Паровая и газовая турбины

Паровая турбина. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Г. Лавалем в 1889 г.. Ее мощность была меньше 4 кВт при частоте вращения ротора 500 об с. При конструировании паровой турбины надо решить две проблемы. Во-первых, следует добиться, чтобы внутренняя энергия пара в максимальной степени превращалась в кинетическую энергию струи, вырывающейся из сопла. Во-вторых, следует добиться, чтобы кинетическая энергия струи в максимальной степени передавалась лопаткам ротора турбины. Чтобы полнее использовать кинетическую энергию струи пара, турбины делают многоступенчатыми, насаживая на общий вал несколько роторов возрастающего диаметра. Из-за недостаточно большой скорости вращения пар отдает только часть своей кинетической энергии ротору меньшего диаметра. Затем пар, отработавший в первой ступени, направляется на второй ротор большего диаметра, где отдает его лопаткам часть оставшейся кинетической энергии, и т. д. Отработавший пар конденсируется в охладителе-конденсаторе, а теплая вода направляется в котел. КПД современных паровых турбин достигает 40%. Поэтому электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами.

Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580°С, а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С.

Газовые турбины – по сути являются двигателями внутреннего сгорания. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камер сгорания, газовой турбины и выпускного сопла. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата. При работе турбины ротор компрессора вращается, засасывая воздух; давление воздуха за первым рядом лопаток повышается. За первым рядом лопаток ротора расположен ряд лопаток неподвижного направляющего аппарата компрессора, с помощью которого изменяется направление движения воздуха и обеспечивается возможность его дальнейшего сжатия с помощью лопаток второй ступени ротора и т. д.. Несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5—7 раз. Процесс сжатия протекает почти адиабатно, поэтому температура воздуха значительно повышается, достигая 200°С и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо - керосин, мазут. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500—2200 °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущиеся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам ротора турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.

Отработавший воздух вместе с продуктами сгорания при давлении, близком к атмосферному, и температуре более 500 °С со скоростью более 500 м с выбрасывается в атмосферу либо (для повышения КПД) направляется в теплообменник, где отдает часть энергии на нагревание воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Цикл работы газовой турбины аналогичен циклу поршневого ДВС. Разница лишь в том, что в поршневом ДВС его четыре такта происходят последовательно во времени в одном месте — цилиндре, а в газовой турбине те же такты происходят одновременно в разных участках всасывание и сжатие воздуха - и компрессоре, сжигание топлива — в камере сгорания, рабочий ход - в турбине и выпуск - в выпускном сопле. КПД газотурбинных установок достигает 25 - 30%.