Образовака🌡️ Физика8 классИзменение агрегатных состояний вещества

Паровая турбина

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 276.

Тепловые двигатели преобразуют внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу. Паровые турбины, наряду с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), являются самыми распространенными типами тепловых двигателей. Рассмотрим принцип действия паровой турбины и области применения этого устройства.

Что такое тепловой двигатель

В любом тепловом двигателе должны присутствовать следующие части: рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Схема теплового двигателя: — Рис. 1. Схема теплового двигателя

Нагреватель, разогретый до температуры T1, передает теплоту Q1 рабочему телу (пару), которое производит работу А (вращает турбину или приводит в движение поршень ДВС). Часть тепла поглощается холодильником, температура которого Т2 < Т1. Французский физик Сади Карно теоретически доказал, что идеальный тепловой двигатель имеет коэффициент полезного действия (КПД) ηmax, который равен:

$$ η_{max} = 1 – {T_2\over T_1} $$

Из этой формулы видно, что даже для идеального двигателя КПД ηmax < 1 (или < 100%).

Как устроена тепловая электростанция

Паровые турбины ставятся на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. На станциях циркулирует одна и та же вода. Она превращается в пар (рабочее тело) в котле (нагревателе), который нагревается топливом (углем, газом, ядерным топливом). Насыщенный пар производит работу, вращая турбину, приводящую в движение генератор электрического тока. В результате, внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию вращения турбины, и далее в электрическую энергию. Далее пар попадает в холодильник (конденсатор), охлаждается проточной водой, конденсируется и снова направляется в нагреватель (котел).

Как работает тепловая электростанция: — Рис. 2. Как работает тепловая электростанция

На наземном транспорте паровые турбины практически не применяются, т.к. для создания холодильника пришлось бы вместе с полезными грузами перевозить большой объем воды в качества “балласта”, что привело бы к значительному увеличению размеров автомобилей, их веса, расхода топлива и т.д. Понятно, что на морских и речных судах нет необходимости возить с собой огромный запас воды для охлаждения, поэтому паровые турбины, начиная с XIX века, обеспечивают работу главных двигателей морских транспортных средств.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600⁰С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Как устроена паровая турбина: — Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что паровая турбина — это один из типов тепловых двигателей, в которых внутренняя энергия насыщенного пара, нагретого до высокой температуры, переходит сначала в механическую (кинетическую) энергию, а потом может быть преобразована в электрическую энергию. Паровые турбины применяются на большинстве тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях для генерации электроэнергии, а также на морских и речных судах в качестве основных двигателей.