"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Паровая турбина превращает энергию движущегося пара во вращение, которое можно передать генератору или другой машине. В котле вода нагревается и становится паром высокого давления, а сопла ускоряют его и направляют на лопатки. Струя изменяет движение рабочего колеса и вращает ротор. Турбины используют на электростанциях; часть энергии при работе теряется, поэтому их КПД всегда меньше 100 процентов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Паровая турбина — тепловой двигатель, в котором энергия струи пара преобразуется во вращательное движение ротора. Иначе говоря, пар не просто нагревает детали, а передаёт им энергию своим движением. Турбина нужна, чтобы получать вращение и приводить им генератор или другую машину.
Сопловой аппарат — система каналов, которые ускоряют пар и направляют его струю на рабочие лопатки. Сопло — это канал с особой формой, благодаря которой пар выходит быстрее. Аппарат нужен, чтобы струя попадала на лопатки в заданном направлении и передавала им энергию.
Рабочее колесо — вращающаяся часть турбины с лопатками, на которые действует струя пара. Лопатки меняют движение пара, а пар действует на них с силой. Рабочее колесо нужно для преобразования энергии струи во вращение.
Ротор — вал с закреплёнными рабочими колёсами, который передаёт механическую энергию внешнему устройству. Вал вращается вместе с колёсами и соединяется, например, с генератором. Благодаря ротору вращение турбины становится полезной работой для другой машины.
Сначала топливо сгорает в котле и передаёт энергию воде. Вода нагревается, превращается в пар и получает внутреннюю энергию — энергию движения и взаимодействия частиц. Пар под давлением поступает к турбине, поэтому его энергия может быть использована для совершения работы. Затем часть энергии становится энергией движущейся струи, которая воздействует на детали турбины.
В сопловом аппарате пар расширяется: его давление становится меньше, а скорость увеличивается. Уменьшение давления позволяет пару перейти в более быстрое движение, подобно тому, как вода ускоряется в сужающемся отверстии. Одного высокого давления недостаточно, чтобы эффективно вращать колесо: важна быстрая струя, направленная на лопатки. Поэтому сопла не только разгоняют пар, но и задают направление его движения.
Струя попадает на лопатки рабочего колеса и отклоняется от первоначального направления. Чтобы изменить движение пара, лопатки действуют на него с силой; в ответ пар действует на лопатки с такой же по величине силой в противоположную сторону. Сила приложена на расстоянии от оси колеса, поэтому возникает вращающий момент. Именно он заставляет колесо и соединённый с ним ротор вращаться.
В одной турбине могут последовательно располагаться несколько рядов сопел и рабочих колёс. После прохождения одного ряда пар всё ещё может сохранять часть энергии, поэтому следующий ряд снова направляет его на лопатки. Такое устройство позволяет передавать энергию постепенно, а не пытаться использовать её только в одном месте. Пар при этом движется дальше по турбине, а его параметры меняются от ряда к ряду.
Вращающийся ротор соединяют с генератором или другой рабочей машиной. В генераторе вращение помогает получать электрический ток, а в другой установке может приводить в движение её механизм. После турбины пар охлаждается в конденсаторе или отводится через выходной канал. Переданная ротору энергия полезна, но не вся энергия пара превращается в работу из-за потерь.
| Часть установки | Что происходит с паром | Роль в работе турбины |
|---|---|---|
| Паровой котёл | Вода превращается в горячий пар высокого давления | Подводит к турбине энергию |
| Сопловой аппарат | Давление уменьшается, скорость пара возрастает | Направляет струю на лопатки |
| Рабочее колесо | Струя пара изменяет направление и действует на лопатки | Преобразует энергию пара во вращение |
| Ротор | Получает вращательное движение | Передаёт механическую энергию генератору |
| Конденсатор или выходной канал | Отработавший пар охлаждается или отводится | Завершает рабочий цикл установки |
Таблица показывает, как пар проходит через установку и как меняется его роль на каждом этапе. Для проверки понимания проследи путь от котла до ротора: энергия сначала поступает к пару, затем передаётся лопаткам и валу. Последняя строка описывает, что происходит с паром после того, как он поработал в турбине.
Струя пара направлена на лопатки рабочего колеса. Нужно объяснить, почему колесо приходит во вращение, а не просто нагревается. Для этого проследим, что происходит с движением пара при встрече с лопаткой.
Ответ: колесо вращается потому, что струя изменяет движение и действует на лопатки с силой, создающей вращающий момент.
Турбина получила от пара Q = 500 кДж энергии и совершила полезную работу Aпол = 150 кДж. Требуется определить КПД. КПД показывает, какая доля полученной энергии стала полезной работой, поэтому сравниваем работу с энергией, затраченной на её получение.
Ответ: КПД турбины равен 30%.
Турбина мощностью P = 20 кВт работает t = 5 минут при КПД η = 25%. Нужно найти количество теплоты Q, переданное пару. Сначала определим полезную работу по мощности и времени, а затем учтём, что она составляет только часть полученной энергии.
Ответ: пару нужно передать 24 МДж теплоты.
Считать, что турбина вращается непосредственно от нагревания пара, — значит пропустить главный этап работы. Нагретый пар действительно обладает энергией, но вращение создаёт его движущаяся струя, действующая на лопатки. Такую ошибку допускают, смешивая процессы нагревания и передачи механической энергии. Проверь себя: можешь ли ты объяснить, какую роль играют сопла и лопатки?
Сопло и рабочее колесо выполняют разные задачи: первое ускоряет и направляет пар, второе воспринимает действие струи. Если при описании работы турбины перепутать эти части, станет непонятно, откуда берётся вращение. Ошибка возникает потому, что оба элемента находятся на пути пара. Проверь себя, задав вопрос: какая часть подготавливает струю, а какая начинает вращаться?
Нельзя считать, что вся энергия пара превращается в работу. Часть энергии теряется из-за трения, нагрева деталей и выхода отработавшего пара. Ошибку допускают, забывая, что реальные установки не работают без потерь. Проверка проста: если полезная работа равна всей полученной энергии, КПД получается 100%, что для турбины невозможно.
КПД — это отношение полезной работы к затраченной энергии: η = Aпол / Q. Если разделить затраченную энергию на полезную работу, получится обратное отношение, а не КПД. Такую ошибку часто допускают, не уточнив, что является полезным результатом, а что было получено от пара. Перед вычислением подпиши величины и убедись, что в числителе стоит полезная работа.
Для понимания работы турбины нужны знания о давлении: пар под давлением поступает в сопла и затем расширяется. Также пригодятся понятия внутренней энергии, работы силы и мощности, а ещё представление о превращениях энергии. Турбина относится к тепловым двигателям, поэтому её работу оценивают с помощью коэффициента полезного действия. Практически этот принцип применяют на тепловых и атомных электростанциях, где вращение турбины передаётся генератору.
Почему пар в турбине направляют через сопла?
В соплах давление пара снижается, а его скорость возрастает. Благодаря этому получается быстрая направленная струя, которая эффективно действует на лопатки рабочего колеса.
За счёт чего вращаются лопатки рабочего колеса?
Струя пара ударяет по лопаткам и меняет направление и скорость. При этом пар действует на лопатки с силой, создающей вращающий момент.
Чем паровая турбина отличается от паровой машины с поршнем?
В турбине струя пара непрерывно вращает колесо с лопатками. В поршневой машине пар перемещает поршень вперёд и назад, а механизм превращает это движение во вращение.
Почему КПД паровой турбины не может быть равен 100 процентам?
Часть полученной энергии расходуется на трение, нагрев деталей и движение отработавшего пара. Поэтому полезная работа всегда меньше энергии, переданной паром.
Куда передаётся энергия вращающегося ротора?
Ротор передаёт механическую энергию генератору, который вырабатывает электрический ток. Его также можно соединить с другой рабочей машиной.
18. Паровая турбина
