Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. в наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.
паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. в этом посте мы расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
как устроена паровая турбина
принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.
сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. в этих тонких трубах вода превращается в пар.
понятная схема работы тэц, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. источник: мосэнерго
турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. за каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).
пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. в одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.
на вход в турбину подаётся пар с высокой температурой и под большим давлением. по давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 мпа), среднего (до 5 мпа), высокого (до 15 мпа), сверхвысокого (15—22,5 мпа) и сверхкритического (свыше 22,5 мпа) давления. для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 мпа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 мпа.
чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. на вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °c! зачем так много? по мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. почему бы не перегреть пар выше? до недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.
паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.
но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает кпд турбины. для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).
цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в россии ток в сети имеет частоту 50 гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.
говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу тэс и разлетаются на расстояние в несколько километров.
1) общее сопротивление rэ1 для сопротивлений r1 и r2 рассчитывается по формуле rэ1=r1*r2/(r1+r2)=30*20/(30+20)=12 ом.
2) общее сопротивление rэ2 для сопротивлений r3,r4 и r5 рассчитывается по формуле 1/rэ2=1/r3+1/r4+1/r5, откуда 1/rэ2=1/60+1/30+1/20=0,1 см, откуда rэ2=1/0,1=10 ом.
3) ток i1=√(p1/r1)=√(10/30)=√(1/3)=1/√3 а.
4) ток i2=i1*r1/r2=1/√3*30/20=1,5/√3 а.
5) для нахождения тока i3 заменим параллельно соединённые сопротивления r4 и r5 эквивалентным: r45=r4*r5/(r4+r5)=30*20/(30+20)=12 ом. тогда i3=i*r45/(r3+r45), где i=i1+12=2,5/√3 - общий ток в цепи. отсюда i3=2,5/√3*12/72=2,5/(6*√3) а.
6) для нахождения тока i4 заменим параллельно соединённые сопротивления r3 и r5 эквивалентным: r35=r3*r5/(r3+r5)=60*20/(60+20)=15 ом. тогда i4=i*r35/(r4+r35) =2,5/√3*15/45=2,5/(3*√3) а.
7) ток i5= i-(i3+i4)=5/(4*√3) а.
8) общая мощность p=i1²*r1+i2²*r2+i3²*r3+i4²*r4+i5²*r5≈45,83 вт.
паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. в этом посте мы расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
как устроена паровая турбина
принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.
сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. в этих тонких трубах вода превращается в пар.
понятная схема работы тэц, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. источник: мосэнерго
турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. за каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).
пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. в одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.
на вход в турбину подаётся пар с высокой температурой и под большим давлением. по давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 мпа), среднего (до 5 мпа), высокого (до 15 мпа), сверхвысокого (15—22,5 мпа) и сверхкритического (свыше 22,5 мпа) давления. для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 мпа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 мпа.
чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. на вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °c! зачем так много? по мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. почему бы не перегреть пар выше? до недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.
паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.
но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает кпд турбины. для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).
цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в россии ток в сети имеет частоту 50 гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.
говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу тэс и разлетаются на расстояние в несколько километров.
ответ:
1) общее сопротивление rэ1 для сопротивлений r1 и r2 рассчитывается по формуле rэ1=r1*r2/(r1+r2)=30*20/(30+20)=12 ом.
2) общее сопротивление rэ2 для сопротивлений r3,r4 и r5 рассчитывается по формуле 1/rэ2=1/r3+1/r4+1/r5, откуда 1/rэ2=1/60+1/30+1/20=0,1 см, откуда rэ2=1/0,1=10 ом.
3) ток i1=√(p1/r1)=√(10/30)=√(1/3)=1/√3 а.
4) ток i2=i1*r1/r2=1/√3*30/20=1,5/√3 а.
5) для нахождения тока i3 заменим параллельно соединённые сопротивления r4 и r5 эквивалентным: r45=r4*r5/(r4+r5)=30*20/(30+20)=12 ом. тогда i3=i*r45/(r3+r45), где i=i1+12=2,5/√3 - общий ток в цепи. отсюда i3=2,5/√3*12/72=2,5/(6*√3) а.
6) для нахождения тока i4 заменим параллельно соединённые сопротивления r3 и r5 эквивалентным: r35=r3*r5/(r3+r5)=60*20/(60+20)=15 ом. тогда i4=i*r35/(r4+r35) =2,5/√3*15/45=2,5/(3*√3) а.
7) ток i5= i-(i3+i4)=5/(4*√3) а.
8) общая мощность p=i1²*r1+i2²*r2+i3²*r3+i4²*r4+i5²*r5≈45,83 вт.