Паровая турбина своими руками для электрогенератора

Как сделать паровую турбину

Идея практического применения энергии пара далеко не нова, использование паровых турбин в промышленных масштабах давно стало частью нашей жизни. Именно эти агрегаты, установленные на различных электростанциях и ТЭЦ, на 99% снабжают электричеством наши дома. Однако, некоторые мастера-умельцы умудряются внедрить принцип преобразования тепловой энергии в электрическую у себя дома. Для этого используется самодельная паровая турбина минимальных размеров и мощности. О том, как ее собрать в домашних условиях, и пойдет речь в данной статье.

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

• твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
• полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
• по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
• сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
• вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
• отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Как сделать паровую турбину в домашних условиях?

Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.

В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.

Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.

Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.

С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.

Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.

Применение паровой турбины

Налив в чайник воды и поставив его на включенный газ, можно убедиться, что при закипании энергии выходящего из трубки пара достаточно, чтобы на выходе электродвигателя появилась ЭДС. Для этого к нему стоит подключить светодиодный фонарик. Помимо питания для электрических лампочек, возможно и другое применение паровой турбины, например, для зарядки аккумулятора сотового телефона.

В условиях квартиры или частного дома подобная мини-электростанция может показаться простой игрушкой. А вот оказавшись в походе и взяв с собой турбированный чайник с электрогенератором, вы сможете оценить по достоинству его функциональность. Возможно, в процессе вам удастся найти еще какое-нибудь назначение турбины. Больше информации об изготовлении походного генератора из чайника можно узнать, посмотрев видео:

Заключение

К сожалению, конструктивно паровые машины достаточно сложны и сделать дома турбину, чья мощность достигала хотя бы 500 Вт, весьма затруднительно. Если стремиться к тому, чтоб соблюдалась схема работы турбины, то затраты на комплектующие и потраченное время будут неоправданными, КПД самодельной установки не превысит 20%. Пожалуй, проще купить готовый дизель-генератор.

Источник

Изучаем паровые электрогенераторы

Паровой электрогенератор представляет собой нечто схожее с солнечной батареей, но обладает гораздо более высокой производительностью, не говоря уже о доступности подобного рода устройств. Само функционирование подобных агрегатов заключается в преобразовании механической силы в электрическую, посредством нагревания воды до того момента, когда она превращается в пар. Именно данная сила приводит искомый механизм в движение.

Назначение

Подобного рода агрегаты имеет смысл использовать в тех отраслях современной промышленности или бытовой сферы, где наблюдается достаточное большое количество парообразований, которые можно использовать в качестве преобразователя в электроэнергию. Именно генераторы парового типа получили широкое использование в котельных установках, где они образуют некую тепловую электростанцию вместе котлом и турбиной.

Такие агрегаты позволяют существенно экономить на своей эксплуатации, а также снизить затраты на получение электрической энергии. Именно поэтому, паровые установки зачастую считаются одними из основных рабочих узлов многих электростанций.

Кроме того, если изучить принцип действия, а также конструктивные особенности подобных паровых генераторов, можно попытаться реализовать их своими руками, с помощью определенных средств. Однако, о данной возможности пойдет речь чуть позже.

Устройство и принцип действия

По своим конструктивным особенностям, котельные установки обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые принято считать определяющими — непосредственно сам котел, электрический генератор и турбина. Последние два составляющих образуют кинетическую связь между собой, а одной из разновидностей подобных систем является турбинный электрогенератор парового типа.

Если смотреть более глобально, то подобные установки представляют собой полноценные тепловые электростанции, пусть и меньших габаритов. Благодаря своей работе, они способны обеспечивать электричеством не только гражданские объекты, но и крупные промышленные отрасли.

Сам же принцип действия паровых электрических генераторов сводится к следующий основным моментам:

• Специальное оборудование производит нагрев воды до оптимальных значений, при которых она испаряется, образуя пар.
• Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
• В результате мы получаем сначала кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. Затем кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрический генератор, входящий в конструкцию таких паровых установок, является определяющим. Это объясняется тем, что именно электрогенераторы осуществляют переход механической энергии в электрическую.

Это описание одной установки парового типа. Если требуется выделение большего количества энергии, то используется совокупность нескольких установок, объединенных вместе.

Подобное решение должно приниматься строго индивидуально, в зависимости от типов объекта, а также параметров требуемой мощности энергии. Только при таком грамотном подходе можно избежать убыточности в данном вопросе.

Критерии выбора

На сегодняшний момент существует достаточно широкий выбор всевозможных электрических генераторов, работающих на пару, поэтому нужно крайне внимательно подходить к вопросу выбора.

Чтобы данный выбор был обдуманным и взвешенным, надо обращать внимание на следующие показатели:

• Мощность паровой установки (тепловая и электрическая).
• Нужно также обратить внимание на то, с какой скоростью происходит вращение роторов генератора и турбины.
• Тип применяемого тока — здесь речь идет об однофазном или трехфазном виде установок. В большинстве случаев, используется именно трехфазная система.
• Показатели давления пара не только в сжатом виде, но и в свободном состоянии.

Внимательное отношение к данным критериям позволит существенно упростить выбор, тем самым помогаю потребителю получить нужный ему агрегат. Чтобы было более наглядно, рассмотрим несколько моделей паровых электрогенераторов, пользующихся наибольшим спросом.

Обзор моделей

В нашей стране есть несколько предприятий, занимающихся производством паровых электрогенераторов. В частности, речь идет о турбогенераторах компаний «Калужский турбинный завод» и ОАО «Росэлектромаш». Рассмотрим несколько моделей, произведенных на обоих предприятиях.

ПТ-40/50-8,8/1,3 представляет собой паровую турбину, используемую в различных схемах с утилизацией тепловой энергии, а также отходов производственного типа. Среди потенциальных покупателей данной продукции числятся крупные промышленные предприятия и электростанции.

• показатели номинальной мощности — от 12000 кВт до 80000 кВт;
• показатель давления пара — от 3 до 12,8 МПа;
• температурные показатели пара — от 420 до 550 C;
• производственное давление — от 0,5 до 1,75 МПа;
• отопительное давление — от 0,07 до 0,25 МПа.

П-6-3,4/1,0 — это турбина парового типа, обладающая производственным отбором пара.

• показатели номинальной мощности — от 4000 кВт до 55000 кВт;
• показатель давления пара — от 1,1 до 8,8 МПа;
• температурные показатели пара — от 260 до 445 C;
• производственное давление — от 0,4 до 1,3 МПа.

ПР-13/15,8-3,4/1,5/0,6 используется во многих ТЭС, а также на предприятиях промышленного типа, где присутствует необходимость в подаче пара заданного показателя.

• показатели номинальной мощности — от 2500 кВт до 35000 кВт;
• показатель давления пара — от 1,2 до 9,3 МПа;
• температурные показатели пара — от 290 до 540 C;
• производственное давление — от 0,4 до 1,75 МПа;
• давление за турбиной — от 0,07 до 0,9 кПа.

К-66-8,8 относится к конденсационным типам паровых турбин.

• показатели номинальной мощности — от 6000 кВт до 70000 кВт;
• показатель давления пара — от 1,57 до 12,8 МПа;
• температурные показатели пара — от 320 до 500 C;
• давление за турбиной — от 4 до 10,6 кПа.

К-37-3,4 — это паровая турбина конденсационного типа, обладающая воздушным конденсатором.

• показатели номинальной мощности — от 37000 кВт до 37300 кВт;
• показатель давления пара — от 2,9 до 3,7 МПа;
• температурные показатели пара — от 390 до 445 C;
• давление за турбиной — 15 кПа.

Данная продукция производится на Калужском турбинном заводе. Теперь рассмотрим модели от ОАО «Росэлектромаш». Здесь представлены уже полноценные турбогенераторы, в которых используются турбины парового и газового типа.

Вне зависимости от марки модели, в комплект продажи входят следующие комплектующие:

• генератор;
• система возбуждения;
• аппаратные органы автоматики, сигнализации и контроля;
• запчасти;
• специальный инструмент для монтажа и сопутствующие материалы;
• различные инструкции по применению.

Нашему вниманию представлены турбогенераторы серии ТВФ. Описывать их детально не имеет смысла, поэтому посмотрим на их технические данные.

Технические характеристики ТВФ-63-2:

• показатель мощности — 63000 кВт;
• степень напряжения — 6300 В;
• статорный ток — 7217 А;
• частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
• КПД в процентном соотношении — 98%;
• общий вес — 107900 кг.

Технические характеристики ТВФ-63-3600:

• показатель мощности — 50000 кВт;
• степень напряжения — 11000 В;
• статорный ток — 3280 А;
• частота вращения — 3600 оборотов в минуту;
• КПД в процентном соотношении — 98,3%;
• общий вес — 107950 кг.

Технические характеристики ТВФ-110-2E:

• показатель мощности — 110000 кВт;
• степень напряжения — 10500 В;
• статорный ток — 7560 А;
• частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
• КПД в процентном соотношении — 98,4%;
• общий вес — 145000 кг.

Технические характеристики ТВФВ-110-2:

• показатель мощности — 110000 кВт;
• степень напряжения — 13800 В;
• статорный ток — 5752 А;
• частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
• КПД в процентном соотношении — 98,45%;
• общий вес — 190000 кг.

Стоимость данных моделей нужно уточнять у производителя, но можно сказать, что она переваливает за несколько миллионов рублей.

Целесообразность эксплуатации

Говорить о целесообразности покупки парового электрогенератора для личных нужд не приходится, потому что его стоимость очень высока для обычного бытового использования. Иными словами, подобные вложения вряд ли окупятся в течение жизни потенциального покупателя. Кроме того, габаритные размеры подобных установок, что размещать их необходимо на очень большой территории. Именно поэтому, на бытовом уровне используются агрегаты, у которых двигатель работает на бензине или дизеле, а для крупных предприятий как раз и подходит двигатель, работающий на пару.

Что касается использования электрогенераторов, работающих на пару, то их использование в котельных установках может принести определенные плоды. Дело в том, что по достижении некоторых показателей мощности, данные установки показывают очень хорошие рабочие характеристики, выгодные отличающие их от своих аналогов.

Подробный рассказ про паровой генератор

Изготовление своими руками — возможно ли это?

Тем не менее, при наличии некоторых знаний и необходимых материалов, сделать данный агрегат своими руками становится возможным.

Понятно, что итоговый вариант будет куда меньшего размера, чем заводские варианты. Кроме того, здесь будет совсем другое устройство для привода в движение имеющегося генератора — если в заводских моделях за это отвечает паровая турбина, то в домашнем варианте это будет делать двигатель.

На видео продемонстрирован походный паровой мини-генератор

Заключение

Электрогенераторы турбинного типа пользуются определенной популярностью среди множества промышленных предприятий и электростанций. Однако, прежде чем приобретать подобные устройства, необходимо произвести точный расчет целесообразности их использования, чтобы предприятие работало не в убыток себе.

Что касается применения на бытовом уровне, то в этом нет абсолютно никакой необходимости. Кроме того, это технически и практически невозможно, т.к. габариты данных установок очень велики, не говоря уже об их стоимости. Вопрос изготовления своими руками также достаточно спорный, в силу объективных причин сложности конструкции.

Владельцам же предприятий, которые намереваются использовать паровые установки, можно дать один совет: приобретите сначала генератор небольшой мощности, чтобы можно было оценить на практике эффективность его использования. Неслучайно ведь, что производители выпускают агрегаты от 100 кВт, подразумевая такой рациональный подход.

Источник