Эффективность прямого термодинамического цикла теплоэнергетической установки оценивают термическим КПД, равным отношению работы, произведенной установкой за цикл, к количеству теплоты, подведенной в цикле от горячего источника.

Схема паросиловой установки, которую предложил в 50-х годах XIX в. шотландский инженер У.Дж.Ренкин.

ПГ- парогенератор;

Т - паровая турбина;

Г - электрогенератор;

К - конденсатор;

Н –насос

Цикл Ренкина паросиловой установки на влажном паре

Цикл Ренкина на влажном паре 1-2-3-4-5

5-1 - испарение воды в котле при начальном давлении Р и Т_к

1-2 - адиабатическое расширение в турбине до конечного давления Р₀

2-3 - полная конденсация при давлении Р₀ и Т₀

3-4 - подача воды в котел (адиабата)

4-5 - нагрев воды в котле при давлении Р до Т_к

Цикл Ренкина паросиловой установки на перегретом паре

Цикл Ренкина на перегретом паре 1-2-3-4-5-6

5-6 - испарение воды в котле при начальном давлении Р и Т_к

6-1 – перегрев пара при давлении Р до Т_п

1-2 - адиабатическое расширение в турбине до конечного давления Р₀

2-3 - полная конденсация при давлении Р₀ и Т₀

3-4 - подача воды в котел (адиабата)

4-5 - нагрев воды в котле при давлении Р до Т_к

Схема газотурбинной установки

Воздушный компрессор К подает воздух под давлением в камеру сгорания КС, куда одновременно насосом Н подается топливо. Образующиеся продукты сгорания расширяются в турбине Т.

Цикл ГТУ с р = const и различной степенью повышения давления

Цикл ГТУ 1-2-3-4.

Сгорание топлива - изобарный подвод теплоты (линия 2-3), а охлаждение выброшенных продуктов сгорания - изобарный отвод теплоты (линия 4-1)

Схема воздушно-реактивного

двигателя

На роторе двигателя 2 размещены на разных концах компрессор 3 и газовая турбина 6, предназначенная для привода компрессора. Воздух, поступающий в двигатель через диффузор 1, сжимается компрессором и подается далее в камеру сгорания 5, куда одновременно подается топливо форсунками 4.

При истечении из сопла 7 газ разгоняется и создается реактивное усилие.

Цикл турбореактивного двигателя

Сжатие воздуха в турбокомпрессоре происходит по адиабате 1-2 (частично в диффузоре при набегании потока - по линии 1-а). Затем к рабочему телу подводится теплота, выделяющаяся при сгорании топлива (изобара 2-3). Расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 3-в (в газовой турбине) и далее по адиабате в-4 (в сопле) Цикл замыкается изобарой 4-1 (отвод теплоты в атмосферу).

Схема ступени турбины

Рабочее тело поступает в сопло 1 (или группу сопл), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2. Усилия, вызванные потоком в каналах рабочих лопаток, вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называется ротором. Один ряд сопл и один диск с рабочими лопатками составляют ступень.

Схема одноступенчатой турбины Лаваля

В одноступенчатой активной ступени пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8.

Ротор турбины, состоящий из диска 3, закрепленных на нем лопаток и вала 1, заключен в корпус 6, В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и заднее 7 лабиринтовые уплотнения, предотвращающие утечки пара. Так как весь теплоперепад срабатывается в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими(около 700 м/с) Вследствие больших центробежных сил на лопатках по условиям прочности в лучшем случае можно допустить вдвое меньшую окружную скорость. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют низкий КПД и мощность (до 1 МВт) и, следовательно, ограниченное применение.

Схема активной турбины с двумя ступенями скорости

1 - вал;

2 - диск;

3 - сопла;

4 - направляющие лопатки;

5 - рабочие лопатки;

6 - корпус

Неподвижные направляющие лопатки здесь изменяют лишь направление скорости потока, что позволяет перераспределить его кинетическую энергию между двумя венцами рабочего колеса и дает возможность повысить начальную скорость потока и, следовательно, КПД ступени.

Двухвенечный диск Кертиса используется как первая ступень современных многоступенчатых турбин.

Схема активной турбины с тремя ступенями давления:

1 - сопло;

2 - входной патрубок;

3 - рабочая лопатка I ступени;

4 - сопло;

5 - рабочая лопатка II ступени,

6 - сопло;

7 - рабочая лопатка III ступени;

8 - выхлопной патрубок;

9 – диафрагмы

Активные турбины со ступенями давления широко применяются в качестве привода различных установок.

В таких турбинах давление падает в сопловых каналах и остается постоянным в каналах между рабочими лопатками. Абсолютная скорость пара в ступени, называемой ступенью давления, возрастает в соплах и снижается на рабочих лопатках. Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают.

Схема реактивной паровой турбины

При течении рабочего тела из сопл возникают вращающие систему реактивные силы.

Ступень турбины представляет собой вращающийся диск с соплами, к которым непрерывно подводится рабочее тело. Из-за сложности конструирования таких ступеней, а тем более многоступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались. Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов и др.).

Практически реактивными называются турбины, у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.

Схема однократного усиления

муфта регулятора 1.

рычаг 2

отсечной золотник 3

сервомотор 4

клапан 5,

турбина 6.

маслонасос 7

муфта 8

верхняя А и нижняя Б полости сервомотора (

Схема гидродинамического регулятора

Колесо импульсного насоса (импеллера) 1 расположено на валу турбины. При увеличении частоты вращения ротора турбины давление жидкости после насоса возрастает. Избыточное давление жидкости передается под поршень 3, заставляя его перемещаться вверх и растягивать пружину 2 до тех пор, пока сила, вызвавшая движение поршня, не уравновесится силой натяжения пружины. От перемещения поршня рычаг 4 поднимается, поворачиваясь относительно места его соединения со штоком сервомотора 6. Золотник 5 при этом откроет подвод силовой жидкости от насоса 8 в камеру над поршнем сервомотора и слив ее из-под поршня. Под перепадом давления силовой жидкости поршень сервомотора переместится вниз, прикрывая регулирующий клапан 7, изменяя тем самым расход пара на турбину.

Схема дроссельного регулирования

При дроссельном парораспределении для уменьшения нагрузок клапаны прикрываются и весь пар, направляемый к соплам, дросселируется. Дросселирование пара сопровождается потерями некоторой части располагаемого теплоперепада и ухудшением КПД турбины. Дроссельное парораспределение при частичных нагрузках турбины неэкономично и применяется в турбинах малой мощности.

Схема соплового регулирования

При сопловом парораспределении пар поступает к соплам первой ступени через несколько регулирующих клапанов. Каждый клапан обслуживает свою группу сопл, и при номинальной нагрузке он полностью открыт. При изменении нагрузки турбины регулирующие клапаны последовательно открываются или закрываются.

Схема обводного регулирования

При обводном парораспределении осуществляют добавочный впуск свежего пара непосредственно в одну или несколько промежуточных ступеней через специальные байпасные последовательно открывающиеся клапаны 1 и 2.