Sammansättning av ångturbiner

Sammansättning av ångturbiner är de strategier där energi från ångan utvinns i ett antal steg snarare än ett enda steg i en turbin. En sammansatt ångturbin har flera steg, t.ex. har den mer än en uppsättning munstycken och rotorer , i serie, nyckel till axeln eller fixerade till höljet, så att antingen ångtrycket eller jethastigheten absorberas av turbinen i antal etapper.

Sammansatta ångturbiner används för att minska rotorhastigheterna för att uppnå optimala driftsvarvtal . Ett flera system av rotorer är seriekopplade med en gemensam axel och ångtrycket eller hastigheten absorberas i steg när det strömmar över bladen. Ångan som produceras i pannan har tillräckligt hög entalpi vid överhettning . I alla turbiner är bladhastigheten direkt proportionell mot hastigheten för ångan som passerar över bladet. Om nu hela energin i ångan utvinns i ett steg, dvs om ångan expanderas från panntrycket till kondensortrycket i ett enda steg, så blir dess hastighet mycket hög. Därför kan hastigheten på rotorn (till vilken bladen är låsta) nå cirka 30 000 rpm, vilket är för högt för praktiskt bruk på grund av mycket höga vibrationer. Vid så höga hastigheter är dessutom centrifugalkrafterna enorma och kan skada strukturen. Därför behövs sammansättning. Ångan med hög hastighet slår precis mot en enda rotorring som orsakar slöseri med ånga på mellan 10 % och 12 %. För att övervinna slöseri med ånga används blandning av ångturbiner.

Typer av ångturbiner

1. Impuls : Det finns ingen förändring i ångans tryck när den passerar genom de rörliga bladen. Det är bara förändringar i ångflödets hastighet.
2. Reaktion : Det sker förändringar i både tryck och hastighet när ångan strömmar genom de rörliga bladen.

Typer av blandning

I en Impulse ångturbin kan sammansättning uppnås på följande tre sätt:

1. Hastighetsblandning
2. Tryckblandning
3. Pressure-Velocity Compounding

I en reaktionsturbin kan kompoundering endast uppnås genom tryckkompoundering.

Hastighetskompoundering av Impulsturbin

Fig-1: Schematiskt diagram av Curtis Stage Impuls Turbine

Den hastighetssammansatta Impulsturbinen föreslogs först av CG Curtis för att lösa problemet med enstegs Impulsturbin för användning av högtrycks- och temperaturånga.

Ringarna på rörliga blad är åtskilda av ringar av fasta blad. De rörliga bladen är fästa vid turbinaxeln och de fasta bladen är fästa vid höljet. Högtrycksångan som kommer från pannan expanderas i munstycket först. Munstycket omvandlar ångans tryckenergi till kinetisk energi. Det totala entalpifallet och därmed tryckfallet uppstår i munstycket. Följaktligen förblir trycket därefter konstant.

Denna höghastighetsånga leds vidare till den första uppsättningen (ringen) av rörliga blad. När ångan strömmar över bladen, på grund av bladens form, ger den en del av sitt momentum till bladen och förlorar viss hastighet. Endast en del av den höga kinetiska energin absorberas av dessa blad. Resten töms på nästa ring med fast blad. Funktionen hos de fasta bladen är att omdirigera ångan som lämnar den första ringen av rörliga blad till den andra ringen av rörliga blad. Det finns ingen förändring i ångans hastighet när den passerar genom de fasta bladen. Ångan kommer sedan in i nästa ring av rörliga blad; denna process upprepas tills praktiskt taget all energi från ångan har absorberats.

Ett schematiskt diagram av Curtis-stegimpulsturbinen, med två ringar av rörliga blad, en ring med fasta blad visas i figur 1 . Figuren visar också förändringarna i trycket och den absoluta ånghastigheten när den passerar genom stegen.

var,

$P_{i}$ = ångtrycket vid inloppet

$V_{i}$ = ångans hastighet vid inloppet

$P_{e}$ = ångtrycket vid utloppet

$V_{e}$ = ånghastigheten vid utloppet

I figuren ovan finns två ringar av rörliga blad åtskilda av en enda ring med fasta blad. Som diskuterats tidigare sker hela tryckfallet i munstycket, och det finns inga efterföljande tryckförluster i något av de följande stegen. Hastighetsfall sker i de rörliga bladen och inte i fasta blad.

Hastighetsdiagram

Som visas i diagrammet ovan finns två ringar av rörliga blad åtskilda av en ring med fasta blad. Hastighetsdiagrammet i figur 2 visar de olika komponenterna i ånghastigheten och bladhastigheten för de rörliga bladen.

var,

$V_{a}$ = ångans absoluta hastighet

$V_{r}$ = relativ hastighet för ånga

$V_{b}$ = Bladhastighet

$\theta$ = Munstycksvinkel

$\Phi$ = Bladets ingångsvinkel

$\gamma$ = Bladets utgångsvinkel

$\delta$ = vätskeutgångsvinkel

Av ovanstående figur kan man se att ångan, efter att ha lämnat de rörliga bladen, kommer in i de fasta bladen. De fasta bladen omdirigerar ångan till nästa uppsättning rörliga blad. Följaktligen förlorar ånga sin hastighet i flera steg snarare än i ett enda steg.

Optimal hastighet

Det är bladens hastighet med vilken maximal effekt kan uppnås. Därför är den optimala bladhastigheten för detta fall,

$V_{b,optimum}={\frac {V_{a1}\cos \theta _{1}}{2n} }$

där n är antalet steg.

Detta värde för optimal hastighet är 1/n gånger det för enstegsturbinen. Detta innebär att maximal effekt kan produceras vid mycket lägre bladhastigheter.

Arbetet som produceras i varje steg är dock inte detsamma. Förhållandet mellan arbete som produceras i en 2-stegsturbin är 3:1 när man går från högre till lägre tryck. Detta förhållande är 5:3:1 i trestegsturbin och ändras till 7:5:3:1 i en fyrstegsturbin.

Nackdelar med Velocity Compounding

• På grund av den höga ånghastigheten uppstår höga friktionsförluster.
• Arbetet som produceras i lågtrycksstegen är mycket mindre.
• Det är svårt att konstruera och tillverka blad som tål så höga hastigheter.

Tryckblandning av Impulsturbin

Fig-3: Schematiskt diagram av trycksammansatt impulsturbin

Den trycksammansatta Impulsturbinen kallas också en Rateau-turbin, efter dess uppfinnare. Detta används för att lösa problemet med hög bladhastighet i enstegs impulsturbinen.

Den består av alternerande ringar av munstycken och turbinblad. Munstyckena är monterade på höljet och bladen är fastkilade i turbinaxeln.

I denna typ av blandning expanderas ångan i ett antal steg istället för bara ett (munstycke) i hastighetsblandningen. Det görs av de fasta bladen som fungerar som munstycken. Ångan expanderar lika i alla rader av fasta blad. Ångan som kommer från pannan matas till den första uppsättningen fasta blad, dvs munstycksringen. Ångan expanderas delvis i munstycksringen. Följaktligen sker en partiell minskning av trycket hos den inkommande ångan. Detta leder till en ökning av ångans hastighet. Därför minskar trycket och hastigheten ökar delvis i munstycket.

Detta förs sedan över uppsättningen av rörliga blad. När ångan strömmar över de rörliga bladen absorberas nästan all dess hastighet. Trycket förblir dock konstant under denna process. Därefter förs den in i munstycksringen och expanderas återigen delvis. Sedan matas den in i nästa uppsättning rörliga blad, och denna process upprepas tills kondensortrycket uppnås.

Denna process har illustrerats i figur 3 .

där symbolerna har samma betydelse som ovan.

Det är en trestegs trycksammansatt impulsturbin. Varje steg består av en ring med fasta blad, som fungerar som munstycken, och en ring med rörliga blad. Som visas i figuren sker tryckfallet i munstyckena och fördelas i många steg.

En viktig punkt att notera här är att inloppsånghastigheterna till varje steg av rörliga blad är väsentligen lika. Det beror på att hastigheten motsvarar trycksänkningen. Eftersom, i en tryckkomponerad ångturbin, endast en del av ångan expanderas i varje munstycke, är ånghastigheten lägre än i det tidigare fallet. Det kan förklaras matematiskt från följande formel dvs

${\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{h_{1}}={\frac {V_{2 }^{2}}{2}}+{h_{2}}$

var,

$V_{1}$ = vätskans absoluta utloppshastighet

$h_{1}$ = vätskeentalpi vid utgång

$V_{2}$ = vätskans absoluta ingångshastighet

$h_{2}$ = entalpi av vätska vid ingång

Man kan se av formeln att endast en bråkdel av entalpin omvandlas till hastighet i de fasta bladen. Därför är hastigheten mindre jämfört med föregående fall.

Hastighetsdiagram

Fig-4: Hastighetsdiagram för trycksammansatt impulsturbin

Hastighetsdiagrammet som visas i figur 4 ger en detalj om de olika komponenterna av ånghastighet och bladhastighet.

där symboler har samma betydelse som ovan.

En viktig punkt att notera från ovanstående hastighetsdiagram är att vätskeutloppsvinkeln (δ) är 90⁰. Detta indikerar att virvelhastigheten för vätskan vid utgången av alla steg är noll, vilket är i överensstämmelse med konceptet med optimal hastighet (som diskuterats tidigare).

Förhållandet mellan arbete som produceras i olika steg liknar ovanstående typ.

Nackdelar med Pressure Compounding

• Eftersom det är tryckfall i munstyckena måste det göras lufttätt.
• De är mycket större med 34 tum

Tryck-hastighetsförbättrad Impulsturbin

Fig-5: Schematiskt diagram av tryck-hastighetssammansatt impulsturbin

Det är en kombination av ovanstående två typer av blandning. Ångans totala tryckfall är uppdelat i ett antal steg. Varje steg består av ringar av fasta och rörliga blad. Varje uppsättning ringar av rörliga blad är åtskilda av en enda ring med fasta blad. I varje steg finns en ring med fasta blad och 3-4 ringar med rörliga blad. Varje steg fungerar som en hastighetsförbättrad impulsturbin.

De fasta bladen fungerar som munstycken. Ångan som kommer från pannan leds till den första ringen av fasta blad, där den blir delvis expanderad. Trycket minskar delvis och hastigheten stiger i motsvarande grad. Hastigheten absorberas av följande ringar av rörliga blad tills den når nästa ring med fasta blad och hela processen upprepas en gång till.

Denna process visas schematiskt i figur 5 .

där symboler har sin vanliga betydelse.

Tryckblandning av reaktionsturbin

Fig-6: Schematiskt diagram över trycksammansatt reaktionsturbin

Som förklarats tidigare är en reaktionsturbin en där det finns tryck- och hastighetsförluster i de rörliga bladen. De rörliga bladen har ett konvergerande ångmunstycke. När ångan passerar över de fasta bladen expanderar den därför med minskat ångtryck och ökning av kinetisk energi.

Denna typ av turbin har ett antal ringar av rörliga blad fästa på rotorn och lika många fasta blad fästa på höljet. I denna typ av turbin sker tryckfallen i ett antal steg.

Ångan passerar över en serie omväxlande fasta och rörliga blad. De fasta bladen fungerar som munstycken, dvs de ändrar riktningen på ångan och expanderar den. Sedan leds ånga på de rörliga bladen, som ytterligare expanderar ångan och även absorberar dess hastighet.

Detta förklaras i figur 6 .

där symboler har samma betydelse som ovan.

Hastighetsdiagram

Fig-7: Hastighetsdiagram för turbin med trycksammansatt reaktion

Hastighetsdiagrammet i figur 7 ger en detalj om de olika komponenterna av ånghastighet och bladhastighet (symboler har samma betydelse som ovan).

Se även

• Tryckblandning i turbiner

• Jachens, WB (mars 1966). "Ångturbiner - Deras konstruktion, val och drift" (PDF) . Proceedings of the South African Sugar Technologists' Association . SASTA. Arkiverad från originalet (PDF) 2018-03-21 . Hämtad 11 maj 2014 .
• "Studie av turbin - övning" (PDF) . pacetmechanical.weebly.com . PA College of Engineering and Technology.

Vidare läsning

• Venkanna BK, Fundamentals of Turbomachinery , PHI Learning Private Limited, New Delhi, 2011.
• Yahya SM, turbiner, kompressorer och fläktar (fjärde upplagan) , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, New Delhi, 2011.
• El-Wakil MM, Powerplant Technology , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, New Delhi, 2010.
• MSGOVINDE GOWDA : MM PUBLISHERS DAVANGERE,KARNATAKA,INDIA
• Singh Onkar, Applied Thermodynamics , New Age International (P) Ltd., New Delhi, 2009.