrindiniai šiluminiai varikliai. Jos plačiai naudojamos tiek šiluminėse, tiek atominėse elektrinėse, aviacijoje, laivyboje ir geležinkeliuose. Turbinos yra varikliai, kuriuose potencinė garo arba dujų energija paverčiama kinetine srauto energija, o ši, savo ruožtu, paverčiama mechanine turbinos veleno sukimosi energija.

Turbinų istorija ir raida

Garo turbinų, kaip ir kitų garo variklių, pirmtaku laikomas apie 100 metų prieš Kristų Egipto mokslininko Hero iš Aleksandrijos sukurtas reaktyvinis variklis. Vėliau, 1629 metais, italų inžinierius Dž. Brankas išrado aktyviąją garo turbiną, kuri sėkmingai suko jo malūną. Pirmoji dujų turbina atsirado 1791 metais, anglui Dž. Barberiui užpatentavus dujų turbinos ciklą ir konstrukciją.

Pirmąją pramoninę garo turbiną 1883 metais įrengė švedų inžinierius G. Lavalis. Tai buvo ašinė, vienpakopė, aktyvioji (impulsinė) turbina, pasižyminti labai dideliais sūkiais (daugiau nei 500 aps./s), bet nedidele galia (mažiau nei 500 kW). 1884 metais anglų inžinierius Č. Parsonsas pasiūlė daugiapakopės reaktyviosios turbinos su slėgio pakopomis idėją. 1896 metais prancūzas A. Rato išrado daugiapakopę aktyviąją turbiną, o amerikietis Č. Kertis užpatentavo pirmąją daugiapakopę garo turbiną su greičio pakopomis. Pirmąją šiuolaikinę dujų turbiną suprojektavo F. Štolcas 1872 metais.

Šiuolaikinės galingos turbinos gaminamos ne tiktai daugiapakopės, bet ir kelių skirtingo slėgio cilindrų. Garo turbinų galia siekia 1700 MW ir daugiau, dujų turbinų galia būna 340 MW ir didesnė.

Garo jėgainės ciklas

Garo jėgainės paprastai dirba Renkino ciklu. Šis ciklas sudarytas iš dviejų izobarų, adiabatės ir izochoros. Principinė garo jėgainės schema apima garo katilą, garo perkaitintuvą, garo turbiną, elektros generatorių, garo kondensatorių ir maitinimo (kondensato) siurblį.

Renkino ciklo terminis naudingumo koeficientas apskaičiuojamas pagal formulę: ηt = (q1 - q2) / q1. Teikiama šiluma (q1) lygi perkaitintojo garo entalpijos (h1) ir kondensato entalpijos po siurblio (h3) skirtumui: q1 = h1 - h3. Šalinama šiluma (q2) lygi garo entalpijos po išsiplėtimo turbinoje (h2) ir kondensato entalpijos (h'2) skirtumui: q2 = h2 - h'2.

Turbokompresoriaus veikimo principas

Vienas paprasčiausių būdų padidinti variklio galingumą yra padidinti sudeginamo oro ir degalų kiekį. Turbokompresorius, arba turbina, yra prietaisas, varomas išmetamųjų dujų, kuris sujungtas velenu su kompresoriumi, pumpuojančiu orą į variklį. Didesnis oro kiekis cilindre leidžia sudeginti daugiau degalų viename variklio cikle, o tai padidina galią ir efektyvumą. Šis procesas išnaudoja energiją, kuri kitaip būtų prarandama, todėl turbina tampa efektyviu būdu padidinti variklio našumą.

Turbokompresoriaus sandara

Turbokompresorius susideda iš kelių pagrindinių dalių:

• Turbinos korpusas ir rotorius: Turbina sukasi naudodama panaudotų dujų srovės energiją. Jos sukimosi greitis priklauso nuo korpuse esančio kanalo dydžio ir formos. Turbinos korpusai smarkiai skiriasi priklausomai nuo naudojimo srities. Didelių matmenų turbokompresoriuose dažnai įmontuojamas papildomas žiedas su nukreipiamosiomis mentėmis, palengvinantis dujų srovės sukūrimą rotoriuje ir leidžiantis reguliuoti srovę. Korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio.
• Kompresoriaus korpusas ir rotorius: Kompresorius įtraukia per oro filtrą šviežią orą, suspaudžia jį ir išleidžia į variklio įleidžiamąjį kolektorių. Jo dydį nulemia varikliui reikalingo oro kiekis ir turbinos sukimosi greitis. Kompresoriaus rotorius stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies ir sukasi tokiu pat greičiu.
• Ašies korpusas: Centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose, tepamuose variklio alyva. Naujesnėse konstrukcijose guolis nejuda, o ašis sukasi alyvos vonelėje.
• Sandarinimo elementai: Iš abiejų pusių įmontuojamos alyvą sulaikančios tarpinės ir sandarinimo žiedai, kurie padeda išvengti alyvos nuotėkio ir apsunkina oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso.

Turbinos darbo teorija

Turbinos veikimo principas remiasi idealių dujų dėsniu, kuris teigia, kad dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję: suspaudžiant dujas, jų temperatūra kyla, o leidžiant dujoms plėstis, jų temperatūra ir slėgis mažėja. Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.

Išmetamųjų dujų turbiną varo ne tik kinetinė dujų energija, atsitrenkianti į turbinos sparnelius, bet ir didžioji dalis energijos gaunama iš dujų temperatūros ir slėgio. Išmetimo dujos iš cilindrų patenka į turbinos įėjimą, kur nedaug vietos. Šiame taške dujos turi labai didelius slėgimą ir temperatūrą, t. y. daug energijos. Pro difuzorių dujos patenka į turbinos vidų, kur iš mažos ertmės jos plečiasi į didelę. Plečiantis dujoms, jos vėsta, krenta jų greitis ir visa energija atiduodama turbinos sparneliams, verčiant turbiną suktis.

Turbinos atliekamas darbas yra tiesiogiai susijęs su slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidinus įėjimo slėgimą, sumažinus išėjimo, arba pakeitus abu, gaunama daugiau galios. Sumažinti išėjimo slėgį galima sumontavus didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui.

Kompresoriaus veikimas

Kompresorius veikia atvirkščiai nei turbina. Jis ima žemo slėgio dujas, atlieka su jomis darbą, suspausdamas jas kompresoriaus sparneliais, ir gauna didelio slėgio bei aukštos temperatūros dujas kompresoriaus išėjime. Suspaudimo metu atsirandantis temperatūros padidėjimas yra nepageidautinas ir gali sukelti problemų, tokių kaip detonacija.

Garo turbinų tipai ir veikimas

Garo turbinos skirstomos pagal veikimo principą:

• Aktyviosios (impulsinės) turbinos: Jose garas išplečiamas tūtos (purkštuko) kanaluose, gaunama didelio greičio srovė, kuri atsitrenkia į darbo menčių paviršių ir verčia rotorių suktis. Šios turbinos dažnai yra daugiapakopės, su greičio arba slėgio pakopomis.
• Reaktyviosios turbinos: Jose garas plečiasi tiek tūtose, tiek ir ant darbo menčių. Garui tekant per menčių kanalus, padidėja garo greitis, o dėl reaktyvinės jėgos mentės verčiamos suktis. Č. Parsonsas pasiūlė daugiapakopės reaktyviosios turbinos su slėgio pakopomis idėją.
• Radialinės turbinos: Jose garas teka radialine kryptimi per rotoriaus mentes.

Garo turbinos gali būti vienpakopės arba daugiapakopės. Daugiapakopės turbinos padeda sumažinti naudingiausią periferinį greitį, kuris yra būtinas efektyviam turbinos darbui. Tam naudojamos greičio pakopos ir slėgio pakopos.

Dujų turbinos ir jų ciklos

Dujų turbinos veikia panašiu principu kaip garo, tačiau darbinė medžiaga yra dujos (oro ir degalų mišinio degimo produktai). Jų ciklas apima oro suspaudimą kompresoriuje, degalų įpurškimą ir deginimą degimo kameroje, karštų dujų plėtimąsi turbinoje ir išmetimą.

Dujų turbinų ciklai yra sudėtingesni ir atsižvelgia į vidinius nuostolius. Dujų turbinos įrenginio naudingumo koeficiento didinimo būdai apima oro aušinimą prieš kompresorių, dujų aušinimą tarp turbinų pakopų, regeneraciją (šilumos atgavimą iš išmetamųjų dujų) ir kt.

Turbinų privalumai ir trūkumai

Garo turbinų privalumai:

• Aukštas efektyvumas: ypač galinguose kondensaciniuose įrenginiuose.
• Didelė galia: galimybė pasiekti labai dideles galias.
• Patikimumas: ilgas tarnavimo laikas ir stabilus darbas.

Garo turbinų trūkumai:

• Sudėtinga paleidimo procedūra: reikia laiko ir tam tikrų sąlygų.
• Dideli matmenys ir svoris: ypač didelės galios turbinoms.
• Kondensacinės sistemos poreikis: reikalingas didelis kiekis aušinimo vandens.

Dujų turbinų privalumai:

• Kompaktiškumas ir mažas svoris: lyginant su garo turbinomis tos pačios galios.
• Greitas paleidimas: daug greitesnis paleidimas nei garo turbinų.
• Manevringumas: greitai reaguoja į apkrovos pokyčius.
• Lankstumas degalams: gali veikti su įvairiais skystais ir dujiniais degalais.

Dujų turbinų trūkumai:

• Mažesnis naudingumo koeficientas: lyginant su garo turbinomis, ypač prie mažų apkrovų.
• Aukšta išmetamųjų dujų temperatūra: reikalingos karščiui atsparios medžiagos.
• Didelis oro suvartojimas: reikalingi galingi kompresoriai.

Svarbūs elementai turbokompresorių sistemose

Norint užtikrinti efektyvų ir patikimą turbokompresoriaus darbą, sistemoje naudojami papildomi elementai:

• Interkūleris (oro aušintuvas): Tai radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio, aušinamas aplinkinio oro srautu. Jo paskirtis - atvėsinti suspaustą orą, išeinantį iš kompresoriaus, kad į variklį patektų daugiau deguonies molekulių, o ne tik padidintas slėgis. Taip sumažinama detonacijos rizika ir padidinama variklio galia.
• Wastegate (išmetimo dujų apeinamasis vožtuvas): Tai vožtuvas, atsidarantis pasiekus tam tikrą oro slėgį ir praleidžiantis išmetamąsias dujas aplink turbiną, o ne per ją. Taip sumažinamas slėgių skirtumas tarp turbinos įėjimo ir išėjimo, sulėtinamas turbinos sukimas ir kontroliuojama variklio galia.
• BOV (Blow-Off Valve arba vožtuvas išmetimui): Šis vožtuvas montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės. Jis išleidžia suspausto oro perteklių, kai droselio sklendė užsidaro (pvz., atleidus akceleratoriaus pedalą). Tai apsaugo kompresoriaus mentes ir veleno guolius nuo smūgio bangos, kuri atsiranda orui atsitrenkus į uždarytą sklendę, ir padeda išlaikyti turbinos sūkius.

Nuostoliai garo turbinose

Turbinų veikimo efektyvumą mažina įvairūs nuostoliai, skirstomi į vidinius ir išorinius:

Vidiniai nuostoliai:

• Nuostoliai tūtose: atsiranda dėl trinties ir srauto atsiskyrimo tūtų kanaluose.
• Nuostoliai ant darbo menčių: atsiranda dėl garo trinties į mentes ir srauto sūkuriavimo.
• Ištekėjimo nuostoliai: susiję su nepanaudota garo kinetine energija, išeinančia iš turbinos.
• Trinties-ventiliacijos nuostoliai: sukeliami besisukančių menčių trinties su aplinkiniu garu ir oro sūkuriavimo.
• Nuostoliai per vidaus tarpelius: atsiranda dėl garo nuotėkio per tarpus tarp rotoriaus ir statoriaus.

Išoriniai nuostoliai:

• Mechaniniai nuostoliai: atsiranda dėl trinties guoliuose ir mechaniniuose sandarinimuose.
• Garo nuotėkio per išorinius sandarinimus nuostoliai: garas prarandamas per netobulus sandarinimus.
• Aštraus garo įleidimo į turbiną nuostoliai: susiję su slėgio kritimu ir energijos praradimu garui patenkant į turbiną.

Turbinų velenai ir jų priežiūra

Turbinų velenai yra kritiškai svarbi dalis, jungianti turbiną ir kompresorių. Jų ekscentricitetas ir įlinkis gali turėti didelės įtakos turbinos veikimui. Kadangi turbinos veikia itin aukštoje temperatūroje, svarbu užtikrinti, kad karštis nepakenktų metalinėms detalėms. Ypač svarbu reguliariai keisti variklio alyvą, ypač jei naudojami pigesni, pusiau sintetiniai tepalai - tai reikėtų daryti kas 5000 kilometrų, kad išvengtumėte alyvos apnašų susidarymo, galinčių pažeisti turbinos veleną. Naudojant sintetinę alyvą ir keičiant ją kas 10 000 kilometrų, galima sumažinti šią riziką. Be to, po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apkrovomis, iškart neišjungus variklio gali kilti perkaitimo pavojus.

tags: #garo #ir #duju #turbinos