Номер 6, страница 148, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 37. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 6, страница 148.

Условие.

• Современные паровые турбины.

Решение.

Современные паровые турбины

Современная паровая турбина — это роторный тепловой двигатель, который преобразует тепловую энергию водяного пара, находящегося под высоким давлением, в механическую работу вращения вала. Эта работа используется преимущественно для привода электрических генераторов на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и геотермальных электростанциях, а также для привода компрессоров, насосов и другого оборудования в промышленности (например, на металлургических и химических заводах). Паровые турбины являются ключевым элементом современной энергетики, обеспечивая производство значительной доли электроэнергии в мире.

Основные направления совершенствования и ключевые характеристики современных паровых турбин:

• Высокая мощность и КПД. Мощность единичных турбоагрегатов может превышать 1700 МВт. КПД современных паротурбинных установок на органическом топливе достигает 47% и более. Такой высокий показатель достигается за счет использования цикла Ренкина с промежуточным перегревом пара и регенеративным подогревом питательной воды, а также за счет работы на сверхкритических (СКД) и ультрасверхкритических (УСКД) параметрах пара. Параметры УСКД достигают давлений свыше 25 МПа (250 атмосфер) и температур 600–620 °C. Термодинамический КПД цикла Карно, который является теоретическим пределом, определяется формулой: $ \eta_K = 1 - \frac{T_2}{T_1} $, где $T_1$ — температура нагревателя, а $T_2$ — температура холодильника. Повышение начальной температуры пара $T_1$ напрямую ведет к росту эффективности.

• Сложная конструкция. Для оптимального расширения пара и максимального отбора энергии, современные мощные турбины имеют многоцилиндровую конструкцию. Обычно они состоят из:

  • Цилиндра высокого давления (ЦВД);

  • Цилиндра среднего давления (ЦСД);

  • Одного или нескольких цилиндров низкого давления (ЦНД), часто двухпоточных.

  После расширения в ЦВД пар направляется обратно в паровой котел для промежуточного перегрева, после чего поступает в ЦСД, что позволяет повысить общую эффективность установки.

• Передовые материалы. Для изготовления деталей, работающих в условиях экстремально высоких температур и давлений (лопатки, роторы, корпуса ЦВД), применяются специальные жаропрочные и жаростойкие стали (перлитного и мартенситно-ферритного классов) и никелевые сплавы. Лопатки последних ступеней ЦНД, имеющие большую длину (до 1.5 м) и испытывающие огромные центробежные нагрузки, часто изготавливаются из легких и прочных титановых сплавов.

• Совершенная аэродинамика. Проточная часть турбины, состоящая из неподвижных сопловых и вращающихся рабочих лопаток, проектируется с использованием методов трехмерного (3D) компьютерного моделирования. Это позволяет оптимизировать профиль лопаток, минимизировать потери энергии и повысить внутренний относительный КПД турбины.

• Комбинированная выработка (когенерация). Широкое распространение получили теплофикационные турбины (типы Т, ПТ, Р), которые наряду с выработкой электроэнергии имеют регулируемые отборы пара для нужд теплоснабжения (отопление и горячее водоснабжение городов) или для промышленных потребителей. Это значительно повышает общий коэффициент использования тепла топлива.

• Высокая надежность и автоматизация. Турбины оснащаются сложными автоматизированными системами управления (АСУ ТП), которые контролируют все ключевые параметры (частоту вращения, давление, температуру, вибрацию), обеспечивая безопасную и экономичную эксплуатацию. Ресурс современных турбин рассчитан на десятки лет работы, а межремонтные периоды составляют от 4 до 8 лет.

Ведущими мировыми производителями паровых турбин являются такие компании, как Siemens, General Electric, Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba. В России крупнейшим производителем является концерн "Силовые машины".

Перспективы развития паровых турбин связаны с дальнейшим повышением их эффективности путем освоения еще более высоких температур пара (до 700-760 °C), повышением маневренности для работы в энергосистемах с большой долей возобновляемых источников энергии, а также с разработкой турбин для работы на новых рабочих телах, например, на сверхкритическом диоксиде углерода ($sCO_2$).

Ответ: Современные паровые турбины представляют собой высокотехнологичные, мощные и эффективные тепловые двигатели, являющиеся основой мировой тепловой и атомной энергетики. Их ключевые особенности — работа на ультрасверхкритических параметрах пара, многоцилиндровая конструкция с промежуточным перегревом, использование жаропрочных сплавов и совершенная аэродинамика проточной части. Развитие направлено на дальнейшее повышение КПД, надежности и маневренности, а также на интеграцию в энергосистемы будущего.