Топлотне турбомашине

Парне и гасне турбине

Топлотне турбомашине

• Топлотне турбомашине претварају топлотне и притисне енергије паре или гаса у механички рад - парне и гасне турбине, или обрнуто -турбокомпресори.
• У турбокомпресорима се врши обрнуто претварање: механичка енергија, која се доводи са стране, претвара се у притисну и топлотну енергију. Гас из турбокомпресора излази са повишеним притиском и температуром.
• Осим струјних процеса, у турбомашинама се дешавају и топлотни процеси и због тога су добиле назив - топлотне.
• Топлотне турбине производе рад, а турбокомпресорима се доводи рад од спољњег извора.

​

Разлика између парних и гасних турбина

• Разлика између парних и гасних турбина је у радном медијуму, који кроз њих протиче.
• Код парних турбина то је водена пара, а код гасних то је ваздух, продукти сагоревања или неки други гас.
• Постоје разлике у конструкцији, јер је ниво притиска виши код парних турбина.

​

Принципијелна шема рада аксијалне турбине и радијалне турбине

Уколико се струја флуида спроводи тако да не постоји компонента брзине у правцу полупречника, онда се такве машине називају аксијалним (слика 1). У случају да не постоји компонента брзине у правцу вратила, онда су такве турбомашине радијалне (слика 2).

Радно коло аксијалне турбине�Ступањ

• Основни конструктивни елемент топлотних турбомашина је ступањ, који чине спроводни апарат и радно коло. Спроводни апарат може бити изведен као на слици или може бити састављен од низа лопатица као радно коло.
• Турбине могу бити са само једним ступњем - једноступне, или са више ступњева - вишеступне.

1-спроводни апарат, 2-лопатице, 3-диск, 4-вратило

Акционо дејство млаза �Акциона парна турбина

1-комора са главним вентилом, 2-млазници, 3- ротор турбине, 4-спроводне лопатице, 5-еластично вратило, 6-оклоп турбине,7- заптивачи, 8-лежишта, 9-спојница

Млаз водене паре излазећи из спроводног апарата (А), делује силом притиска (Fp) на лопатице кола (К) и потискује га у смеру деловања силе. Сила притиска паре је акциона сила, а дејство паре је акционо дејство паре. Зато се овај тип турбина зове акциона турбина.

Реакционо дејство млаза паре

На слици је приказана шема реакционог дејства водене паре. Млаз водене паре излази из простора А, пролази кроз спроводни апарат С, радијално, да би тангенцијалним смером излазио напоље. Дејство млаза паре изазива супротно кретање радног кола. Сила која покреће радно коло је сила реакције, а дејство паре је реакционо дејство паре, а турбина се зове реакциона турбина.

Реакциона парна турбина

• Парне турбине се конструишу равноправно - и као акционе и као реакционе, док су гасне турбине углавном реакционог типа.
• Према намени парне турбине могу бити стационарне и покретне. Стационарне турбине се постављају у термоенергетским постројењима, а транспортне служе за погон превозних средстава.

​

Где се користе парне турбине?

• Парне турбине се користе као енергетске, индустријске и помоћне. Енергетске служе за погон електрогенератора. Индустријске турбине служе за снабдевање технолошком паром разних процеса у металургији, хемијској, прехрамбеној индустрији. Код индустријских турбина производња електричне енергије није основни задатак и због тога нису прикључене на јавну мрежу. Помоћне турбине опслужују процес производње електричне енергије - за погон напојних пумпи, дуваљки за ваздух, итд.

Парнотурбинска постројења

1-парни котао, 2-прегрејач паре, 3-главна проводна цев, 4-парна турбина, 5-електрични генератор, 6-кондензатор, 7-расхладни торањ, 8-пумпа за расхладну воду, 9-кондензациони вод, 10-кондензациона пумпа,11-загрејач воде (економајзер), 12-напојна глава

Трансформација енергије у парном блоку

• Пара, произведена у котловском постројењу је радно тело које служи као носилац енергије у процесу трансформације топлотне енергије у механички рад. Трансформација енергије у парном блоку је приказана на претходној слици.
• Водена пара произведена у парном котлу располаже топлотном енергијом коју карактеришу висок притисак и температура. Приликом проласка кроз канале повећава јој се брзина и на тај начин се топлотна енергија претвара у кинетичку енергију. Ова трансформација енергије се одвија у ступњевима парне турбине које чине преткола (непокретан део) и радна кола (покретан део). Преткола и радна кола састављена су из низа лопатица између којих струји пара. Радни процес у парној турбини састоји се из:

1. претварања енергије водене паре у кинетичку енергију струје млаза паре,

2. претварања кинетичке енергије струје млаза паре у механички рад на лопатицама радног кола турбине.

​

Гасне турбине

• Радни медијум у гасној турбини су продукти сагоревања, ваздух или неки други гас.
• Код гасних турбопостројења отвореног тока радни флуид су гасовити продукти сагоревања и они се после проласка кроз турбину избацују у атмосферу.
• Код гасних турбина затвореног тока кроз турбину пролази чист ваздух или неки други гас и он кружи у затвореном циклусу.

Гасне турбине

• Принцип рада гасних турбина је исти као код парних турбина, јер се у њеном проточном делу врши експанзија гаса и претварање топлотне енергије у кинетичку енергију гасне струје, која се затим претвара у механички рад обртања турбинског вратила.
• Однос притисака на улазу и излазу из гасних турбина је мањи него код парних турбина

Предности и недостаци гасних турбина

• Гасне турбине имају низ предности у односу на парне турбине:
• мањи габарити и нижа цена за једнаке снаге,
• брзо стартовање и обустава рада,
• једноставнија конструкција и лакше опслуживање,
• компактност, јер гориво не сагорева у котлу, већ у знатно мањој комори за сагоревање, постављеној у близини гасне турбине, а нема ни кондензатора,
• скоро потпуно одсуство воде за хлађење.
• Недостаци гасних у односу на парна постројења:
• Знатно мања снага,
• Мањи степен корисности,
• Захтевају квалитетнија горива.

​

Шема једноставног гасног блока отвореног типа

• Компресор (1) усисава ваздух из околине, сабија га до задатог притиска и потискује у комору за сагоревање (2), у коју се помоћу пумпе (3) кроз горионик (4), распршује течно гориво, које се меша са ваздухом и сагорева. Гасовити продукти сагоревања се одводе у гасну турбину (5). У активну зону сагоревања уводи се само 20% до 40% укупног ваздуха и то је примарни ваздух. Остатак ваздуха (секундарни) се меша са продуктима сагоревања иза активне зоне (6). Секундарним ваздухом се подешава температура гасова на улазу у турбину, која мора да се одржава на задатој вредности.
• Снага турбине се делом користи за погон компресора и других помоћних уређаја, док се остатак користи на производњу електричне енергије у генератору (7). Постројење се стартује помоћу електромотора (8), а паљење горива се врши електричном свећицом.

​

Термоелектране са гасним блоком

• Компресор (1) усисава ваздух из околине и сабија га за комору за сагоревање (2). У комору се убризгава гориво (течно или гасовито). Ова мешавина сагорева формирајући гас- продукте сагоревања температуре 650°С до 700°С. Продукти сагоревања служе за погон турбине (3). Турбина, компресор и генератор (4) круто су спојени на исто вратило, тако да се механички рад добија експанзијом продуката сагоревања у турбини, делом троши на погон компресора, а делом се трансформише у електричну енергију. У термоелектрану са гасним блоком обавезно се уграђује електромотор (5) са стартовање агрегата.

Термоелектране са гасним блоком

• Термоелектране са гасним блоком имају велике маневарске способности и у енергетским системима се користе као резервни аутономни агрегати или као извори електричне струје за покривање вршних оптерећења.

Компресори

• Компресором се повећава енергија гаса, тако што му се повећава притисак.
• Према начину рада, компресори се деле на клипне и струјне.
• Клипни компресори усисавају гас у цилиндре, затим их сабијају, тако да из њих истиче у прекидима.
• Струјни компресори непрекидно повећавају притисак гасне струје. То су обртне машине које имају једно или више радних кола које лопатицама захватају гас и потискују га.

​

Компресори

• Према односу притисака на излазу и улазу - степен сабијања, струјни компресори се деле на вентилаторе, дуваљке и турбокомпресоре. Вентилатори повећавају притисак гаса до 1,06 пута, дуваљке до 2 пута, а турбокомпресори 14 пута.

Клипни компресори

• Клипни компресори се деле према броју цилиндара на једноцилиндричне и вишецилиндричне. Према начину рада на једностепене и вишестепене.
• Клипни компресори се примењују за остварење високих притисака, за мали број обртаја вратила до 1500 min^-1, за транспорт мањих количина гаса.
• Великих су димензија и тежине, бучни су, великих губитака енергије и степен корисности је низак.
• У једном ступњу се може максимално повећати притисак до око 0,7 МРа, уз пораст температуре до 525 К. Даље повећање температуре изазвало би самозапаљење уља за подмазивање, које се налази у цилиндру компресора.

​

Двоцилиндрични компресор�

• У цилиндру (1) се налази клип (2). Поред тога, на слици се виде вентил (3) и клипне полуге (4), коленасто вратило (5), филтер за ваздух (6), кућиште (7).
• Погонска машина покреће клип, преко коленастог вратила, од спољашње мртве тачке (СМТ) до унутрашње мртве тачке (УМТ), при чему се у простору цилиндра ствара подпритисак. Спољашњи ваздух улази кроз филтер и усисни вентил у цилиндар. За то време се затвара потисни вентил. При кретању клипа од УМТ до СМТ, врши се сабијање ваздуха, при чему се повећава притисак. Нешто пре доласка клипа у СМТ, отвара се потисни вентил и ваздух излази из цилиндра у цевни вод и резервоар. Понављањем процеса, обезбеђује се потребна количина гаса.

​

Двостепени компресор са међустепеним хлађењем�

Турбокомпресори�

• Турбокомпресори (струјни компресори) се користе у хемијској индустрији, за снабдевање рудника свежим ваздухом, за производњу компримованог ваздуха у фабричким погонима, за снабдевање гасних турбина у гасним турбопостројењима, итд.
• Турбокомпресори су радне машине које механички рад погонске машине трансформишу у енергију струје гаса.

Турбокомпресори

• У њима се уље не меша са гасом и зато нема опасности од експлозије.
• Збијене су конструкције и не захтевају много простора за смештај, јефтини су и добро користе енергију погонског мотора. Раде безшумно и без потреса.
• Недостатак је немогућност производње гаса високог притиска.

Подела компресора

• Струјни компресори могу да се деле на радијалне (центрифугалне) и аксијалне. Аксијални компресори се примењују код постројења средње и велике снаге, због великог капацитета, великог степена корисности и малог габарита. Њихов основни недостатак је потреба за више ступњева, због чега имају сложенију конструкцију и знатну дужину. У једном ступњу се не може постићи степен сабијања већи од 1,25 и зато је неопходно да имају више ступњева.

Аксијални турбокомпресор

• У оклопу (1) се налазе лежишта (2) и (3), на којима се окреће ротор (4). На ротору су причвршћене лопатице (5). На местима где вратило пролази кроз оклоп, налазе се заптивачи (6). Ротор компресора (4) и вратило гасне турбине су повезани спојницом (8). Оклоп је ливен и раздвојен хоризонталном равни. У њему се налазе жљебови у којима су причвршћене усмерене лопатице (9). Сваки ред лопатица са редом усмерених лопатица, које се налазе иза радних, представља ступањ турбокомпресора. Турбокомпресор на слици има 15 ступњева.

Аксијални турбокомпресор

• Ваздух се усисава из околине кроз прикључак (10) и затим долази у спроводни апарат (11) у коме струја добија потребан смер пре уласка у први ступањ. У сваком ступњу се из механичке енергије ствара кинетичка енергија струје гасова, која се затим претвара у потенцијалну енергију коју поседује гас.
• Након последњег ступња, сабијени ваздух се доводи у усмерни апарат (12), где добија аксијални смер, пре уласка у дифузор (13). У дифузору се ваздух мало сабије због претварања кинетичке енергије струје у притисак и кроз прикључак (14) се шаље потрошачу.

​

Радијални турбокомпресор

• Ваздух кроз улазни прикључак (1) улази у струјно коло (2), са чије се једне стране налазе радне лопатице (3) постављене тако да формирају канале које се шире у смеру полупречника. Ваздух се сабија углавном у радном колу и додатно у дифузору (4). Дифузор (4) има усмерене лопатице, које струји ваздуха дају потребан смер, али постоје дифузори и без лопатица. Оклоп (5) изведен у облику пужа, се шири по току ваздуха. Сабијени ваздух излази кроз прикључак (6).

Радијални турбокомпресор

• Радијални (центрифугални) турбокомпресори најчешће имају један ступањ, али могу имати и више. Имају мању дужину, у поређењу са аксијалним. Степен сабијања иде и до 4,5. Једноставније су конструкције и сигурнији у раду, мање су осетљиви на нечистоће у проточном делу.
• Међутим, радијални турбокомпресори имају мањи капацитет од аксијалних, мањи степен корисности и веће попречне димензије. Примењују се у гасним турбопостројењима мале снаге (300 kW- 400 kW).

Принцип рада термо-електарне

Принцип рада термо-електарне

• Угаљ сагорева на решетки (1) и произведена топлота загрева котао (2), а сагорели гасови одлазе у димњак, при чему се њихова топлота користи у друге сврхе. Да би сагоревање угља било потпуније, ствара се вештачка промаја, па се на решетку, у ложишту убацује ваздух вентилатором за ваздух (3), претходно загрејан у загрејачу ваздуха (4).
• У прегрејачу паре (5) се водена пара потпуно осуши и тако припремљена одлази у парну турбину (6), која окреће електрични генератор (7), а њему се ствара електрична енергија.

Принцип рада термо-електарне

• Искоришћена водена пара се кондензује у парном кондензатору (8) у воду и затим пумпа за воду (9) убацује у резервоар котловске воде (10) и даље се она загрева и убацује у котао, пумпом за напајање котла (11), али претходно загрејана у загрејачу воде (12). Један део котловске воде се губи и зато стално треба досипати у котловски резервоар пречишћену (омекшану) воду. За то служи пречистач воде (13) и пумпа за допунску воду (14).
• Пара се кондензује у парном кондензатору помоћу хладне воде која се пумпом за хлађење (15) потискује кроз цеви кондензатора (8).

Принцип рада термо-електарне

• Овде је дат упрошћен принцип рада термоелектране, јер постоји још читав низ уређаја. Потребно је имати у виду да је за рад електране потребно обезбедити велику количину горива и воде, што значи да термоелектарне треба да буду на местима где им је обезбеђено несметано снабдевање сировинама (на пример, угљем) и у близини река (због снабдевања водом).