Garo turbina - tai energijos rūšies keitimo įtaisas, variklis, kuris vandens garų termo-mechaninę plėtimosi energiją verčia į mechaninę − sukimo momentą. Tai viena iš šiluminių variklių mašinų, kuriose garo šiluminė energija paverčiama mechaniniu darbu. Garo turbinos konstrukcija labai paprasta. Prie turbinos nėra stūmoklio koto, smagračio ar slydimo vožtuvų, taigi priežiūra yra gana paprasta. Ji susideda iš rotoriaus ir besisukančių menčių rinkinio, kurie pritvirtinti prie veleno, o velenas yra rotoriaus viduryje.
Šiluminėse elektrinėse garo turbinos sujungiamos su elektros generatoriumi. Elektros generatorius, žinomas kaip garo turbinos generatorius, yra prijungtas prie rotoriaus veleno. Turbinos generatorius surenka iš veleno mechaninę energiją ir paverčia ją elektros energija. Garo turbinos generatorius taip pat pagerina turbinos efektyvumą.
Garo turbinų istorija
Pirmą garo turbiną išrado graikų matematikas Heronas iš Aleksandrijos apie 120 m. pr. Kr. ir buvo slenkančio tipo. Šiuolaikinę garo turbiną 1884 m. pagamino seras Charlesas Parsonsas. Dizainas buvo daug kartų keičiamas. Turbinos galia siekia nuo 0,75 KW iki 1000 MW. Tai platus panaudojimo spektras, pvz., siurbliai, kompresorius ir kt. Šiuolaikinė garo turbina taip pat naudojama kaip pagrindinis variklis dideliuose įrenginiuose - šiluminėse elektrinėse.
Garo turbinos veikimo principas
Garo turbinos veikimo principas priklauso nuo dinaminio garo veikimo. Didelio greičio garai sklinda iš purkštukų ir atsitrenkia į besisukančias mentes, kurios sumontuotos ant disko, esančio ant veleno. Šie didelio greičio garai sukuria dinaminį slėgį mentėse, kurių mentės ir velenas pradeda suktis ta pačia kryptimi. Iš esmės garo turbinoje garų slėgio energija ekstrahuojama, o vėliau ji paverčiama kinetine energija, leidžiant garams tekėti per purkštukus. Kinetinės energijos konversija atliekama mechaniniu darbu prie rotoriaus menčių, o rotorius yra prijungtas prie garo turbinos generatoriaus, kuris veikia kaip tarpininkas. Turbinos generatorius surenka mechaninę energiją iš rotoriaus ir paverčia ją elektros energija.
Kadangi garo turbinos konstrukcija yra paprasta, jos vibracija yra daug mažesnė nei kitų variklių, veikiančių tuo pačiu sukimosi greičiu. Tačiau įvairių tipų valdymo sistemos yra naudojamos siekiant pagerinti turbinos greitį.
Garo turbinų tipai
Pagal veikimo principą yra įvairių garo turbinų tipų. Pagal veikimo principą garo turbinos daugiausia skirstomos į dvi kategorijas: Impulsinė turbina ir Reakcijos garo turbina. Kai garai patenka į judančius peilius per purkštukus, tai vadinama Impulsine turbina, o kai jis spaudžiamas ir atsitrenkia į judančias ašmenis per kreipiamąjį mechanizmą, tai vadinama Reakcijos turbina.
Garo turbinos gali būti skirstomos į šias kategorijas:
- Pagal garų srauto kryptį:
- Ašinio srauto garo turbina: Kai garo srautas korpuso viduje yra lygiagretus rotoriaus veleno ašiai.
- Radialinio srauto garo turbina: Kai garo srautas korpuso viduje yra radialinis rotoriaus veleno ašies atžvilgiu.
- Pagal garų išmetimo būklę:
- Atgalinio slėgio arba nekondensuojančio tipo garo turbinos: Išsiplėtus garui, jis išmetamas į atmosferą.
- Kondensacinio tipo garo turbina: Garai išleidžiami į kondensatorių.
- Pagal garų slėgį:
- Aukšto slėgio arba išleidimo arba ištraukimo garo turbina
- Vidutinio slėgio arba priešslėgio garo turbina
- Žemo slėgio turbina: Į turbiną tiekiamas aukšto, vidutinio ir žemo slėgio garas.
Kondensacinio garo turbinos darbo principas
Kondensacinio garo turbinos darbo principas apima garo turbinos korpusą, kondensato siurblį, kondensatorių ir cirkuliacinį vandens siurblį. Tai reiškia, kad garai, atlikę darbą garo turbinoje, patenka į kondensatorių, kur vėsinami iki vandens ir per kondensato siurblį siunčiami atgal į katilą. Tarp šių komponentų gyvybiškai svarbų vaidmenį atlieka kondensatorius.
Pagrindinis kondensatoriaus tikslas yra pagerinti garų turbinos šiluminį efektyvumą. Tai yra garų aušinimo iki vandens procesas, kurio metu labai sumažėja tūris, paliekant likusią erdvę. Tai sukuria vakuumą ir padidina idealią garų entalpiją. Aspiratoriaus funkcija yra nustatyti reikiamą vakuumą garų turbinai ir kondensatoriui prieš paleidžiant turbiną.
Eksploatuojant kondensacinę garų turbiną, oras ir kitos nekondensuojamos dujos iš kondensatoriaus įrangos laiku ištraukiamos, kad būtų užtikrintas kondensavimas. Šilumos mainų vamzdžio šilumos mainų efektyvumas palaiko vakuumą. Vakuuminio siurbimo įrangos veikimas tiesiogiai lemia kondensacinio garų turbinos išmetamo garo slėgį, kuris daro įtaką įrenginio entalpijos dydžiui ir sunaudojamo garo kiekiui. Skirtingi siurbimo metodai turės įtakos garų turbinos bloko įrangos investicijoms. Darbo režimas yra paprastas ir sistemos sudėtingumas, todėl kondensacinei garų turbinai labai svarbi siurbimo įranga.
Reguliuojamo ištraukimo garo turbinos
Kai garai patenka į garo turbiną visais lygiais, kad galėtų atlikti darbą, išmetamieji garai yra didesni nei atmosferos slėgis ir yra tiesiogiai naudojami pramoniniam ar buitiniam šildymui, be kondensatoriaus. Tam tikras parametras ir tam tikras garo kiekis yra ištraukiamas iš tam tikros pakopos ar kelių pakopų garo turbinos viduryje, kad būtų tiekiama šiluma į išorę, o likę išmetamieji garai vis tiek patenka į kondensatorių. Šio tipo garo turbina vadinama reguliuojamo ištraukimo garo turbina. Kadangi šilumos vartotojas turi tam tikrus reikalavimus šildymo garų slėgiui, būtina reguliuoti išmetamųjų garų šildymo slėgį, kad jis atitiktų vartotojo poreikius.
Kogeneracinės turbinos
Po to, kai į garo turbiną patenkantys garai išplečiami, kad galėtų atlikti darbą keliais etapais, jie vėl įleidžiami į katilo šildytuvą šildymui, o tada grįžta į garo turbiną, kad toliau plėstųsi ir dirbtų, o išmetamieji garai patenka į kondensatorių. Termofikacinėse turbinose naudoto garo šiluma tiekiama šilumos vartotojams.