Damp turbin -Steam turbine

En dampturbin er en maskin som trekker ut termisk energi fra trykksatt damp og bruker den til å utføre mekanisk arbeid på en roterende utgående aksel. Dens moderne manifestasjon ble oppfunnet av Charles Parsons i 1884. Fremstilling av en moderne dampturbin involverer avansert metallarbeid for å danne høyverdige stållegeringer til presisjonsdeler ved hjelp av teknologier som først ble tilgjengelig på 1900-tallet; Fortsatt fremskritt innen holdbarhet og effektivitet til dampturbiner er fortsatt sentralt for energiøkonomien i det 21. århundre.

Dampturbinen er en form for varmemotor som får mye av sin forbedring i termodynamisk effektivitet fra bruken av flere trinn i ekspansjonen av dampen, noe som resulterer i en nærmere tilnærming til den ideelle reversible ekspansjonsprosessen. Fordi turbinen genererer roterende bevegelse , er den spesielt egnet til å brukes til å drive en elektrisk generator — omtrent 85 % av all elektrisitetsproduksjon i USA i 2014 var ved bruk av dampturbiner. En dampturbin koblet til en elektrisk generator kalles en turbogenerator .

Fra og med 2021 er blant de største dampturbinene i verden Arabelle-dampturbinene produsert av GE basert på et originalt design av Alstom . En Arabelle-turbin er 7 m i diameter, veier 4000 tonn og snurrer med 1500 o/min. I en typisk kjernefysisk installasjon kreves det ytterligere 4000 tonn bærende stålkonstruksjon, samt 1000 tonn med pumper, ventiler og rør.

Tekniske bekymringer inkluderer rotorubalanse , vibrasjon , lagerslitasje og ujevn ekspansjon (ulike former for termisk sjokk ). I store installasjoner er selv den mest robuste turbinen i stand til å riste seg selv fra hverandre når den drives uten trim.

Historie

Den første enheten som kan klassifiseres som en reaksjonsdampturbin var lite mer enn et leketøy, den klassiske Aeolipile , beskrevet i det 1. århundre av Hero of Alexandria i det romerske Egypt . I 1551 beskrev Taqi al-Din i det osmanske Egypt en dampturbin med den praktiske anvendelsen av å rotere et spytt . Dampturbiner ble også beskrevet av italieneren Giovanni Branca (1629) og John Wilkins i England (1648). Enhetene beskrevet av Taqi al-Din og Wilkins er i dag kjent som steam jacks . I 1672 ble en impulsturbindrevet bil designet av Ferdinand Verbiest . En mer moderne versjon av denne bilen ble produsert en gang på slutten av 1700-tallet av en ukjent tysk mekaniker. I 1775 på Soho designet James Watt en reaksjonsturbin som ble satt i arbeid der. I 1807 designet og konstruerte Polikarp Zalesov en impulsturbin, og brukte den til brannpumpedrift. I 1827 patenterte og konstruerte franskmennene Real og Pichon en sammensatt impulsturbin.

Den moderne dampturbinen ble oppfunnet i 1884 av Charles Parsons , hvis første modell var koblet til en dynamo som genererte 7,5 kilowatt (10,1 hk) elektrisitet. Oppfinnelsen av Parsons' dampturbin gjorde billig og rikelig elektrisitet mulig og revolusjonerte sjøtransport og sjøkrigføring. Parsons design var en reaksjonstype . Patentet hans ble lisensiert og turbinen oppskalert kort tid etter av en amerikaner, George Westinghouse . Parsons-turbinen viste seg også å være lett å skalere opp. Parsons hadde tilfredsstillelsen av å se sin oppfinnelse tatt i bruk for alle verdens store kraftstasjoner, og størrelsen på generatorer hadde økt fra hans første 7,5 kilowatt (10,1 hk) satt opp til enheter på 50 000 kilowatt (67 000 hk) kapasitet. I løpet av Parsons levetid ble produksjonskapasiteten til en enhet oppskalert med omtrent 10 000 ganger, og den totale produksjonen fra turbogeneratorer konstruert av firmaet hans CA Parsons and Company og av deres lisenshavere, for landformål alene, hadde overskredet tretti millioner hester -makt.

Det er utviklet andre varianter av turbiner som fungerer effektivt med damp. De Laval-turbinen (oppfunnet av Gustaf de Laval ) akselererte dampen til full hastighet før den kjørte den mot et turbinblad. De Lavals impulsturbin er enklere og rimeligere og trenger ikke å være trykksikker. Den kan operere med hvilket som helst trykk av damp, men er betydelig mindre effektiv. Auguste Rateau utviklet en trykksammensatt impulsturbin ved bruk av de Laval-prinsippet allerede i 1896, oppnådde et amerikansk patent i 1903 og brukte turbinen på en fransk torpedobåt i 1904. Han underviste ved École des mines de Saint-Étienne i en tiår frem til 1897, og grunnla senere et vellykket selskap som ble innlemmet i Alstom - firmaet etter hans død. En av grunnleggerne av den moderne teorien om damp- og gassturbiner var Aurel Stodola , en slovakisk fysiker og ingeniør og professor ved Swiss Polytechnical Institute (nå ETH ) i Zürich. Hans verk Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (engelsk: The Steam Turbine and its prospective use as a Heat Engine) ble utgitt i Berlin i 1903. En ytterligere bok Dampf und Gas-Turbinen (engelsk: Steam and Gas Turbines) ble utgitt i 1922.

Brown-Curtis-turbinen , en impulstype , som opprinnelig ble utviklet og patentert av det amerikanske selskapet International Curtis Marine Turbine Company, ble utviklet på 1900-tallet i samarbeid med John Brown & Company . Den ble brukt i John Brown-motoriserte handelsskip og krigsskip, inkludert rutebåter og Royal Navy krigsskip.

Produksjon

Dagens produksjonsindustri for dampturbiner er laget av produsenter inkludert:

• Siemens
• WEG
• Mitsubishi KwHI Toshiba IHI
• General Electric
• Turboatom
• Silmash og Ural TW
• BHEL
• Alstom , Doosan Škoda Power , Ansaldo Nevsky Turbine Plant (Nevsky NTW)  [ ru ] KTZ Energomash - Atomenergo MAPNA og Toshiba . og kinesiske produsenter som blant andre Harbin Electric , Shanghai Electric og Dongfang Electric .

Typer

Dampturbiner lages i en rekke størrelser, fra små <0,75 kW (<1 hk) enheter (sjelden) brukt som mekaniske drivenheter for pumper, kompressorer og annet akseldrevet utstyr, til 1 500 MW (2 000 000 hk) turbiner som brukes til å generere elektrisitet . Det er flere klassifiseringer for moderne dampturbiner.

Blad- og scenedesign

Turbinblader er av to grunnleggende typer, blader og dyser . Bladene beveger seg helt på grunn av virkningen av damp på dem, og profilene deres konvergerer ikke. Dette resulterer i et damphastighetsfall og i hovedsak ikke noe trykkfall når damp beveger seg gjennom bladene. En turbin som består av blader vekslende med faste dyser kalles en impulsturbin ,Curtis-turbin , Rateau-turbin eller Brown-Curtis-turbin . Dyser ser ut som blader, men profilene deres konvergerer nær utgangen. Dette resulterer i et damptrykkfall og hastighetsøkning når damp beveger seg gjennom dysene. Dyser beveger seg på grunn av både innvirkningen av damp på dem og reaksjonen på grunn av høyhastighetsdampen ved utgangen. En turbin som består av bevegelige dyser vekslende med faste dyser kalles en reaksjonsturbin eller Parsons turbin .

Bortsett fra applikasjoner med lav effekt, er turbinblader arrangert i flere trinn i serie, kalt compounding , som i stor grad forbedrer effektiviteten ved lave hastigheter. Et reaksjonstrinn er en rad med faste dyser etterfulgt av en rad med bevegelige dyser. Flere reaksjonstrinn deler trykkfallet mellom dampinntaket og eksosen i mange små dråper, noe som resulterer i en trykksammensatt turbin. Impulsstadier kan være enten trykksammensatte, hastighetssammensatte eller trykkhastighetssammensatte. Et trykksammensatt impulstrinn er en rad med faste dyser etterfulgt av en rad med bevegelige blader, med flere trinn for blanding. Dette er også kjent som en Rateau-turbin, etter oppfinneren. Et hastighetssammensatt impulstrinn (oppfunnet av Curtis og også kalt et "Curtis-hjul") er en rad med faste dyser etterfulgt av to eller flere rader med bevegelige kniver som veksler med rader med faste kniver. Dette deler hastighetsfallet over scenen i flere mindre dråper. En serie med hastighetssammensatte impulstrinn kalles en trykk-hastighets sammensatt turbin.

I 1905, da dampturbiner ble tatt i bruk på raske skip (som HMS  Dreadnought ) og i landbaserte kraftapplikasjoner, hadde det blitt bestemt at det var ønskelig å bruke ett eller flere Curtis-hjul i begynnelsen av et flertrinns turbin (hvor damptrykket er høyest), etterfulgt av reaksjonstrinn. Dette var mer effektivt med høytrykksdamp på grunn av redusert lekkasje mellom turbinrotoren og foringsrøret. Dette er illustrert på tegningen av den tyske 1905 AEG marine dampturbin. Dampen fra kjelene kommer inn fra høyre ved høyt trykk gjennom en gasspjeld , kontrollert manuelt av en operatør (i dette tilfellet en sjømann kjent som throttleman). Den passerer gjennom fem Curtis-hjul og mange reaksjonstrinn (de små bladene på kantene av de to store rotorene i midten) før den går ut ved lavt trykk, nesten helt sikkert til en kondensator . Kondensatoren gir et vakuum som maksimerer energien som trekkes ut fra dampen, og kondenserer dampen til matevann som returneres til kjelene. På venstre side er flere ekstra reaksjonstrinn (på to store rotorer) som roterer turbinen i revers for akterover, med damp som slippes inn av en separat gass. Siden skip sjelden drives i revers, er effektivitet ikke en prioritet i akterturbiner, så bare noen få trinn brukes for å spare kostnader.

Bladdesignutfordringer

En stor utfordring for turbindesign var å redusere krypingen som bladene opplever. På grunn av de høye temperaturene og høye driftsspenningene, blir dampturbinmaterialer skadet gjennom disse mekanismene. Når temperaturene økes i et forsøk på å forbedre turbineffektiviteten, blir kryp betydelig. For å begrense krypning brukes termiske belegg og superlegeringer med solid løsningsforsterkning og korngrenseforsterkning i bladdesign.

Beskyttende belegg brukes for å redusere den termiske skaden og for å begrense oksidasjon . Disse beleggene er ofte stabilisert zirkoniumdioksid- basert keramikk. Bruk av et termisk beskyttende belegg begrenser temperatureksponeringen til nikkelsuperlegeringen. Dette reduserer krypemekanismene som oppleves i bladet. Oksidasjonsbelegg begrenser effektivitetstap forårsaket av en opphopning på utsiden av bladene, noe som er spesielt viktig i høytemperaturmiljø.

De nikkelbaserte bladene er legert med aluminium og titan for å forbedre styrke og krypemotstand. Mikrostrukturen til disse legeringene er sammensatt av forskjellige sammensetningsområder. En jevn spredning av gamma-prime-fasen – en kombinasjon av nikkel, aluminium og titan – fremmer styrken og krypemotstanden til bladet på grunn av mikrostrukturen.

Ildfaste elementer som rhenium og ruthenium kan tilsettes legeringen for å forbedre krypestyrken. Tilsetningen av disse elementene reduserer diffusjonen av gamma-primefasen, og bevarer dermed utmattelsesmotstanden , styrken og krypemotstanden.

Damptilførsel og eksosforhold

Turbintyper inkluderer kondensering, ikke-kondenserende, gjenoppvarming, ekstraksjon og induksjon.

Kondenserende turbiner

Kondenserende turbiner finnes oftest i elektriske kraftverk. Disse turbinene mottar damp fra en kjele og eksoserer den til en kondensator . Den uttømte dampen har et trykk godt under atmosfærisk og er i en delvis kondensert tilstand, typisk av en kvalitet nær 90%.

Ikke-kondenserende turbiner

Ikke-kondenserende turbiner er mest brukt for prosessdampapplikasjoner, der dampen vil bli brukt til tilleggsformål etter å ha blitt uttømt fra turbinen. Eksostrykket styres av en reguleringsventil for å passe behovene til prosessdamptrykket. Disse er ofte funnet ved raffinerier, fjernvarmeanlegg, tremasse- og papiranlegg og avsaltingsanlegg der store mengder lavtrykksprosessdamp er nødvendig.

Varm opp turbiner

Oppvarmingsturbiner brukes også nesten utelukkende i elektriske kraftverk. I en gjenoppvarmingsturbin kommer dampstrømmen ut fra en høytrykksseksjon av turbinen og returneres til kjelen hvor ytterligere overheting tilføres. Dampen går deretter tilbake til en mellomtrykksseksjon av turbinen og fortsetter sin ekspansjon. Å bruke gjenoppvarming i en syklus øker arbeidseffekten fra turbinen, og ekspansjonen når konklusjon før dampen kondenserer, og minimerer dermed erosjonen av bladene i de siste radene. I de fleste tilfellene er maksimalt antall gjenoppvarminger brukt i en syklus 2, da kostnadene ved overoppheting av dampen opphever økningen i arbeidsytelsen fra turbinen.

Uttak av turbiner

Turbiner av uttrekkstype er vanlige i alle applikasjoner. I en turbin av ekstraksjonstypen frigjøres damp fra ulike stadier av turbinen, og brukes til industrielle prosessbehov eller sendes til kjelefødevannvarmere for å forbedre den totale sykluseffektiviteten. Avtrekksstrømmer kan styres med en ventil, eller forlates ukontrollert. Utvunnet damp resulterer i tap av kraft i nedstrøms stadier av turbinen.

Induksjonsturbiner introduserer lavtrykksdamp på et mellomtrinn for å produsere ekstra kraft.

Foringsrør eller akselarrangement

Disse arrangementene inkluderer turbiner med enkelt foringsrør, tandemblanding og krysssammensatte turbiner. Enkelthusenheter er den mest grunnleggende stilen der et enkelt foringsrør og aksel er koblet til en generator. Tandemblanding brukes der to eller flere foringsrør er direkte koblet sammen for å drive en enkelt generator. Et krysssammensatt turbinarrangement har to eller flere aksler som ikke er på linje og driver to eller flere generatorer som ofte opererer med forskjellige hastigheter. En krysssammensatt turbin brukes vanligvis til mange store applikasjoner. En typisk marineinstallasjon fra 1930-1960-tallet er illustrert nedenfor; dette viser høy- og lavtrykksturbiner som driver et vanlig reduksjonsgir, med en giret marsjfturbin på én høytrykksturbin.

To-strøms rotorer

Den bevegelige dampen gir både en tangentiell og aksial skyvekraft på turbinakselen, men den aksiale skyvekraften i en enkel turbin er uten motsetning. For å opprettholde riktig rotorposisjon og balansering, må denne kraften motvirkes av en motkraft. Trykklagre kan brukes til aksellagrene, rotoren kan bruke dummystempler, det kan være dobbeltstrøm - dampen kommer inn i midten av akselen og kommer ut i begge ender, eller en kombinasjon av noen av disse. I en dobbelstrømsrotor vender bladene i hver halvdel motsatte veier, slik at aksialkreftene opphever hverandre, men tangentialkreftene virker sammen. Denne utformingen av rotoren kalles også to-strøm , dobbel-aksial-strøm eller dobbel eksos . Dette arrangementet er vanlig i lavtrykkshus til en sammensatt turbin.

Prinsipp for drift og design

En ideell dampturbin anses å være en isentropisk prosess , eller konstant entropiprosess, der entropien til dampen som kommer inn i turbinen er lik entropien til dampen som forlater turbinen. Ingen dampturbin er virkelig isentropisk, men med typiske isentropiske virkningsgrader som varierer fra 20 til 90 % basert på turbinens bruk. Det indre av en turbin består av flere sett med blader eller bøtter . Ett sett med stasjonære blad er koblet til foringsrøret og ett sett med roterende blad er koblet til akselen. Settene griper sammen med visse minimumsklaringer, med størrelsen og konfigurasjonen av settene som varierer for å effektivt utnytte utvidelsen av damp i hvert trinn.

Den praktiske termiske effektiviteten til en dampturbin varierer med turbinstørrelse, lasttilstand, gapstap og friksjonstap. De når toppverdier opp til ca. 50 % i en 1.200 MW (1.600.000 hk) turbin; mindre har lavere effektivitet. For å maksimere turbineffektiviteten utvides dampen og utfører arbeid i en rekke trinn. Disse stadiene er preget av hvordan energien utvinnes fra dem og er kjent som enten impuls- eller reaksjonsturbiner. De fleste dampturbiner bruker en blanding av reaksjons- og impulsdesign: hvert trinn oppfører seg som enten det ene eller det andre, men den totale turbinen bruker begge deler. Vanligvis er seksjoner med lavere trykk reaksjonstypen og trinn med høyere trykk er impulstypen.

Impulsturbiner

En impulsturbin har faste dyser som orienterer dampstrømmen inn i høyhastighetsstråler. Disse strålene inneholder betydelig kinetisk energi, som omdannes til akselrotasjon av de bøtteformede rotorbladene, ettersom dampstrålen endrer retning. Et trykkfall oppstår bare over de stasjonære bladene, med en netto økning i damphastigheten over scenen. Når dampen strømmer gjennom dysen, faller trykket fra innløpstrykket til utgangstrykket (atmosfærisk trykk eller, mer vanlig, kondensatorvakuum). På grunn av dette høye forholdet mellom ekspansjon av damp, forlater dampen dysen med en meget høy hastighet. Dampen som forlater de bevegelige bladene har en stor del av den maksimale hastigheten til dampen når den forlater dysen. Tapet av energi på grunn av denne høyere utgangshastigheten kalles vanligvis overførselshastigheten eller utløpstapet.

Loven om momentum tilsier at summen av momentene av ytre krefter som virker på en væske som midlertidig opptar kontrollvolumet er lik netto tidsendring av vinkelmomentfluks gjennom kontrollvolumet.

Den virvlende væsken kommer inn i kontrollvolumet ved radius med tangentiell hastighet og forlater ved radius med tangentiell hastighet . ${\displaystyle r_{1}}$${\displaystyle V_{w1}}$${\displaystyle r_{2}}$${\displaystyle V_{w2}}$

En hastighetstrekant baner vei for en bedre forståelse av sammenhengen mellom de ulike hastighetene. I figuren ved siden av har vi:

${\displaystyle V_{1}}$og er de absolutte hastighetene ved henholdsvis innløpet og utløpet.${\displaystyle V_{2}}$

${\displaystyle V_{f1}}$og er strømningshastighetene ved henholdsvis innløp og utløp.${\displaystyle V_{f2}}$

${\displaystyle V_{w1}}$og er virvelhastighetene ved henholdsvis innløpet og utløpet i den bevegelige referansen.${\displaystyle V_{w2}}$

${\displaystyle V_{r1}}$og er de relative hastighetene ved henholdsvis innløpet og utløpet.${\displaystyle V_{r2}}$

${\displaystyle U_{1}}$og er hastighetene til bladet ved henholdsvis innløpet og utløpet.${\displaystyle U_{2}}$

${\displaystyle \alpha }$er ledevingevinkelen og er bladvinkelen.${\displaystyle \beta }$

Deretter av loven om momentum, er dreiemomentet på væsken gitt av:

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

For en impulsdampturbin: . Derfor er den tangentielle kraften på bladene . Arbeidet utført per tidsenhet eller kraft utviklet: . ${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$${\displaystyle W=T\omega }$

Når ω er vinkelhastigheten til turbinen, er bladhastigheten . Kraften som utvikles er da . ${\displaystyle U=\omega r}$${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$

Bladeffektivitet

Bladeffektivitet ( ) kan defineres som forholdet mellom arbeidet utført på bladene og kinetisk energi som tilføres væsken, og er gitt av ${\displaystyle {\eta _{b}}}$

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {\mathrm {Arbeid~Ferdig} }{\mathrm {Kinetic~Energy~Supplied} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{{V_ {1}}^{2}}}}$

Stageeffektivitet

Et trinn av en impulsturbin består av et dysesett og et hjul i bevegelse. Stadieeffektiviteten definerer et forhold mellom entalpifall i dysen og arbeid utført i scenen.

${\displaystyle {\eta _{\mathrm {stage} }}={\frac {\mathrm {Arbeid~utført~på~blad} }{\mathrm {Energi~tilført~per~trinn}}}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$

Hvor er den spesifikke entalpidråpen av damp i dysen. ${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$

Ved termodynamikkens første lov :

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

Forutsatt at det er betydelig mindre enn , får vi . Videre er sceneeffektivitet produktet av bladeffektivitet og dyseeffektivitet, eller . ${\displaystyle V_{1}}$${\displaystyle V_{2}}$${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$

Dyseeffektivitet er gitt av , hvor entalpien (i J/Kg) til damp ved inngangen til dysen er og entalpien til damp ved utgangen av dysen er . ${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$${\displaystyle h_{1}}$${\displaystyle h_{2}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&= V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac { V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$

Forholdet mellom cosinusene til bladvinklene ved utløp og innløp kan tas og betegnes . Forholdet mellom damphastigheter i forhold til rotorhastigheten ved utløpet til bladets innløp er definert av friksjonskoeffisienten . ${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$

${\displaystyle k<1}$og viser tapet i den relative hastigheten på grunn av friksjon når dampen strømmer rundt bladene ( for glatte blader). ${\displaystyle k=1}$

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\ venstre(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$

Forholdet mellom bladhastigheten og den absolutte damphastigheten ved innløpet kalles bladhastighetsforholdet . ${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle \eta _{b}}$er maksimum når eller, . Det innebærer og derfor . Nå (for en ettrinns impulsturbin). ${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$${\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$

Derfor oppnås den maksimale verdien av sceneeffektivitet ved å sette verdien av i uttrykket til . ${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle \eta _{b}}$

Vi får :. ${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=2\venstre(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)= {\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}$

For likekantede blader får vi derfor . Hvis friksjonen på grunn av bladoverflaten neglisjeres så . ${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$${\displaystyle c=1}$${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

Konklusjoner om maksimal effektivitet

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

1. For en gitt damphastighet vil arbeid utført per kg damp være maksimalt når eller .${\displaystyle \cos ^{2}\alpha _{1}=1}$${\displaystyle \alpha _{1}=0}$
2. Etter hvert som det øker, reduseres arbeidet som gjøres på bladene, men samtidig reduseres overflatearealet til bladet, derfor er det mindre friksjonstap.${\displaystyle \alpha _{1}}$

Reaksjonsturbiner

I reaksjonsturbinen er selve rotorbladene arrangert for å danne konvergerende dyser . Denne typen turbiner utnytter reaksjonskraften som produseres når dampen akselererer gjennom dysene som dannes av rotoren. Damp ledes inn på rotoren av statorens faste skovler . Den forlater statoren som en stråle som fyller hele omkretsen av rotoren. Dampen endrer deretter retning og øker hastigheten i forhold til hastigheten til bladene. Et trykkfall oppstår over både statoren og rotoren, med damp som akselererer gjennom statoren og bremser ned gjennom rotoren, uten netto endring i damphastighet over trinnet, men med en reduksjon i både trykk og temperatur, noe som gjenspeiler arbeidet utført i kjøring av rotoren.

Bladeffektivitet

Energitilførsel til bladene i et trinn:

${\displaystyle E=\Delta h}$er lik den kinetiske energien som tilføres de faste bladene (f) + den kinetiske energien som tilføres de bevegelige bladene (m).

Eller, = entalpifall over de faste bladene, + entalpifall over de bevegelige bladene, . ${\displaystyle E}$${\displaystyle \Delta h_{f}}$${\displaystyle \Delta h_{m}}$

Effekten av ekspansjon av damp over de bevegelige bladene er å øke den relative hastigheten ved utgangen. Derfor er den relative hastigheten ved utgangen alltid større enn den relative hastigheten ved innløpet . ${\displaystyle V_{r2}}$${\displaystyle V_{r1}}$

Når det gjelder hastigheter, er entalpifallet over de bevegelige bladene gitt av:

${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$

(det bidrar til en endring i statisk trykk)

Entalpifallet i de faste bladene, med antagelsen om at damphastigheten som kommer inn i de faste bladene er lik hastigheten på dampen som forlater de tidligere bevegelige bladene, er gitt av:

${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$

hvor V ₀ er innløpshastigheten til damp i dysen

${\displaystyle V_{0}}$er veldig liten og kan derfor neglisjeres. Derfor,${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac { V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$

En svært mye brukt design har halv grad av reaksjon eller 50 % reaksjon, og dette er kjent som Parsons turbin . Denne består av symmetriske rotor- og statorblader. For denne turbinen er hastighetstrekanten lik, og vi har:

${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$,${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$

${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$,${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

Forutsatt Parsons turbin og få alle uttrykkene vi får

${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$

Fra innløpshastighetstrekanten har vi${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2 }}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1 }\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$

Utført arbeid (for enhetsmassestrøm per sekund):${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Derfor er bladeffektiviteten gitt av

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{ 1}U\cos \alpha _{1}}}}$

Tilstand med maksimal bladeffektivitet

Hvis , da ${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{V_{1}^{2} -U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}}}$

For maksimal effektivitet får vi ${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$

${\displaystyle \left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2 \rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)=0}$

og dette gir til slutt${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

Derfor er funnet ved å sette verdien av i uttrykket av bladeffektivitet ${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}} }$

Drift og vedlikehold

På grunn av det høye trykket som brukes i dampkretsene og materialene som brukes, har dampturbiner og deres foringsrør høy termisk treghet . Ved oppvarming av en dampturbin for bruk, har hoveddampstoppventilene (etter kjelen) en omløpsledning for å la overopphetet damp sakte omgå ventilen og fortsette å varme opp ledningene i systemet sammen med dampturbinen. Et dreiegir er også koblet inn når det ikke er damp som sakte roterer turbinen for å sikre jevn oppvarming for å forhindre ujevn ekspansjon . Etter først å ha rotert turbinen ved hjelp av dreiegiret, slik at rotoren har fått tid til å anta et rett plan (ingen bøying), kobles svinghjulet ut og damp slippes inn i turbinen, først til aktervingene og deretter sakte til de forreste bladene. rotere turbinen med 10–15 RPM (0,17–0,25 Hz) for sakte å varme opp turbinen. Oppvarmingsprosedyren for store dampturbiner kan overstige ti timer.

Under normal drift kan ubalanse i rotoren føre til vibrasjoner, som på grunn av de høye rotasjonshastighetene kan føre til at et blad løsner fra rotoren og gjennom foringsrøret. For å redusere denne risikoen legges det ned betydelig innsats for å balansere turbinen. Turbiner kjøres også med høykvalitetsdamp: enten overopphetet (tørr) damp eller mettet damp med høy tørrhetsfraksjon. Dette forhindrer den raske støt og erosjon av bladene som oppstår når kondensvann blåses på bladene (fuktighetsoverføring). Også flytende vann som kommer inn i bladene kan skade trykklagrene til turbinakselen. For å forhindre dette, sammen med kontroller og ledeplater i kjelene for å sikre høykvalitets damp, er det installert kondensatavløp i damprøret som fører til turbinen.

Vedlikeholdskravene til moderne dampturbiner er enkle og medfører lave kostnader (vanligvis rundt $0,005 per kWh); deres operative levetid overstiger ofte 50 år.

Hastighetsregulering

Styring av en turbin med en regulator er viktig, siden turbiner må kjøres sakte opp for å forhindre skade, og enkelte applikasjoner (som generering av vekselstrøm) krever nøyaktig hastighetskontroll. Ukontrollert akselerasjon av turbinrotoren kan føre til en turtallsutløsning, noe som gjør at regulatoren og strupeventilene som styrer dampstrømmen til turbinen stenger. Hvis disse ventilene svikter, kan turbinen fortsette å akselerere til den går i stykker, ofte katastrofalt. Turbiner er dyre å lage, og krever presisjonsfremstilling og spesielle kvalitetsmaterialer.

Ved normal drift synkronisert med strømnettet styres kraftverkene med fem prosent nedhengningshastighetskontroll . Dette betyr at fulllasthastigheten er 100 % og tomgangshastigheten er 105 %. Dette er nødvendig for stabil drift av nettet uten jakt og frafall av kraftverk. Normalt er endringene i hastighet små. Justeringer i kraftuttaket gjøres ved sakte å heve fallkurven ved å øke fjærtrykket på en sentrifugalregulator . Generelt er dette et grunnleggende systemkrav for alle kraftverk fordi de eldre og nyere anleggene må være kompatible som svar på de øyeblikkelige frekvensendringene uten å være avhengig av kommunikasjon utenfra.

Termodynamikk til dampturbiner

Dampturbinen opererer på grunnleggende termodynamiske prinsipper ved å bruke del 3-4 av Rankine-syklusen vist i diagrammet ved siden av. Overopphetet damp (eller tørr mettet damp, avhengig av bruk) forlater kjelen ved høy temperatur og høyt trykk. Ved inngang til turbinen får dampen kinetisk energi ved å passere gjennom en dyse (en fast dyse i en impulsturbin eller de faste bladene i en reaksjonsturbin). Når dampen forlater dysen, beveger den seg med høy hastighet mot bladene på turbinrotoren. En kraft skapes på bladene på grunn av trykket fra dampen på bladene som får dem til å bevege seg. En generator eller annen slik enhet kan plasseres på akselen, og energien som var i dampen kan nå lagres og brukes. Dampen forlater turbinen som en mettet damp (eller væske-dampblanding avhengig av bruk) ved en lavere temperatur og trykk enn den kom inn med og sendes til kondensatoren for avkjøling. Den første loven gjør oss i stand til å finne en formel for hastigheten som arbeid utvikles med per masseenhet. Forutsatt at det ikke er varmeoverføring til omgivelsene og at endringene i kinetisk og potensiell energi er ubetydelige sammenlignet med endringen i spesifikk entalpi , kommer vi til følgende ligning

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

hvor

• Ẇ er hastigheten som arbeidet utvikles med per tidsenhet
• ṁ er hastigheten på massestrømmen gjennom turbinen

Isentropisk effektivitet

For å måle hvor godt en turbin yter kan vi se på dens isentropiske effektivitet. Dette sammenligner den faktiske ytelsen til turbinen med ytelsen som ville oppnås med en ideell, isentropisk turbin. Ved beregning av denne virkningsgraden antas varmetap til omgivelsene å være null. Dampens starttrykk og temperatur er det samme for både de faktiske og de ideelle turbinene, men ved turbinutgang er dampens energiinnhold ('spesifikk entalpi') for den faktiske turbinen større enn for den ideelle turbinen på grunn av irreversibilitet i den faktiske turbinen. . Den spesifikke entalpien blir evaluert ved samme damptrykk for de faktiske og ideelle turbinene for å gi en god sammenligning mellom de to.

Den isentropiske effektiviteten finner man ved å dele det faktiske arbeidet med det ideelle arbeidet.

${\displaystyle \eta _{t}={\frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}}$

hvor

• h ₃ er den spesifikke entalpien ved tilstand tre
• h ₄ er den spesifikke entalpien ved tilstand 4 for den aktuelle turbinen
• h _4s er den spesifikke entalpien ved tilstand 4s for den isentropiske turbinen

(men merk at diagrammet ved siden av ikke viser tilstand 4s: det er vertikalt under tilstand 3)

Direkte kjøring

Elektriske kraftstasjoner bruker store dampturbiner som driver elektriske generatorer for å produsere det meste (omtrent 80%) av verdens elektrisitet. Fremkomsten av store dampturbiner gjorde elektrisitetsproduksjon på sentralstasjonen praktisk, siden stempelmotorer med stor karakter ble veldig klumpete og opererte med lave hastigheter. De fleste sentralstasjonene er kraftverk med fossilt brensel og atomkraftverk ; noen installasjoner bruker geotermisk damp, eller bruker konsentrert solenergi (CSP) for å lage dampen. Dampturbiner kan også brukes direkte til å drive store sentrifugalpumper , for eksempel fødevannspumper ved et termisk kraftverk .

Turbinene som brukes til elektrisk kraftproduksjon er oftest direkte koblet til sine generatorer. Siden generatorene må rotere med konstante synkrone hastigheter i henhold til frekvensen til det elektriske kraftsystemet, er de vanligste hastighetene 3000 RPM for 50 Hz systemer, og 3600 RPM for 60 Hz systemer. Siden atomreaktorer har lavere temperaturgrenser enn fossilfyrte anlegg, med lavere dampkvalitet , kan turbingeneratorsettene være innrettet til å operere med halvparten av disse hastighetene, men med firepolede generatorer, for å redusere erosjon av turbinblader.

Marine fremdrift

I dampskip er fordelene med dampturbiner fremfor stempelmotorer mindre størrelse, lavere vedlikehold, lettere vekt og lavere vibrasjon. En dampturbin er effektiv bare når den opererer i tusenvis av RPM, mens de mest effektive propelldesignene er for hastigheter mindre enn 300 RPM; følgelig kreves det vanligvis presise (dermed dyre) reduksjonsgir, selv om mange tidlige skip gjennom første verdenskrig , slik som Turbinia , hadde direkte drift fra dampturbinene til propellakslene. Et annet alternativ er turboelektrisk transmisjon , der en elektrisk generator drevet av høyhastighetsturbinen brukes til å kjøre en eller flere saktehastighets elektriske motorer koblet til propellakslene; presisjonsskjæring av gir kan være en produksjonsflaskehals under krigstid. Turbo-elektrisk drivverk ble mest brukt i store amerikanske krigsskip designet under første verdenskrig og i noen hurtigruter, og ble brukt i noen troppetransporter og masseproduksjon av destroyer-eskorte i andre verdenskrig .

De høyere kostnadene for turbiner og tilhørende gir eller generator/motorsett oppveies av lavere vedlikeholdskrav og den mindre størrelsen på en turbin sammenlignet med en stempelmotor med lik effekt, selv om drivstoffkostnadene er høyere enn for en dieselmotor fordi dampturbiner har lavere termisk effektivitet. For å redusere drivstoffkostnadene har den termiske effektiviteten til begge motortyper blitt forbedret gjennom årene.

Tidlig utvikling

Utviklingen av marin fremdrift av dampturbiner fra 1894 til 1935 ble dominert av behovet for å forene turbinens høye effektive turtall med den lave effektive hastigheten (mindre enn 300 rpm) til skipets propell til en total kostnad som er konkurransedyktig med stempelmotorer . I 1894 var effektive reduksjonsgir ikke tilgjengelig for de høye kraftene som kreves av skip, så direkte kjøring var nødvendig. I Turbinia , som har direkte drift til hver propellaksel, ble turbinens effektive turtall redusert etter innledende forsøk ved å lede dampstrømmen gjennom alle tre direktedrevne turbinene (en på hver aksel) i serie, sannsynligvis totalt rundt 200 turbinetrinn i drift. i serier. Dessuten var det tre propeller på hver aksel for drift ved høye hastigheter. Tidens høye akselhastigheter er representert av en av de første amerikanske turbindrevne destroyerne , USS  Smith , lansert i 1909, som hadde direktedrevne turbiner og hvis tre aksler dreide med 724 rpm ved 28,35 knop (52,50 km/t; 32,62) mph).

Bruken av turbiner i flere foringsrør som blåser ut damp til hverandre i serie ble standard i de fleste påfølgende marine fremdriftsapplikasjoner, og er en form for krysssammensetning . Den første turbinen ble kalt høytrykksturbinen (HP), den siste turbinen var lavtrykksturbinen (LP), og enhver turbin i mellom var en mellomtrykksturbin (IP). Et mye senere arrangement enn Turbinia kan sees på RMS  Queen Mary i Long Beach, California , lansert i 1934, der hver aksel drives av fire turbiner i serie koblet til endene av de to inngangsakslene til en enkeltreduksjonsgirkasse. De er HP-, 1st IP-, 2nd IP- og LP-turbinene.

Cruising maskineri og giring

Jakten på økonomi var enda viktigere når marsjfartene ble vurdert. Marsjhastighet er omtrent 50 % av et krigsskips maksimale hastighet og 20–25 % av dets maksimale kraftnivå. Dette vil være en hastighet som brukes på lange reiser når drivstofføkonomi er ønsket. Selv om dette brakte propellhastighetene ned til et effektivt område, ble turbineffektiviteten kraftig redusert, og tidlige turbinskip hadde dårlige cruiserekkevidder. En løsning som viste seg nyttig gjennom det meste av dampturbinens fremdriftsæra var cruiseturbinen. Dette var en ekstra turbin for å legge til enda flere trinn, først festet direkte til en eller flere aksler, utmattende til et trinn halvveis langs HP-turbinen, og ikke brukt ved høye hastigheter. Etter hvert som reduksjonsgir ble tilgjengelig rundt 1911, hadde noen skip, spesielt slagskipet USS  Nevada , dem på cruiseturbiner mens de beholdt direktedrevne hovedturbiner. Reduksjonsgir tillot turbiner å operere i sitt effektive område med mye høyere hastighet enn akselen, men var dyre å produsere.

Cruisingturbiner konkurrerte først med stempelmotorer for drivstofføkonomi. Et eksempel på oppbevaring av stempelmotorer på hurtiggående skip var den berømte RMS  Olympic i 1911, som sammen med søstrene RMS  Titanic og HMHS  Britannic hadde trippelekspansjonsmotorer på de to utenbordsakslingene, begge utmattende til en LP-turbin på senterakselen. . Etter å ha tatt i bruk turbiner med slagskipene av Delaware -klassen som ble lansert i 1909, gikk den amerikanske marinen tilbake til stempelmaskineri på slagskipene i New York -klassen fra 1912, og gikk deretter tilbake til turbiner på Nevada i 1914. Den vedvarende forkjærligheten for stempelmaskineri var fordi US Navy hadde ingen planer om kapitalskip som oversteg 21 knop (39 km/t; 24 mph) før etter første verdenskrig, så toppfart var mindre viktig enn økonomisk cruising. USA hadde ervervet Filippinene og Hawaii som territorier i 1898, og manglet den britiske kongelige marinens verdensomspennende nettverk av kulestasjoner . Således hadde den amerikanske marinen i 1900–1940 det største behovet for drivstofføkonomi i noen nasjoner, spesielt ettersom utsiktene til krig med Japan dukket opp etter første verdenskrig. Dette behovet ble forsterket av at USA ikke lanserte noen kryssere 1908–1920, så destroyere ble pålagt å utføre langdistanseoppdrag som vanligvis ble tildelt kryssere. Så forskjellige cruiseløsninger ble montert på amerikanske destroyere som ble lansert 1908–1916. Disse inkluderte små frem- og tilbakegående motorer og girede eller ugirede cruiseturbiner på en eller to aksler. Men når fullt girede turbiner viste seg å være økonomiske med hensyn til opprinnelige kostnader og drivstoff ble de raskt tatt i bruk, med cruiseturbiner også inkludert på de fleste skip. Fra 1915 hadde alle nye Royal Navy destroyere fullt girede turbiner, og USA fulgte etter i 1917.

I Royal Navy var fart prioritert inntil slaget ved Jylland i midten av 1916 viste at i kampkrysserne var det ofret for mye rustning i jakten på dem. Britene brukte utelukkende turbindrevne krigsskip fra 1906. Fordi de innså at en lang rekkevidde ville være ønskelig gitt deres verdensomspennende imperium, ble noen krigsskip, spesielt slagskipene av Queen Elizabeth -klassen , utstyrt med cruiseturbiner fra 1912 og utover etter tidligere eksperimentelle installasjoner .

I den amerikanske marinen introduserte ødeleggerne av Mahan -klassen , lansert 1935–36, dobbeltreduksjonsgir. Dette økte turbinhastigheten ytterligere over akselhastigheten, og tillot mindre turbiner enn enkeltreduksjonsgir. Damptrykk og temperaturer økte også gradvis, fra 300 psi (2100 kPa)/425 °F (218 °C) [mettet damp] på Wickes - klassen fra første verdenskrig til 615 psi (4240 kPa)/850 °F ( 454 °C) [overopphetet damp] på noen Fletcher -klasse destroyere fra andre verdenskrig og senere skip. En standardkonfigurasjon dukket opp av en aksialstrøms høytrykksturbin (noen ganger med en cruiseturbin festet) og en dobbeltaksialstrøms lavtrykksturbin koblet til en dobbeltreduksjonsgirkasse. Denne ordningen fortsatte gjennom hele damptiden i den amerikanske marinen og ble også brukt i noen Royal Navy-design. Maskineri med denne konfigurasjonen kan sees på mange bevarte krigsskip fra andre verdenskrig i flere land.

Da byggingen av krigsskip fra den amerikanske marinen ble gjenopptatt på begynnelsen av 1950-tallet, brukte de fleste overflatestridende og hangarskip 1200 psi (8.300 kPa)/950 °F (510 °C) damp. Dette fortsatte til slutten av den amerikanske marinens dampdrevne krigsskip-æra med Knox -klassens fregatter på begynnelsen av 1970-tallet. Amfibie- og hjelpeskip fortsatte å bruke 600 psi (4100 kPa) damp etter andre verdenskrig, med USS  Iwo Jima , lansert i 2001, muligens det siste ikke-atomdrevne dampdrevne skipet bygget for den amerikanske marinen.

Turboelektrisk drift

Turboelektrisk drift ble introdusert på slagskipet USS  New Mexico , lansert i 1917. I løpet av de neste åtte årene lanserte den amerikanske marinen fem ekstra turboelektrisk drevne slagskip og to hangarskip (opprinnelig bestilt som Lexington -klasse slagkryssere ). Ti flere turboelektriske hovedskip var planlagt, men kansellert på grunn av grensene som ble pålagt av Washington Naval Treaty .

Selv om New Mexico ble utstyrt med girede turbiner i en ombygging fra 1931–1933, beholdt de gjenværende turboelektriske skipene systemet gjennom hele karrieren. Dette systemet brukte to store dampturbingeneratorer for å drive en elektrisk motor på hver av fire aksler. Systemet var i utgangspunktet mindre kostbart enn reduksjonsgir og gjorde skipene mer manøvrerbare i havn, med akslingene i stand til å reversere raskt og levere mer reverskraft enn med de fleste girsystemer.

Noen havforinger ble også bygget med turboelektrisk drift, det samme var noen troppetransporter og masseproduksjonsdestroyereskorte i andre verdenskrig . Men da USA designet "traktatkrysserne", som startet med USS  Pensacola lansert i 1927, ble giret turbiner brukt for å spare vekt, og forble i bruk for alle hurtige dampdrevne skip deretter.

Nåværende bruk

Siden 1980-tallet har dampturbiner blitt erstattet av gassturbiner på hurtiggående skip og av dieselmotorer på andre skip; unntak er atomdrevne skip og ubåter og LNG-skip . Noen hjelpeskip fortsetter å bruke dampfremdrift.

I den amerikanske marinen er den konvensjonelt drevne dampturbinen fortsatt i bruk på alle unntatt ett av Wasp-klassens amfibiske angrepsskip. Royal Navy dekommisjonerte sin siste konvensjonelle dampdrevne overflatekrigsskipsklasse, Fearless-klassen landingsplattformdokken , i 2002, med den italienske marinen som fulgte i 2006 ved å ta ut sine siste konvensjonelle dampdrevne overflatekrigsskip, Audace - klassens destroyere . I 2013 avsluttet den franske marinen sin damptid med avviklingen av sin siste fregatt i Tourville -klassen . Blant de andre blåvannsflåtene opererer den russiske marinen for tiden dampdrevne Kuznetsov - klasse hangarskip og Sovremenny -klasse destroyere . Den indiske marinen opererer for tiden INS Vikramaditya , et modifisert hangarskip av Kiev -klassen ; det opererer også tre Brahmaputra -klasse fregatter som ble tatt i bruk på begynnelsen av 2000-tallet og en Godavari -klasse fregatt som er planlagt dekommisjonert. Den kinesiske marinen opererer for tiden dampdrevne Kuznetsov - klasse hangarskip , Sovremenny -klasse destroyere sammen med Luda -klasse destroyere og den ensomme Type 051B destroyeren . De fleste andre marinestyrker har enten trukket seg tilbake eller re-motorisert sine dampdrevne krigsskip. Fra og med 2020 driver den meksikanske marinen fire dampdrevne tidligere US Knox -klasse fregatter . Den egyptiske marinen og den kinesiske marinen opererer henholdsvis to og seks tidligere amerikanske fregatter i Knox -klassen . Den ecuadorianske marinen driver for tiden to dampdrevne Condell - fregatter (modifiserte Leander -klasse fregatter ).

I dag har fremdriftsdampturbinens sykluseffektivitet ennå ikke brutt med 50 %, likevel overstiger dieselmotorer rutinemessig 50 %, spesielt i marine applikasjoner. Dieselkraftverk har også lavere driftskostnader siden det kreves færre operatører. Dermed brukes konvensjonell dampkraft i svært få nye skip. Et unntak er LNG-skip som ofte synes det er mer økonomisk å bruke avkokingsgass med en dampturbin enn å gjøre den flytende.

Atomdrevne skip og ubåter bruker en atomreaktor for å lage damp for turbiner. Kjernekraft velges ofte der dieselkraft ville være upraktisk (som i ubåtapplikasjoner ) eller logistikken ved tanking utgjør betydelige problemer (for eksempel isbrytere ). Det har blitt anslått at reaktordrivstoffet for Royal Navy 's Vanguard -klasse ubåter er tilstrekkelig til å vare 40 jordomseilinger – potensielt tilstrekkelig for fartøyets hele levetid. Kjernefysisk fremdrift har bare blitt brukt på noen svært få kommersielle fartøyer på grunn av utgiftene til vedlikehold og de regulatoriske kontrollene som kreves av kjernefysiske systemer og brenselssykluser.

Lokomotiver

En dampturbin lokomotivmotor er et damplokomotiv drevet av en dampturbin. Det første dampturbinskinnelokomotivet ble bygget i 1908 for Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Milano, Italia. I 1924 bygde Krupp dampturbinlokomotivet T18 001, i drift i 1929, for Deutsche Reichsbahn .

Hovedfordelene med et dampturbinlokomotiv er bedre rotasjonsbalanse og redusert hammerslag på banen. En ulempe er imidlertid mindre fleksibel utgangseffekt slik at turbinlokomotiver var best egnet for langdistanseoperasjoner ved konstant utgangseffekt.

Testing

Britiske, tyske, andre nasjonale og internasjonale testkoder brukes for å standardisere prosedyrene og definisjonene som brukes til å teste dampturbiner. Valg av testkode som skal benyttes er en avtale mellom kjøper og produsent, og har en viss betydning for utformingen av turbinen og tilhørende systemer.

I USA har ASME produsert flere ytelsestestkoder på dampturbiner. Disse inkluderer ASME PTC 6–2004, dampturbiner, ASME PTC 6.2-2011, dampturbiner i kombinerte sykluser , PTC 6S-1988, prosedyrer for rutinemessig ytelsestest av dampturbiner. Disse ASME ytelsestestkodene har fått internasjonal anerkjennelse og aksept for testing av dampturbiner. Den viktigste og mest differensierende egenskapen til ASME ytelsestestkoder, inkludert PTC 6, er at testusikkerheten til målingen indikerer kvaliteten på testen og ikke skal brukes som en kommersiell toleranse.

Se også

• Balansemaskin
• Kvikksølvdampturbin
• Dampmaskin
• Tesla turbin

Referanser

Notater

Kilder

Videre lesning

• Cotton, KC (1998). Evaluering og forbedring av dampturbinytelse . Bomullsfakta.
• Johnston, Ian (2019). "The Rise of the Brown-Curtis Turbine". I Jordan, John (red.). Krigsskip 2019 . Oxford: Osprey Publishing. s. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
• Thurston, RH (1878). En historie om dampmaskinens vekst . New York: D Appleton og Co.
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (på tysk). Springer Verlag : Berlin, Heidelberg, New York.
• Waliullah, Noushad (2017). "En oversikt over teknologier for konsentrert solenergi (CSP) og dens muligheter i Bangladesh". 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE) . CUET. s. 844–849. doi : 10.1109/ECACE.2017.7913020 . ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID  42153522 .

Eksterne linker

• Steam Turbines: A Book of Instruction for the Adjustment and Operation of the Principal Types of this Class of Prime Movers av Hubert E Collins
• Konstruksjon av dampturbiner ved Mike's Engineering Wonders
• Opplæring: "Superheated Steam"
• Strømningsfenomen i dampturbindisk-statorhulrom kanalisert av balansehull
• Veiledning til test av en 100 KW De Laval dampturbin med en introduksjon til designprinsippene rundt 1920
• Extreme Steam - Uvanlige variasjoner på damplokomotivet
• Interaktiv simulering av 350MW dampturbin med kjele utviklet av University of Queensland , i Brisbane Australia
• "Super-Steam...An Amazing Story of Achievement" Popular Mechanics , august 1937
• Modern Energetics - Dampturbinen