Turbina parowa - Polski Serwis Naukowy

Turbina parowa – turbina, w której czynnikiem obiegowym jest para wodna. Pierwowzorem turbiny parowej była bania Herona. Jest to silnik (maszyna cieplna) wykorzystujący energię cieplną pary wodnej, wytworzonej zwykle w kotle parowym lub wytwornicy pary, do wytworzenia energii mechanicznej, odprowadzanej wałem do innej maszyny, np. generatora elektrycznego.

Wał – część maszyny, najczęściej w kształcie walca, obracająca się wokół własnej osi wraz z zamocowanymi na niej elementami, służąca do przenoszenia momentu obrotowego. Na wale mogą być osadzone: koła zębate, piasty, tarcze hamulcowe itp.

Maszyna parowa to parowy silnik tłokowy. Czasem do maszyn parowych zalicza się pompy parowe powstałe przed silnikiem tłokowym. Za wynalazcę maszyny parowej uważa się Jamesa Watta, który w 1763 roku udoskonalił atmosferyczny silnik parowy zbudowany wcześniej przez T. Newcomena.

Zasada działania

Przepływ gazu przez turbinę wiąże się ze spadkiem jego entalpii (energii potencjalnej). W myśl zasady zachowania energii entalpia ta zamieniana jest w inną formę energii, a konkretnie w energię mechaniczną odprowadzaną wałem do maszyny napędzanej. Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że nie można skonstruować silnika cieplnego w całości zamieniającego dostarczone ciepło na pracę, co w praktyce oznacza, że turbiny parowe oprócz użytecznej pracy zawsze oddają do otoczenia ciepło, które jeśli nie jest wykorzystane, staje się ciepłem odpadowym. Stanowi to podstawę skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w elektrociepłowniach.

ORP Wicher (II) – polski niszczyciel radzieckiego projektu 30bis (typu Smiełyj / ozn. NATO Skoryi), w służbie polskiej Marynarki Wojennej w latach 1958-1974. Był drugim okrętem o tej nazwie, po niszczycielu z 1930.

Turbina parowa przeciwprężna jest turbiną parową, na wylocie z której para wodna ma wyższe ciśnienie, niż w przypadku turbiny kondensacyjnej. Dzięki wyższemu ciśnieniu pary na wylocie z turbiny możliwe jest wykorzystanie ciepła skraplania pary, którego wartość jest bardzo wysoka. W turbinach kondensacyjnych prawie całe ciepło skraplania wyrzucane jest do otoczenia, co stanowi istotną stratę energii, obniżającą w istotny sposób sprawność całkowitą układu. W siłowniach z turbinami przeciwprężnymi strata ta jest znacznie mniejsza, a ciepło skraplania wykorzystywane jest do celów grzewczych.

Moc turbiny bez upustów regeneracyjnych określa się wzorem: $P=G \cdot \left( h_0- \left( h_2+\frac{c_2^2}2 \right) \right) \cdot \eta _m$

gdzie: P – moc, [ W ], G – wydatek masowy, [ kg/s ], h0 – entalpia pary na wlocie do turbiny, [ J/kg ], h2 – entalpia pary na wylocie z turbiny, [ J/kg ], c2 – prędkość pary na wylocie z turbiny, [ m/s ] ηm – sprawność mechaniczna.

W przypadku turbin wielostopniowych wzór ten może być stosowany zarówno do poszczególnych stopni, jak i całej turbiny. W obliczeniach dotyczących turbin upustowych należy jednak pamiętać, że w poszczególnych stopniach zmienia się wydatek masowy.

Pompa jest urządzeniem służącym do wytworzenia różnicy ciśnień między stroną ssawną (wlotem do pompy) a tłoczną (wylotem z pompy), umożliwiającej transport cieczy lub osadów. Działanie pompy polega na przekazaniu cieczy siły mechanicznej przez wirnik, tłok lub membranę, celem jej sprężenia.

Prądnica, generator elektryczny – maszyna elektryczna (dawne nazwy: dynamo-maszyna, dynamo) zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Odbywa się to na skutek względnego ruchu przewodnika i zewnętrznego pola magnetycznego.

W obliczeniach często pomocna okazuje się sprawność wewnętrzna, którą w przypadku turbiny można określić wzorem: $\eta _i={h_0-h_2\over h_0 - h_{2t}}$

gdzie: h0-h2t to teoretyczny spadek entalpii przy takim samym, jak w rzeczywistości, spadku ciśnienia podczas analogicznej przemiany izentropowej (adiabata odwracalna jest jednocześnie izentropą).

Ponieważ turbina cieplna składa się z kolejno po sobie następujących stopni, więc obliczenia energetyczne turbiny sprowadzają się do obliczeń poszczególnych stopni. Moc całkowita turbiny jest sumą mocy poszczególnych stopni. Stopień turbiny składa się z nieruchomego wieńca kierowniczego, związanego na stałe z korpusem, i wieńca wirnikowego, związanego z obracającym się wałem. W wieńcu kierowniczym następuje zamiana entalpii czynnika na jego energię kinetyczną, w wieńcu wirnikowym zaś zamiana energii kinetycznej na mechaniczną. W stopniu jako całości następuje zamiana entalpii czynnika na energią mechaniczną.

Turbina (z łac. turbo, burza, trąba powietrzna) – silnik przepływowy wykorzystujący energię przepływającego płynu do wytwarzania energii mechanicznej. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są specjalnie ukształtowane łopatki.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Różnica między parą wodną a innym gazem (np. spalinami) jest niewielka i polega przede wszystkim na większym cieple właściwym. Układ siłowni parowej różni się od gazowej temperaturą i ciśnieniem czynnika roboczego na wlocie do turbiny. Optymalne ciśnienie spalin na wlocie do turbiny w układzie gazowym jest kilkakrotnie niższe, niż w układzie parowym. Ponadto uzyskanie wysokiego ciśnienia wody jest znacznie łatwiejsze i mniej energochłonne niż powietrza (pompa zamiast sprężarki). Także ciśnienie czynnika na wylocie z turbiny jest w większości przypadków różne. W siłowni gazowej ciśnienie to jest zwykle zbliżone do ciśnienia otoczenia, natomiast w siłowni parowej możliwe jest uzyskanie ciśnienia znacznie niższego od otoczenia (tzw. próżnia w skraplaczu). Znacznie większa różnica ciśnień w siłowni parowej oraz większe ciepło właściwe pary wodnej, niż gazów spalinowych powodują, że w turbinie parowej może być zrealizowany znacznie większy spadek entalpii czynnika, niż w turbinie gazowej. Wynika z tego, że turbiny parowe mają znacznie większą liczbę stopni, na poziomie kilkudziesięciu. Turbina gazowa ma zwykle kilka stopni.

Okręt – zwykle uzbrojona jednostka pływająca w służbie państwa, tj. jego sił zbrojnych – marynarki wojennej pod banderą wojenną, przeznaczona do wykonywania zadań bojowych. Także duży statek.

Turbina parowa kondensacyjna jest turbiną parową stosowaną przy produkcji energii elektrycznej w elektrowniach kondensacyjnych. Para opuszczająca turbinę pod bardzo niskim ciśnieniem (tzw. próżnia w skraplaczu) kierowana jest do skraplacza (kondensatora), w którym ulega skropleniu. Ciepło oddane przez parę w procesie kondensacji tracone jest do otoczenia, bo skraplacz jest chłodzony wodą z rzeki, jeziora, morza lub cyrkulującą w obiegu zamkniętym (zobacz: chłodnia kominowa).

Duża liczba stopni turbiny parowej powoduje, że konieczny staje się podział wirnika turbiny na kilka części połączonych ze sobą sprzęgłem. Zbyt długi wał wirnika byłby za mało sztywny, co powodowałoby zbyt duże ugięcia i problemy dynamiczne (związane zwłaszcza z drganiami). Podział wału wirnika na kilka części, z których każda jest odpowiednio ułożyskowana na własnych łożyskach, pozwala na uzyskanie odpowiedniej sztywności elementów wirujących. Zwykle każda część wału ma także osobny korpus. Mamy więc do czynienia z jakby niezależnymi turbinami, których wały połączone są sprzęgłami i napędzają zwykle jeden wspólny generator.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Ze względu na sposób zamiany entalpii czynnika na energię mechaniczną w stopniu można wyróżnić stopnie:

akcyjne, w których znaczna większość entalpii czynnika zamieniana jest w kierownicy na energię kinetyczną, która w wirniku zamieniana jest z kolei na energię mechaniczną;

reakcyjne, w których zarówno w kierownicy jak i w wirniku zamieniana jest entalpia na energię kinetyczną, z czym wiąże się generowanie mocy mechanicznej w ruchomym wieńcu wirnikowym.

Jeśli turbina składa się ze stopni akcyjnych, to nazywana jest akcyjną, jeśli z reakcyjnych – reakcyjną. W wielu przypadkach część stopni turbiny to stopnie akcyjne, a część – reakcyjne. Trudno wtedy jednoznacznie zakwalifikować turbinę do jednej z grup.

Parowóz (lokomotywa parowa) – lokomotywa napędzana maszyną parową lub turbiną parową. Para pochodzi z kotła opalanego węglem i drewnem, rzadziej ropą czy mazutem, a w parowozach bezogniowych z zasobnika pary.

Kogeneracja (także skojarzona gospodarka energetyczna lub CHP - Combined Heat and Power) jest to proces technologiczny jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej w elektrociepłowni. Ze względu na mniejsze zużycie paliwa, zastosowanie kogeneracji daje duże oszczędności ekonomiczne i jest korzystne pod względem ekologicznym - w porównaniu z odrębnym wytwarzaniem ciepła w klasycznej ciepłowni i energii elektrycznej w elektrowni kondensacyjnej.

W zależności od ciśnienia pary w poszczególnych częściach turbiny wyróżnia się część wysokoprężną, średnioprężną i niskoprężną. Para po rozprężeniu w części wysokoprężnej doprowadzana jest do średnioprężnej, i dalej ze średnioprężnej do niskoprężnej. Z części niskoprężnej odprowadzana jest już do skraplacza, gdzie następuje jej całkowite skroplenie i nieznaczne przechłodzenie kondensatu.

Układ gazowo-parowy (ang. Combined Cycle) jest połączeniem układu turbiny gazowej i turbiny parowej. Spaliny za turbiną gazową mają stosunkowo wysoką temperaturę (500-700 °C). W prostym układzie turbiny gazowej są one wyrzucane do otoczenia, a ich entalpia o stosunkowo wysokiej wartości stanowi stratę wylotową. Natomiast w układzie gazowo-parowym spaliny te są wykorzystywane do wytworzenia pary w wytwornicy pary (kotle odzyskowym).

Energia mechaniczna — suma energii kinetycznej i potencjalnej. Jest postacią energii związaną z ruchem i położeniem obiektu fizycznego (układ punktów materialnych, ośrodka ciągłego itp.) względem pewnego układu odniesienia.

Z powodu wysokiego ciśnienia pary na wlocie do turbiny (a właściwie w całej części wysokoprężnej) konieczne jest (ze względów wytrzymałościowych) stosowanie grubych ścianek elementów doprowadzających czynnik do turbiny oraz korpusu turbiny. Wraz ze spadkiem ciśnienia w kolejnych stopniach konstrukcja staje się coraz „lżejsza”.

Sprzęgło to urządzenie stosowane w budowie maszyn do łączenia wałów w celu przekazywania momentu obrotowego. Inaczej jest to zespół części służących do połączenia dwóch niezależnie obrotowo osadzonych wałów, czynnego – napędowego i biernego – napędzanego, w celu przeniesienia momentu obrotowego.

Energia potencjalna – energia jaką ma układ ciał umieszczony w polu sił zachowawczych [1], wynikająca z rozmieszczenia tych ciał. Równa jest pracy, jaką trzeba wykonać, aby uzyskać daną konfigurację ciał, wychodząc od innego rozmieszczenia, dla którego umownie przyjmuje się jej wartość równą zero[2]. Konfigurację odniesienia dla danego układu fizycznego dobiera się zazwyczaj w ten sposób, aby układ miał w tej konfiguracji minimum energii potencjalnej. Podobnie jak pracę, energię potencjalną mierzy się w dżulach [J].

Jednym ze sposobów podnoszenia sprawności siłowni cieplnej jest przegrzew wtórny czynnika. Jest to realizowane między częścią wysokoprężną a średnioprężną turbiny. Para wodna po opuszczeniu części wysokoprężnej kierowana jest z powrotem do kotła celem podniesienia temperatury i entalpii a następnie trafia do części średnioprężnej. W wyjątkowych przypadkach, w największych elektrowniach parowych, stosowane są dwa przegrzewy wtórne.

Skraplacz, kondensator – urządzenie, którego zadaniem jest zamiana gazów w ciecze, czyli skraplanie. Jest zwykle elementem składowym większych instalacji technologicznych lub energetycznych.

Natężenie przepływu - miara ilości płynu, substancji, mieszaniny, przepływającego przez wyodrębnioną przestrzeń, obszar lub poprzeczny przekrój w jednostce czasu.

Innym sposobem podnoszenia sprawności siłowni cieplnej jest stosowanie regeneracyjnego podgrzewu wody zasilającej przed dopływem do kotła parowego. Woda podgrzewana jest parą odprowadzaną z upustów turbiny.

Wirnik turbiny parowej Parsonsa z ORP Wicher (II) w skansenie broni morskiej na Helu.

Zastosowanie turbin parowych

Turbina parowa jest podstawową maszyną wytwarzającą moc mechaniczną wykorzystywaną do napędu generatorów elektrycznych w elektrowniach parowych (przede wszystkim węglowych i jądrowych, znacznie rzadziej geotermalnych czy solarnych), elektrociepłowniach i układach gazowo-parowych. Fakt ten stawia ją na pierwszym miejscu wśród maszyn nakręcających rozwój gospodarczy (wiek XIX – maszyna parowa, wiek XX i XXI – turbina parowa). Bez istnienia turbiny parowej wystąpiłby prawdopodobnie deficyt energii elektrycznej na świecie.

Przemiana izentropowa lub izoentropowa – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej entropii właściwej. Odgrywa ona w technice stosunkowo dużą rolę, ponieważ może być jednocześnie adiabatą odwracalną (beztarciową, idealną). Izentropa może być także przemianą rzeczywistą, w której od czynnika odbierane jest ciepło równe ciepłu wewnętrznemu przemiany (ciepłu powstającemu wewnątrz czynnika w wyniku tarcia wewnętrznego). W rzeczywistości przemiana izentropowa jest praktycznie niespotykana, jednak w teorii maszyn cieplnych odgrywa istotną rolę. Jako adiabata odwracalna przewija się szczególnie w teorii sprężarek przepływowych i turbin cieplnych.

Śruba okrętowa – rodzaj pędnika o napędzie mechanicznym, jeden ze sposobów napędzania statku wodnego – przetwarza ruch obrotowy wału śrubowego na siłę naporu poruszającą statek.

Na statkach i okrętach do napędu pędników (Śruba okrętowa, Koło łopatkowe) bądź innych urządzeń.

Na statkach (np. na Titanicu) często stosowana była łącznie z maszyną parową jako stopień niskiego ciśnienia. Para wylotowa zza turbiny może być wykorzystywana w elektrociepłowniach do podgrzewania wody użytkowej lub w innych zakładach do celów przemysłowych.

W pierwszej połowie XX. wieku próbowano napędzać lokomotywy parowe przy użyciu turbin parowych. Próby były jednak nieudane z powodu bardzo niskich sprawności tych maszyn w zakresie małych prędkości obrotowych.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

Metr to jednostka podstawowa długości w układach: SI, MKS, MKSA, MTS, oznaczenie m. Metr został określony 26 marca 1791 roku we Francji, ze względu na potrzebę korzystania z dziesiętnego systemu miar[potrzebne źródło]. W myśl definicji zatwierdzonej przez XVII Generalną Konferencję Miar i Wag w 1983 jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.

W elektrowniach współczesnych stosowane są także do napędu pompy zasilającej. Są bowiem najlepszym źródłem mocy mechanicznej, odprowadzanej wałem przy prędkościach obrotowych znacznie wyższych od prędkości synchronicznej maszyn elektrycznych, dzięki czemu pompy mają mniejsze wymiary i większą sprawność.

Sekunda (łac. secunda – następna, najbliższa) – jednostka czasu, jednostka podstawowa większości układów jednostek miar np. SI, MKS, CGS – oznaczana s (bez kropki na końcu).

Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

Turbiny parowe dzieli się również ze względu na wykorzystanie pary odlotowej na przeciwprężne i kondensacyjne. W turbinach kondensacyjnych para odlotowa nie jest w żaden sposób wykorzystywana, a ciepło jej skraplania jest odprowadzane do otoczenia i stanowi czystą stratę energii. Można ją zmniejszyć stosując zamiast wody ciecze organiczne, których ciepło parowania jest znacznie mniejsze, jednak komplikuje to znacznie układ i prowadzi do powstawania innych problemów, trudnych do ominięcia.

Kilogram – jednostka masy, jednostka podstawowa układu SI, oznaczana kg. Jest to masa międzynarodowego wzorca (walca o wysokości i średnicy podstawy 39 mm wykonanego ze stopu platyny z irydem) przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres koło Paryża. Wzorzec kilograma został usankcjonowany uchwałą I Generalnej Konferencji Miar (Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) w 1889.

Ciepło parowania (oznaczane L) - ilość energii potrzebnej do odparowania jednostki masy danej substancji, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układzie SI jednostką ciepła parowania jest J/kg. Stosuje się też jednostkę J/mol.

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Turbina parowa