증기 터빈

증기 터빈은 가압된 증기로부터 열에너지를 추출하여 회전하는 출력축에서 기계적 작업을 수행하는 기계입니다.현대적 표현은 1884년 ^[1][2]찰스 파슨스에 의해 발명되었다.현대식 증기 터빈의 제작에는 20세기에 처음 보급된 기술을 사용하여 고급 강철 합금을 정밀 부품으로 만들기 위한 고급 금속 작업이 수반됩니다. 증기 터빈의 지속적 내구성 및 효율은 21세기 에너지 경제에서 여전히 핵심입니다.

증기 터빈은 열 엔진의 한 형태로 증기 팽창 시 다단계의 사용으로 열역학적 효율의 많은 향상을 이끌어 냅니다. 따라서 이상적인 가역적 팽창 프로세스에 보다 근접하게 접근할 수 있습니다.터빈은 회전 운동을 일으키기 때문에 전기 발전기를 구동하는 데 특히 적합합니다. 2014년 미국 전체 발전량의 약 85%가 증기 ^[3]터빈을 사용했습니다.발전기에 연결된 증기 터빈을 터보 발전기라고 합니다.

2021년 현재, 세계에서 가장 큰 증기 터빈 중 하나는 Alstom의 ^[4]독창적인 설계에 기초하여 GE에 의해 제조된 터빈인 Arabelle입니다.아라벨 터빈은 직경 7m, 무게 4000톤, 회전 속도 1500rpm이다.일반적인 원자력 시설에서는 펌프, 밸브 및 ^[4]파이프 1000톤과 더불어 추가로 4000톤의 지지 철골 구조물이 필요합니다.

기술적 문제로는 로터 불균형, 진동, 베어링 마모 및 불균일한 팽창(다양한 형태의 열 충격)이 있습니다.대규모 설비의 경우, 아무리 튼튼한 터빈이라도 고장이 나면 스스로 흔들려 산산조각 날 수 있습니다.

역사

반응 증기 터빈으로 분류될 수 있는 첫 번째 장치는 1세기에 로마 ^[5][6]이집트의 알렉산드리아의 영웅에 의해 묘사된 고전적인 에올리파일에 지나지 않았다.1551년, 오스만 이집트의 Taqi al-Din은 침을 회전시키는 실용적인 응용으로 증기 터빈을 설명했습니다.증기 터빈은 또한 이탈리아의 조반니 브랑카 (1629년)와 영국의 존 윌킨스 (1648년)^[7][8][9]에 의해 묘사되었다.Taqi al-Din과 Wilkins에 의해 묘사된 장치는 오늘날 증기 잭으로 알려져 있다.1672년 페르디난드 베르바이스트에 의해 임펄스 터빈 구동 자동차가 설계되었다.이 차의 보다 현대적인 버전은 18세기 후반에 알려지지 않은 독일 정비공에 의해 만들어졌다.1775년 소호에서 제임스 와트는 반작용 터빈을 ^[10]설계하여 그곳에서 작동시켰다.1807년 Polikarp Zalesov는 소방 펌프 ^[11]작동을 위해 임펄스 터빈을 설계하고 건설했다.1827년 프랑스인 Real과 Pichon이 특허를 취득하여 복합 임펄스 ^[12]터빈을 만들었다.

현대의 증기 터빈은 1884년 찰스 파슨스에 의해 발명되었는데, 그의 첫 번째 모델은 7.5 킬로와트의 ^[13]전기를 생산하는 발전기에 연결되었다.파슨스의 증기 터빈의 발명은 싸고 풍부한 전기를 가능하게 했고 해상 운송과 ^[14]해전에 혁명을 일으켰다.파슨스의 디자인은 반응형이었어그의 특허는 미국 조지 웨스팅하우스에 의해 허가되었고 터빈은 곧 확장되었다.파슨스 터빈은 스케일업도 쉬운 것으로 밝혀졌다.Parsons는 그의 발명품이 세계 주요 발전소에 채택된 것을 보고 만족했으며 발전기의 크기는 그의 첫 7.5킬로와트(10.1hp)에서 50,000킬로와트(6만7,000hp) 단위로 증가하였다.Parsons의 생애 동안, 유닛의 발전 용량은 ^[15]약 10,000배 증가했고, 그의 회사 C가 건설한 터보 발전기의 총 생산량은 증가했습니다. A. Parsons and Company와 그 면허인은 토지 목적만으로 3천만 마력을 ^[13]넘었습니다.

증기로 효과적으로 작동하는 터빈의 다른 변형이 개발되었습니다.드 라발 터빈(Gustaf de Laval에 의해 발명됨)은 터빈 블레이드에 부딪히기 전에 증기를 최대 속도로 가속했습니다.De Laval의 임펄스 터빈은 더 단순하고 저렴하며 압력 방지가 필요하지 않습니다.어떠한 증기 압력으로도 작동할 수 있지만 효율성이 ^{[citation needed]}현저히 떨어집니다.오귀스트 레이토는 1896년 ^[16]드 라발 원리를 이용한 압력 복합 임펄스 터빈을 개발해 1903년 미국 특허를 취득한 뒤 1904년 프랑스 어뢰정에 적용했다.그는 1897년까지 생테티엔에서 10년 동안 가르쳤고, 후에 그가 죽은 후 알스톰 회사에 합병된 성공적인 회사를 설립했습니다.증기 및 가스 터빈의 현대 이론의 창시자 중 한 명인 Aurel Stodola는 슬로바키아 물리학자이자 엔지니어이며 취리히에 있는 스위스 폴리테크니컬 인스티튜트(현 ETH)의 교수였습니다.그의 작품 Die Dampfturbinen and Ihre Aussichten als Wérmekraftmaschinen (영어:증기 터빈과 그 미래의 열 엔진으로서의 사용)은 1903년 베를린에서 출판되었습니다.1922년에 ^[17]더 많은 책인 Dampf und Gas-Turbinen이 출판되었습니다.

원래 미국 커티스 마린터빈사가 개발해 특허를 냈던 임펄스형 브라운커티스 터빈은 1900년대 존 브라운사와 손잡고 개발됐다.그것은 존 브라운이 이끄는 상선과 정기선과 영국 해군 군함을 포함한 군함에 사용되었다.

제조업

현재 증기 터빈 제조 산업은 다음과 같은 회사로 구성되어 있습니다.

• 지멘스
• WEG
• 미쓰비시 KwHI 도시바 IHI
• 제너럴 일렉트릭
• 터보아톰
• 실마쉬와 우랄 TW
• BHEL
• 알스톰, 두산 슈코다 파워, 안살도 넵스키 터빈 플랜트(Nevsky NTW) [ru] KTZ Energomash-Atomenergo MAPNA와 도시바,^{[18][needs update]} 그리고 하얼빈 전기, 상하이 전기, 둥팡 전기 등 중국 제조업체들이 있습니다.

종류들

증기 터빈은 펌프, 압축기 및 기타 축 구동 장비의 기계 구동으로 사용되는 소형 <0.75 kW(<1 hp) 단위(희귀)부터 전기 생성에 사용되는 1,500 MW(2,000,000 hp) 터빈까지 다양한 크기로 제조됩니다.현대 증기 터빈에는 몇 가지 분류가 있습니다.

블레이드 및 스테이지 설계

터빈 블레이드는 블레이드와 노즐의 두 가지 기본 유형으로 구성됩니다.블레이드는 전적으로 증기의 영향을 받아 움직이며 프로파일이 수렴되지 않습니다.그 결과 증기가 날개 사이를 이동할 때 증기 속도가 떨어지고 기본적으로 압력이 떨어지지 않습니다.고정된 노즐을 번갈아 사용하는 날개로 구성된 터빈을 임펄스 터빈이라고 한다.커티스 터빈, 레이토 터빈 또는 브라운-커티스 터빈.노즐은 블레이드와 비슷하지만 프로파일은 출구 근처에 수렴됩니다.그 결과 증기가 노즐을 통해 이동함에 따라 증기 압력이 떨어지고 속도가 증가합니다.노즐은 증기에 의한 충격과 출구의 고속 증기에 의한 반응으로 움직인다.고정된 노즐과 교대로 움직이는 노즐로 구성된 터빈을 반응 터빈 또는 파슨스 터빈이라고 합니다.

저전력 애플리케이션을 제외하고 터빈 블레이드는 복합이라고 하는 여러 단계로 배열되어 저속에서의 효율을 ^[19]크게 향상시킵니다.반응 단계는 고정된 노즐의 열 뒤에 움직이는 노즐의 열입니다.여러 반응 단계에서 증기 흡입구와 배기구 사이의 압력 강하가 수많은 작은 방울로 분할되어 압력 합성 터빈이 생성됩니다.임펄스 단계는 압력-복합, 속도-복합 또는 압력-속도 복합 중 하나가 될 수 있다.압력 복합 임펄스 스테이지란 고정된 노즐의 열과 그 다음에 움직이는 날개의 열을 말하며, 복합하기 위한 여러 단계가 있습니다.이것은 발명가의 이름을 따서 Rateau 터빈으로도 알려져 있습니다.속도 합성 임펄스 스테이지(커티스에 의해 발명되고 "커티스 휠"이라고도 함)는 고정된 노즐의 열과 두 개 이상의 움직이는 블레이드가 번갈아 이어지는 열이다.이것은 스테이지 전체의 속도 저하를 몇 개의 작은 ^[20]방울로 나눕니다.일련의 속도 합성 임펄스 단계를 압력-속도 복합 터빈이라고 합니다.

1905년까지 증기 터빈이 고속 선박(HMS Dreadnought 등)과 육상 기반 동력 애플리케이션에서 사용되기 시작했을 때, 다단계 터빈(증기 압력이 가장 높은 곳)의 시작 부분에 하나 이상의 커티스 휠을 사용하는 것이 바람직하다고 결정되었고, 그 후 반응 단계를 거쳤다.이는 터빈 로터와 ^[21]케이스 사이의 누출이 줄어들어 고압 증기로 더 효율적이었습니다.이것은 1905년식 독일 AEG 해양 증기 터빈 도면에 설명되어 있습니다.보일러의 증기는 스로틀을 통해 우측에서 고압으로 유입되며, 이 경우 스로틀맨으로 알려진 선원이 수동으로 제어합니다.5개의 커티스 휠과 수많은 반응 단계(가운데 있는 2개의 대형 로터의 가장자리에 있는 작은 날개)를 통과하여 저압으로 배출되며, 거의 확실하게 콘덴서는 거의 확실합니다.응축기는 증기로부터 추출된 에너지를 최대화하는 진공을 제공하고 증기를 급수로 응축하여 보일러로 돌려보냅니다.왼쪽에는 터빈을 후진 작동을 위해 역회전시키는 몇 가지 추가 반응 단계(2개의 대형 로터)가 있으며, 증기는 별도의 스로틀에 의해 허용됩니다.선박이 역방향으로 운항하는 경우는 거의 없기 때문에, 후륜 터빈에서는 효율이 우선 사항이 아니기 때문에, 비용 절감을 위해 몇 단계만 사용됩니다.

블레이드 설계의 과제

터빈 설계에 직면한 주요 과제는 블레이드가 경험하는 크리프를 줄이는 것이었습니다.고온과 높은 작동 스트레스 때문에 증기 터빈 재료는 이러한 메커니즘을 통해 손상됩니다.터빈 효율을 개선하기 위해 온도가 증가하면 크리프가 커집니다.크리프를 제한하기 위해 블레이드 설계에는 솔리드 솔루션 강화 및 입자 경계 강화가 포함된 열 코팅 및 초합금이 사용됩니다.

보호 코팅은 열 손상을 줄이고 산화를 제한하기 위해 사용됩니다.이러한 코팅은 종종 안정화된 이산화 지르코늄 기반의 세라믹스입니다.열 보호 코팅은 니켈 초합금의 온도 노출을 제한합니다.이로 인해 블레이드에서 발생하는 크리프 메커니즘이 감소합니다.산화 코팅은 블레이드 외부에 축적되어 발생하는 효율 손실을 제한하며, 이는 고온 ^[22]환경에서 특히 중요합니다.

니켈 기반 블레이드는 강도 및 크리프 저항성을 개선하기 위해 알루미늄 및 티타늄과 합금되어 있습니다.이러한 합금의 미세 구조는 다른 구성 영역으로 구성됩니다.니켈, 알루미늄 및 티타늄의 조합으로 감마 프라임상이 균일하게 분산되면 미세구조로 ^[23]인해 블레이드의 강도와 크리프 저항이 촉진됩니다.

합금에 레늄이나 루테늄 등의 내화원소를 첨가하여 크리프 강도를 향상시킬 수 있다.이러한 요소를 추가하면 감마 프라임 위상의 확산이 감소하여 피로 저항, 강도 및 크리프 ^[24]저항성이 유지된다.

증기 공급 및 배기 상태

터빈 유형에는 응축, 비응축, 재가열, 추출 및 유도가 포함됩니다.

응축 터빈

응축 터빈은 전력 발전소에서 가장 흔히 볼 수 있습니다.이러한 터빈은 보일러로부터 증기를 받아 응축기로 배출합니다.배출된 증기는 대기압보다 훨씬 낮은 압력에 있으며, 일반적으로 90%에 가까운 품질의 부분적으로 응축된 상태입니다.

비응결 터빈

비응결 터빈은 프로세스 증기 애플리케이션에 가장 널리 사용되며, 터빈에서 배출된 후 증기가 추가 용도로 사용됩니다.배기 압력은 공정 증기 압력의 요구에 맞게 조절 밸브에 의해 제어됩니다.이것들은 정유소, 지역 난방 장치, 펄프 및 제지 공장, 그리고 대량의 저압 공정 증기가 필요한 담수화 시설에서 흔히 볼 수 있다.

재열 터빈

재가열 터빈은 또한 거의 전적으로 전기 발전소에서 사용됩니다.재가열 터빈에서 증기 흐름은 터빈의 고압 부분에서 나와 보일러로 반환되며, 여기에서 추가적인 과열 상태가 추가됩니다.증기는 터빈의 중간 압력 부분으로 돌아가서 팽창을 계속합니다.사이클에서 재가열을 사용하면 터빈의 작업 출력이 증가하고 증기가 응축되기 전에 팽창이 결론에 도달하여 마지막 줄에 있는 블레이드의 침식을 최소화할 수 있습니다.대부분의 경우 증기의 과열 비용이 터빈의 작업 출력 증가를 상쇄하기 때문에 한 사이클에서 사용되는 최대 재가열 횟수는 2회입니다.

터빈 추출

추출형 터빈은 모든 애플리케이션에서 공통적으로 사용됩니다.추출식 터빈에서는 터빈의 여러 단계에서 증기가 방출되어 산업 프로세스 요구에 이용되거나 보일러 급탕기에 보내져 전체적인 사이클 효율을 향상시킨다.배출 흐름은 밸브로 제어하거나 제어되지 않은 상태로 둘 수 있습니다.추출된 증기는 터빈의 다운스트림 단계에서 동력 손실을 초래합니다.

유도 터빈은 중간 단계에서 저압 증기를 도입하여 추가 전력을 생산합니다.

케이스 또는 샤프트 배치

이러한 배치에는 단일 케이스, 탠덤 복합 및 교차 복합 터빈이 포함됩니다.단일 케이스 유닛은 단일 케이스와 샤프트가 제너레이터에 결합되는 가장 기본적인 스타일입니다.탠덤 화합물은 2개 이상의 케이싱이 직접 결합되어 단일 발전기를 구동하는 경우에 사용됩니다.교차 복합 터빈 배열은 종종 서로 다른 속도로 작동하는 두 개 이상의 발전기를 구동하는 두 개 이상의 축이 일렬로 정렬되지 않은 것을 특징으로 합니다.교차 복합 터빈은 일반적으로 많은 대규모 애플리케이션에 사용됩니다.일반적인 1930~1960년대 해군 시설은 아래에 나와 있습니다. 이 그림은 고압 및 저압 터빈이 공통 감속 기어를 구동하고, 하나의 고압 터빈에 기어드 순항 터빈이 장착된 것을 보여줍니다.

2플로 로터

움직이는 증기는 터빈 샤프트에 접선 및 축방향 추력을 모두 가하지만, 단순 터빈의 축방향 추력은 반대하지 않습니다.올바른 로터 위치와 균형을 유지하려면 이 힘이 반대 힘에 의해 상쇄되어야 합니다.스러스트 베어링은 샤프트 베어링에 사용할 수 있고, 로터는 더미 피스톤을 사용할 수 있으며, 이중 흐름일 수 있습니다. 증기는 샤프트의 중앙으로 들어가 양끝에서 배출되거나, 또는 이들 중 하나를 조합하여 사용할 수 있습니다.복류 로터에서는 각 반의 날개가 서로 반대 방향을 향하기 때문에 축력은 서로 부정하지만 접선력은 함께 작용한다.이 로터의 디자인은 2류, 2축류 또는 2배기라고도 불립니다.이 배열은 복합 ^[25]터빈의 저압 케이싱에서 일반적입니다.

조작과 설계의 원리

이상적인 증기 터빈은 터빈으로 들어가는 증기의 엔트로피가 터빈에서 나오는 증기의 엔트로피와 동일한 등엔트로피 과정 또는 일정한 엔트로피 과정으로 간주됩니다.그러나 증기 터빈은 진정한 등엔트로픽이 아니며 터빈 적용에 따라 일반적인 등엔트로픽 효율은 20~90%입니다.터빈의 내부는 여러 세트의 블레이드 또는 버킷으로 구성됩니다.한 세트의 고정 블레이드가 케이스에 연결되고 한 세트의 회전 블레이드가 샤프트에 연결됩니다.이 세트는 각 단계에서 증기의 팽창을 효율적으로 이용하기 위해 세트의 크기와 구성이 다양한 특정 최소 간격과 맞물린다.

증기 터빈의 실제 열 효율은 터빈 크기, 부하 상태, 갭 손실 및 마찰 손실에 따라 달라집니다.1,200 MW(1,600,000 hp) 터빈에서 최대 50%까지 도달합니다. 작은 터빈일수록 효율이 ^{[citation needed]}낮습니다.터빈 효율을 극대화하기 위해 증기는 여러 단계로 확장되어 작업을 수행합니다.이러한 단계는 에너지가 어떻게 추출되는지에 따라 특징지어지며 임펄스 터빈 또는 반응 터빈으로 알려져 있습니다.대부분의 증기 터빈은 반응 설계와 임펄스 설계를 혼합하여 사용합니다. 각 단계는 한 단계 또는 다른 단계로 작동하지만 전체 터빈은 둘 다 사용합니다.일반적으로 저압부는 반응형,^{[citation needed]} 고압단은 임펄스형이다.

임펄스 터빈

임펄스 터빈에는 증기 흐름을 고속 제트로 향하게 하는 고정 노즐이 있습니다.이러한 제트는 상당한 운동 에너지를 포함하고 있으며, 증기 제트가 방향을 바꾸면 버킷 모양의 로터 블레이드에 의해 샤프트 회전으로 변환됩니다.압력 강하는 정지된 날개에서만 발생하며, 단계 전체에서 증기 속도가 순증합니다.증기가 노즐을 통과할 때 압력이 입구 압력에서 출구 압력으로 떨어집니다(대기압 또는 일반적으로 콘덴서 진공).증기의 팽창률이 높기 때문에 증기는 매우 빠른 속도로 노즐을 떠납니다.이동 블레이드에서 나오는 증기는 노즐에서 나올 때 증기 최대 속도의 큰 부분을 차지합니다.이러한 높은 출구 속도로 인한 에너지 손실은 일반적으로 이월 속도 또는 이탈 손실이라고 불립니다.

운동량 모멘트 법칙은 일시적으로 제어 부피를 점유하는 유체에 작용하는 외부 힘의 모멘트의 합계가 제어 부피를 통과하는 각 운동량 플럭스의 순 시간 변화와 동일하다는 것을 나타냅니다.

선회하는 오일은 $반경{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {r1\mathrm{}}_{}}$$({$$displaystyle r_{1})$에서 접선 $속도{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle V_{}}$ w 1({$displaystyle$ V_${w1})$로 제어 볼륨으로 들어가고 $반경{\displaystyle {}_{}}$ $({$에서 2$({$로 나옵니다.

속도 삼각형이 다양한 속도 간의 관계를 더 잘 이해할 수 있도록 길을 터줍니다.다음 그림은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$ 1$({$ V_${1})$ 및$$ $V{\displaystyle {}_{}}$ $({$는 각각 흡입구와 배출구의 절대 속도입니다.

${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{f}}_{}}$ 1$({$ $및$ V ${\displaystyle {\mathrm{f}}_{}}$ 2$({$는 각각 입구 및 출구에서의 유속입니다.

${\displaystyle {이동}_{}}$ 기준에서 V ${\displaystyle {\mathrm{w}}_{}}$ 1$({$ V_$$${w1})$$및$ V w 2({displaystyle $V_{w2})$는 각각 입구 및 출구에서의 선회 속도입니다.

${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{r}}_{}}$ 1$({$ 및$$ ${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{r}}_{}}$2({$displaystyle V_{r2})$는 각각 입구 및 출구에서의 상대 속도입니다.

${\displaystyle {U\mathrm{}}_{}}$ 1$(\$ 및$$ $U{\displaystyle {}_{}}$ $(\$는 각각 입구와 출구에서 블레이드의 속도입니다.

${\displaystyle }$α$({displaystyle \alpha })$는 가이드 베인 $각도$이고$$β({$displaystyle \alpha$})는 블레이드 각도입니다.

그런 다음 모멘트의 법칙에 따라 유체의 토크는 다음과 같이 결정됩니다.

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

임펄스 증기 터빈의 경우: ${\displaystyle {r\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {r\mathrm{}}_{}}$ 1 $=$ {\$displaystyle r_${2}=$r_{1$}=$r$따라서 블레이드의 접선력은 ${\displaystyle F_{}}$ ${\displaystyle u\stackrel{}{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ m${\displaystyle }$µ ( ${\displaystyle V{}_{}{w}_{}}$ ${\displaystyle 1_{}}$ - ${\displaystyle {}_{}}$ w${\displaystyle {}_{}{2}_{}}$) { $displaystyle$ F_{u } =$scapdot {m}}\left$ ($V_{w1}-$V_${w2}\right$입니다.유닛 시간 또는 발전된 전력당 작업:${\displaystyle W}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle T}$ { $displaystyle$ W$=T\omega$ $\}.$

θ가 터빈의 각 속도일 때 블레이드 속도는 U $=$ ${\displaystyle \omega }$r {\$displaystyle$ U=\$omega$r$\}$입니다.$발전$된 전력은 W ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle m\stackrel{}{}\mu }$U ( ${\displaystyle {}_{}}$ V${\displaystyle {}_{}{w}_{}}$) { $displaystyle$ W =$dot${ $m }U$ ( \ $Delta$V _ { w$\}$ ) 입니다.

블레이드 효율

블레이드 효율( ${\displaystyle b_{}}$ {style ${display _$ {$b$은 블레이드에 가해진 작업과 유체에 공급되는 운동에너지의 비율로 정의할 수 있으며 다음과 같이 표시됩니다.

${\displaystyle \eta _{b}=parcfrac {\mathrm {W}}=parcfrac {U\Delta V_{1}{2}}}$

스테이지 효율

임펄스 터빈의 단계는 노즐 세트와 이동 휠로 구성됩니다.스테이지 효율은 노즐의 엔탈피 강하와 스테이지에서 수행된 작업 간의 관계를 정의합니다.

$({displaystyle {\mathrm {stage}}={mathrm {Work~done~on~blade}}{\mathrm {에너지 공급~퍼~스테이지}}}=mathrm {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}})$

여기서 ${\displaystyle \delta }$ h ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {h\mathrm{}}_{}}$2 - ${\displaystyle {}_{}}$ ({$displaystyle \Delta$ h$=h_{2}-h_{1})$은 노즐 내 증기의 엔탈피 방울입니다.

열역학 제1법칙에 따르면:

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

$({$이 $({$보다 현저히 작다고 가정하면 ${\displaystyle \Omega }$ h${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle 1{{}_{}}^{}}$ ${\displaystyle \frac{2}{}}$ ${\displaystyle {{}_{}}^{\mathrm{}}}$ 2$({display$ style {$Delta$ h$}\approx {1}}$ {$V_{2$}}^$2$가 됩니다. 또한 스테이지 효율은 블레이드 효율이나 블레이드 효율입니다.$\displaystyle \eta$ _${\text{stage}}=\eta$_{$b}\eta$ _${N$

노즐 ${\displaystyle {효율}_{}}$은 δ N ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle V\frac{{{}_{}}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{{2\mathrm{}}_{}}^{}}{}}$ (${\displaystyle \frac{{}_{}{}_{}}{}}$1 - ${\displaystyle \frac{{h\mathrm{}}_{}}{}}$2)$${{$N}$=$scap frac$ {$V_{$2}^$2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right$2\left(h_{1}-h_{2}}}}로 하며, ${\displaystyle {여기}_{}}$서 노즐 1$h_display_style$ 입구의 엔탈피(in)는 J/kg)이다.$(\displaystyle h_{2$

$\ displaystyle \ begin { aligned } \ Delta V _ { w } & = V _ { w1} - \ left ( - V _ { w2} \ right ) \\&=V_{w1}+V_{w2}\&=V_{r1}\cos \cos \cos \cos \cos \cos \cisco _{1}\\\&=V_{r1}\cos \cos \cos \cs \cos \{1}\left(1+{\frac {V_r2}\cs})_{r2}\cos\cos\cos \cos {{{1}$

출구와 입구에서 블레이드 각도의 코사인 비율을 구하면 c ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{\cos {\beta \mathrm{}}_{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{\cos }{{}_{}}}$ 1$${ $displaystyle$ c=$scs$ frac { $cos$\$cos$ \ cos _ { } { \$cos$ \ $cos$ _ ${$}$$} } 로 $표시$할 수 있습니다.블레이드의 출구에서 입구까지의 로터 속도에 대한 증기 속도의 비율은 $마찰{\displaystyle }$ 계수 k ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{r_{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{}}{}}$ r$$1 {\$displaystyle$ k=$fr$ {$V_{r2}}}{V_{r1$에 의해 정의됩니다.

< $(표시 스타일$ k$<1)$이며, 증기가 블레이드 주위를 흐를 때 마찰로 인한 상대 속도 손실을 나타냅니다(${\displaystyle }$ 블레이드의 경우 k ${\displaystyle =}$ $(표시 스타일$ k$=1$$).$

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

흡입구에서의 절대 증기 속도에 대한 블레이드 속도의 비율을 블레이드 속도 비율 ${\displaystyle \theta \frac{}{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{V\mathrm{}}_{}}{}}$1 {\$displaystyle \rho$=$flac {U}$ {$V_{1$이라고 합니다.

${\displaystyle {\eta }_{}}$${\displaystyle \frac{b_{}}{}}$ {$$${\displaystyle \frac{\mathrm{displaystyle}}{}}$ \$eta _${ b$$$$}$=$ $0$ { \$displaystyle$ { d \${\displaystyle {}^{}}$$eta$_ { ${\displaystyle {}_{}}$ }$$$}$ { $d$$$\ ${\displaystyle \mathrm{rho}}$ }$$$=$ $0$ $displaystyle$\$$$frac$ { d${\displaystyle }$\ ${\displaystyle \mathrm{eta}}$ _ { d \ $rho$ } } = $0$ ） , 、 , 、 （ $displaystyleft$）$。$$isplaystyle \rho$=$specfrac {$1$}$ {2$}}$ \$cos \alpha$ _$$${$$1$} } $is{\displaystyle \frac{}{}}$ 、 ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{1}{}}$ ${\displaystyle 2}$ cos$$ 1 ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ 1 $（$ \ $display$ \ $style$\ frac { $U$} { $V$_ { } } = ${\displaystyle {\mathrm{spec}}_{}}$ frac ${$1$} \$ \ $cos$ \ $alpha$_ { { { { {$$}$$} ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ } ${\displaystyle {}_{}}$ cos cos is is is cos cos = 1 = 1 ${\displaystyle is\frac{\mathrm{}}{}}$ 1 is1 is1 。어빈)

${\displaystyle \frac{{따라서\mathrm{}}_{}}{}}$ 스테이지 효율의 최대값은 ${\displaystyle U}$ V 1 ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ 2 cos${\displaystyle {\alpha \mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$ {$V_{1} = cos \alpha$ _${$1}의 $값$을 ${\displaystyle {\delta }_{}}$b {\$displaystyle \eta$ _${b$의 식에 대입하여 구한다.

결과: we ${\displaystyle {\text{b}}_{{}_{}}}$ max ${\displaystyle {}_{}2}$ ( ${\displaystyle \cos }$ cos${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}\frac{\mathrm{\alpha }}{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}^{}}$ -${\displaystyle {}^{})}$ ${\displaystyle 2}$) ( ${\displaystyle 1}$+ k ${\displaystyle c\frac{\mathrm{}}{}}$ ) ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 1^{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ cos 2${\displaystyle {}^{}{}_{}\mathrm{\alpha }}$1 ( $1$+$$k ${\displaystyle c}$ ){ $displaystyle {$} $_${ \ $text${ $max$ } $= 2$ \$left$ ( \ $rho \ cos _${ $1$} - \ $rho$^ { $2$} - right )$$=$1$)

등각 블레이드의 $경우{\displaystyle }$ ${\displaystyle {\beta \mathrm{}}_{}}$ 1 $β$ 2 \ $displaystyle _$ { }$$$=$ \ $displaystyle$ c$$$=$1 \$displaystyle c$$$= 1 \ displaystyle c ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{1}{}}$ ${\displaystyle {\text{2}}_{{}_{}}}$ ${\displaystyle {cos\mathrm{}}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}{\alpha \mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle 1{}_{}}$(${\displaystyle }$1 +${\displaystyle k}$){ $displaystyle$_$b } _$ { \ $text${ \$text$ { } } ^$2$} $^$ ^${\displaystyle {2_{}}_{}}$ }$블레이드$ 표면에 의한 마찰이 무시될 경우 ${\displaystyle {\text{max}}_{{}_{}}}$ b ${\displaystyle {\max }^{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {cos\mathrm{}}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}{}_{}}$ 1 { $displaystyle { \ text$ { $max$}$$= \ $cos ^${ 2 } \ $alpha _ {1$}$$=

최대 효율에 대한 결론

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

1. 주어진 증기 속도의 경우 ${\displaystyle {cos\mathrm{}}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}}$≤ ${\displaystyle \mathrm{\alpha }}$ 1 ${\displaystyle {}_{}}$ 1 ${\displaystyle \cos$^{$2}\alpha$ _${1}=1$} $또는$ ${\displaystyle {\alpha \mathrm{}}_{}}$ 1 $=$ {\$displaystyle \alpha$ _${1$}=$0$일 때 증기 kg당 수행된 작업은 최대가 된다.
2. ${\displaystyle {\alpha \mathrm{}}_{}}$ 1$($ 스타일 $\alpha$ _${1$})이 증가하면 블레이드에 가해지는 작업량은 감소하지만 동시에 블레이드의 표면적은 감소하므로 마찰손실이 적다.

반응 터빈

반응터빈에서 로터날개 자체가 수렴노즐을 형성하도록 배치되어 있다.이 유형의 터빈은 증기가 로터에 의해 형성된 노즐을 통해 가속될 때 발생하는 반력을 활용합니다.증기는 스테이터의 고정된 베인에 의해 로터로 유도됩니다.스테이터는 로터의 전체 원주를 채우는 제트 형태로 남습니다.그런 다음 증기는 방향을 바꾸고 날개 속도에 비례하여 속도를 높입니다.스테이터와 로터 모두에서 압력 강하가 발생하며, 스테이터를 통해 증기가 가속되고 로터를 통해 감속됩니다. 스테이지 전체에서 증기 속도의 순 변화는 없지만 압력과 온도가 모두 감소하여 로터의 구동에 수행되는 작업을 반영합니다.

블레이드 효율

스테이지의 블레이드에 대한 에너지 입력:

${\displaystyle E}$ $=$ ${\displaystyle \delta }$h(\$style$ E=\$Delta$ h$)$는 고정 블레이드에 공급되는 운동 에너지(f) + 이동 블레이드에 공급되는 운동 에너지(m)와 같다.

$또는{\displaystyle }$ E$(\displaystyle$ E$)$ =$$ 고정 블레이드 위의 엔탈피 낙하, 가동 블레이드 위의 엔탈피 낙하, ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$m$(\$$displaystyle \Delta h_{$$m})$의 엔탈피 낙하, ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ m(\$displaystyle \Delta h_{$m$\})$

움직이는 날개 위로 증기가 팽창하는 효과는 출구에서 상대 속도를 증가시키는 것입니다.$따라서{\displaystyle {}_{}}$ 출구 ${\displaystyle {\mathrm{V}}_{}}$ r$$2({displaystyle $V_{r2})$에서의 상대속도는 $입구{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{r}}_{}}$ 1$({$에서의 상대속도보다 항상 커집니다.

속도 측면에서, 이동 날개 위의 엔탈피 강하는 다음과 같습니다.

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

(정압의 변화에 기여)

고정 블레이드의 엔탈피 강하는 고정 블레이드로 들어가는 증기의 속도가 이전에 이동하던 블레이드에서 나오는 증기의 속도와 동일하다고 가정하면 다음과 같습니다.

$({displaystyle \Delta h_{f}=black {V_{1}^{2}-V_{0}^2}})$

여기서₀ V는 노즐의 증기 흡입 속도입니다.

${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$은 매우 작기 때문에 무시될 수 있습니다.따라서 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ f ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{{V\mathrm{}}_{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{}}_{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}^{}}{\mathrm{}}}$\ $displaystyle$\$Delta$ h$_$ { f } =$frfr frac$ { V _ { $1 }^{2}}$ {2}

$디스플레이 스타일E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&=black {V_{1}^{2}-V_{r1}^2}{2}{2}}-V_{2}{2}}\end{aligned}}$

매우 널리 사용되는 설계는 반작용도 또는 반작용도가 50%이며, 이를 파슨 터빈이라고 합니다.이것은 대칭 로터와 스테이터 블레이드로 구성됩니다.이 터빈의 경우 속도 삼각형이 유사하며 다음과 같습니다.

${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ 1 $=$ ${\displaystyle {\beta \mathrm{}}_{}}$ 2${\displaystyle$ \$alpha$ _${1$}=\$displaystyle$_{$2$ ${\displaystyle {}_{}}$ 1 $= α$2 {\$displaystyle \alpha$ _${2}}$

${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ ({$style$ V_${1$} =$V_{r2$ ${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{r}}_{}}$ 1 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$2 ({$displaystyle V_{r1$} =$V_{2}})$

파슨의 터빈을 가정하고 우리가 얻은 모든 표현은

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

흡기 속도 삼각형에서 V ${\displaystyle r_{}^{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ 2 ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{\mathrm{}}^{}}$ + ${\displaystyle {}^{}{2\mathrm{}}^{}}$ - ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle 1}$ cos ⁡${\displaystyle {\alpha \mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$} $= V_{1$}^2$}+$가 $있습니다{\displaystyle {}_{}^{}}$.$U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}$

$디스플레이 스타일E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2}UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\&=bgfrac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end {aligned}}$

완료된 작업(단위 질량 흐름/초):$displaystyle$

따라서 블레이드 효율은 다음과 같습니다.

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

블레이드 효율의 최대화 조건

${\displaystyle \rho \frac{}{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{V\mathrm{}}_{}}{}}$1 ${\displaystyle$ {$rho$ } =$flac {U}$ {$V_{1$인 경우,

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

최대 $효율{\displaystyle \frac{}{}}$ d ${\displaystyle \frac{{\eta }_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ d ${\displaystyle \mathrm{\rho }}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$0 { $displaystyle {$d$\eta$ _${b}$ \$over$ d$\rho$ } =$0$} 의 경우 다음과 같이 됩니다.

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

마지막으로 ${\displaystyle {\mathrm{opt}}_{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ V ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \cos }$ 1 { $displaystyle$ \$rho$ _ {opt } =$fr$ frac { U$}${ $V$_ {1$}$=\$cos$ \$alpha$_ {1} $=$

따라서 블레이드 효율의 ${\displaystyle \mathrm{표현}}$에 ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {}_{}{\alpha \mathrm{}}_{}}$1 \$displaystyle$ \$rho$=$\cos$ \$alpha _{1$} 값을 $대입$하여 $max$ b$max$ { \ displaystyle $_${ $b$} _ { \ $text$ { max$$}를$$$$ 구한다.

${\displaystyle {\eta _{b}_{\text{b}}_{\cos {2}\alpha _{1}\{\cos frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}\{\{\eta _{b}}_{\cos }}_{\cos {1}}_{\cos frac {{{\alpha }}}_{\alpha {\alpha}}}_{\alpha {\alpha}}}}}}} 정렬$

운용 및 유지보수

증기 회로에 사용되는 고압 및 재료 때문에 증기 터빈과 그 케이스는 높은 열 관성을 가집니다.증기터빈을 사용하기 위해 예열할 때, 주증기정지밸브(보일러 후)는 과열증기가 밸브를 천천히 우회하여 증기터빈과 함께 시스템 내 라인 가열이 진행될 수 있는 바이패스 라인을 가진다.또 증기가 없을 때는 회전기어를 맞물려 터빈을 천천히 회전시켜 균일한 가열을 확보해 불균일한 팽창을 방지한다.먼저 회전 기어로 터빈을 회전시켜 회전자가 직선 평면을 가정할 수 있는 시간을 허용한 후, 회전 기어가 해제되고 증기가 터빈에 유입되며, 먼저 후진 블레이드로, 그 다음 10~15RPM(0.17~0.25Hz)으로 터빈을 천천히 회전시켜 터빈을 천천히 데웁니다.대형 증기 터빈의 예열 절차는 10시간을 ^[26]초과할 수 있다.

정상 작동 중 로터 불균형은 진동을 유발할 수 있으며, 이는 회전 속도가 높기 때문에 블레이드가 로터에서 떨어져 나와 케이스를 통과할 수 있습니다.이러한 위험을 줄이기 위해 터빈의 균형을 맞추기 위해 상당한 노력이 소요됩니다.또한 터빈은 과열(건조) 증기 또는 건조율이 높은 포화 증기 중 하나로 고품질 증기로 작동합니다.이렇게 하면 응축수를 날릴 때 발생하는 날개의 신속한 충돌 및 침식을 방지할 수 있습니다(습기 이월).또한 블레이드에 액체가 유입되면 터빈 샤프트의 스러스트 베어링이 손상될 수 있습니다.이를 방지하기 위해 보일러의 제어장치 및 배플과 함께 터빈으로 연결되는 증기 배관에 응축수 배수구가 설치되어 있습니다.

최신 증기 터빈의 유지 보수 요건은 단순하고 낮은 비용(일반적으로 ^[26]kWh당 약 0.005달러)을 발생시킨다. 작동 수명은 ^[26]50년을 초과하는 경우가 많다.

속도 조절

터빈은 손상을 방지하기 위해 천천히 구동해야 하고 일부 애플리케이션(예: 교류 전기 생성)에는 정밀한 속도 ^[27]제어가 필요하기 때문에 가바나로 터빈을 제어하는 것이 중요합니다.터빈 로터의 가속이 제어되지 않으면 과속 트립이 발생하여 터빈으로 가는 증기 흐름을 제어하는 가바나 및 스로틀 밸브가 닫힐 수 있습니다.이러한 밸브가 고장나면 터빈이 분해될 때까지 가속을 계속할 수 있으며, 종종 치명적입니다.터빈은 제작 비용이 많이 들기 때문에 정밀 제조와 특수 품질의 재료가 필요합니다.

전기 네트워크와 동기하여 정상 가동하는 동안 발전소는 5%의 속도 저하 제어로 제어됩니다.즉, 최대 부하 속도가 100%이고 무부하 속도가 105%입니다.이것은, 발전소의 헌팅이나 드롭 다운을 수반하지 않고, 네트워크의 안정적 운용에 필요합니다.일반적으로 속도 변화는 미미합니다.출력 조정은 원심 조속기의 스프링 압력을 증가시켜 드로프 곡선을 천천히 상승시킴으로써 이루어진다.일반적으로 이것은 모든 발전소에 대한 기본 시스템 요건이다. 왜냐하면 오래된 발전소와 새로운 발전소는 외부 ^[28]통신에 의존하지 않고 주파수의 순간적인 변화에 대응하여 양립할 수 있어야 하기 때문이다.

증기 터빈의 열역학

증기 터빈은 인접한 다이어그램에 표시된 랭킨 사이클의 파트 3-4를 사용하여 열역학의 기본 원리에 따라 작동합니다.과열 증기(또는 용도에 따라 건조 포화 증기)는 고온 및 고압에서 보일러를 빠져나갑니다.터빈에 진입할 때 증기는 노즐(임펄스형 터빈의 고정 노즐 또는 반응형 터빈의 고정 날개)을 통과함으로써 운동에너지를 얻는다.증기가 노즐을 벗어날 때 터빈 로터의 날개 쪽으로 빠른 속도로 이동합니다.날개에 가해지는 증기의 압력에 의해 날개에 힘이 생겨 날개가 움직이게 됩니다.발전기 등의 장치를 축에 설치할 수 있으며, 증기에 있던 에너지를 저장하여 사용할 수 있습니다.증기는 유입된 온도와 압력보다 낮은 온도와 압력에서 포화 증기(또는 용도에 따라서는 액체-증기 혼합)로 터빈을 떠나 응축기로 보내 ^[29]냉각됩니다.제1법칙은 단위 질량당 작업 개발 속도의 공식을 찾을 수 있도록 합니다.주변 환경으로 열이 전달되지 않고 운동 에너지와 위치 에너지의 변화가 특정 엔탈피의 변화에 비해 무시할 수 있다고 가정하면 다음 방정식에 도달한다.

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

어디에

• δ는 단위 시간당 작업 개발 비율입니다.
• θ는 터빈을 통과하는 질량 흐름 속도입니다.

등엔트로픽 효율

터빈의 성능을 측정하기 위해 터빈의 등엔트로픽 효율을 살펴볼 수 있습니다.이는 터빈의 실제 성능과 이상적인 등엔트로픽 ^[30]터빈이 달성할 수 있는 성능을 비교합니다.이 효율을 계산할 때 주변으로 손실되는 열은 0으로 가정한다.증기의 시작 압력과 온도는 실제 터빈과 이상 터빈 모두 동일하지만, 실제 터빈의 에너지 함량('특정 엔탈피')은 실제 터빈의 불가역성 때문에 이상 터빈의 에너지 함량('특정 엔탈피')보다 큽니다.실제 터빈과 이상적인 터빈에 대해 동일한 증기 압력에서 특정 엔탈피를 평가하여 두 터빈을 잘 비교합니다.

등엔트로픽 효율은 실제 작업을 이상적인 ^[30]작업으로 나누어 구한다.

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

어디에

• h는₃ 상태 3에서의 특이 엔탈피입니다.
• h는₄ 실제 터빈의 상태 4에서의 특정 엔탈피이다.
• h는_4s 등엔트로픽 터빈의 상태 4s에서 특정 엔탈피이다.

(단, 인접한 다이어그램에는 상태 4s가 표시되어 있지 않습니다.상태 3보다 수직으로 아래쪽에 있습니다.)

다이렉트 드라이브

전기 발전소는 전 세계 전력의 대부분(약 80%)을 생산하기 위해 발전기를 구동하는 대형 증기 터빈을 사용한다.대형 증기 터빈의 등장으로 중앙역 발전소가 실용화되었는데, 이는 대형 정격의 왕복 증기 엔진이 매우 부피가 커졌고 느린 속도로 작동했기 때문이다.대부분의 중앙 발전소는 화석 연료 발전소와 원자력 발전소이다; 일부 시설은 지열 증기를 사용하거나 증기를 생성하기 위해 집중 태양광 발전소를 사용한다.증기 터빈은 화력발전소의 급수 펌프와 같은 대형 원심 펌프를 구동하는 데도 직접 사용될 수 있습니다.

발전용 터빈은 발전기에 직접 연결되는 경우가 가장 많다.발전기는 전력 시스템의 주파수에 따라 일정한 동기 속도로 회전해야 하므로, 가장 일반적인 속도는 50Hz 시스템의 경우 3,000RPM, 60Hz 시스템의 경우 3,600RPM입니다.원자로는 화석 화력발전소보다 온도 제한이 낮고 증기 품질이 낮기 때문에 터빈 발전기 세트는 터빈 ^[31]블레이드의 침식을 줄이기 위해 이러한 속도의 절반으로 작동하도록 배치될 수 있다.

해상 추진

증기선에서 왕복 엔진에 비해 증기 터빈의 장점은 소형화, 유지 보수 감소, 경량화 및 진동 감소입니다.증기 터빈은 수천 RPM에서 작동할 때만 효율적이며, 가장 효과적인 프로펠러 설계는 300 RPM 미만의 속도를 위한 것입니다. 따라서 Turbinia와 같은 제1차 세계대전을 거치는 수많은 초기 선박이 증기 터빈에서 프로펠러로 직접 구동되었지만, 일반적으로 정밀한(따라서 비싼) 감속 기어가 필요합니다.엘러 샤프트또 다른 대안은 터보 전기 변속기로, 고속 터빈에 의해 구동되는 전기 발전기가 프로펠러 축에 연결된 하나 이상의 저속 전기 모터를 구동하는 데 사용됩니다. 정밀 기어 절단은 전시 동안 생산 병목 현상이 될 수 있습니다.터보 전기 구동은 제1차 세계 대전 동안 설계된 미국의 대형 군함과 일부 고속선에 가장 많이 사용되었고, 제2차 세계 대전에서는 일부 병력 수송과 양산형 구축함 호위대에 사용되었다.

증기 터빈이 열효율이 낮기 때문에 연료비가 디젤 엔진보다 높지만 터빈 및 관련 기어 또는 발전기/모터 세트의 높은 비용은 동일한 출력의 왕복 엔진에 비해 낮은 유지관리 요건과 작은 터빈 크기로 상쇄된다.연료비 절감을 위해 두 엔진의 열효율이 수년간 개선되었습니다.

초기 개발

1894년부터 1935년까지 증기 터빈 해양 추진의 개발은 터빈의 고속 효율과 선박 프로펠러의 저속 효율 속도(300rpm 미만)를 조화시켜야 하는 필요성에 의해 지배되었다.1894년에는 선박이 필요로 하는 고출력에 효율적인 감속 기어를 사용할 수 없었기 때문에 직접 운전이 필요했습니다.각 프로펠러 샤프트에 직접 구동되는 Turbinia에서는 증기 흐름을 세 개의 다이렉트 구동 터빈(각 샤프트에 하나씩)을 직렬로 통과시켜 터빈의 효율적인 속도를 줄였습니다. 아마도 직렬로 작동하는 총 200개의 터빈 스테이지가 되었을 것입니다.또한 각 축에는 고속으로 ^[32]작동하기 위한 3개의 프로펠러가 있었다.이 시대의 높은 축 속도는 1909년에 진수된 최초의 미국 터빈식 구축함 중 하나인 USS Smith에 의해 대표됩니다. USS Smith는 직접 구동식 터빈을 가지고 있으며 3개의 축이 28.35노트(52.50km/h; 32.62mph)^[33]의 속도로 724rpm으로 회전했습니다.

서로 증기를 직렬로 배출하는 여러 케이스의 터빈 사용은 대부분의 후속 해양 추진 애플리케이션에서 표준이 되었으며 교차 합성 형태이다.첫 번째 터빈은 고압(HP) 터빈이라고 불렸고, 마지막 터빈은 저압(LP) 터빈이었고, 중간 압력(IP) 터빈이었다.1934년 출시된 캘리포니아 롱비치의 RMS Queen Mary에서 Turbinia보다 훨씬 늦은 배열을 볼 수 있으며, 각 축은 단일 감속 변속 장치의 두 입력 축 끝에 직렬로 연결된 4개의 터빈으로 구동됩니다.HP, 첫 번째 IP, 두 번째 IP 및 LP 터빈입니다.

순항 기계 및 기어 장치

순항속도를 고려할 때 경제 탐구는 더욱 중요했다.순항 속도는 군함 최고 속도의 약 50%, 최대 출력 수준의 20-25%입니다.이는 연비가 필요할 때 장거리 항해에 사용되는 속도입니다.이것은 프로펠러 속도를 효율적인 범위로 낮추었지만, 터빈 효율은 크게 떨어졌고, 초기의 터빈 선박은 순항 범위가 낮았다.증기 터빈 추진 시대의 대부분을 통해 유용한 것으로 증명된 해결책은 순항 터빈이었다.이것은 더 많은 단계를 추가하기 위한 추가 터빈으로, 처음에는 1개 이상의 축에 직접 연결되어 HP 터빈을 따라 중간 단계까지 배기되며 고속에서는 사용되지 않았습니다.1911년 경에 감속 기어가 사용 가능하게 되면서, 특히 전함 USS 네바다호는 직접 구동 메인 터빈을 유지하면서 순항 터빈에 감속 기어를 장착했습니다.감속 기어는 터빈이 샤프트보다 훨씬 빠른 속도로 효율적인 범위에서 작동할 수 있도록 했지만, 제조에는 비용이 많이 들었습니다.

순항 터빈은 처음에는 연비를 위해 왕복 엔진과 경쟁했다.빠른 배에 왕복 엔진을 유지하는 예로는 1911년의 유명한 RMS 올림픽이 있습니다. RMS 타이타닉과 HMHS 브리타닉은 두 개의 선외기 축에 3중 팽창 엔진을 장착했고, 둘 다 중앙 축에 있는 LP 터빈으로 배기되었습니다.1909년 진수된 델라웨어급 전함에서 터빈을 채택한 후, 미 해군은 1912년 뉴욕급 전함에서 왕복 기계로 복귀했고, 1914년 네바다의 터빈으로 복귀했다.왕복기계에 대한 호감은 제1차 세계대전 이후까지 미 해군이 21노트(39km/h; 24mph)를 초과하는 자본 선박에 대한 계획이 없었기 때문에 경제적 순항보다 최고 속도가 덜 중요했기 때문이다.미국은 1898년에 필리핀과 하와이를 영토로 획득했고, 영국 해군의 전세계 콜링 스테이션 네트워크가 부족했다.따라서, 1900-1940년 미국 해군은 특히 제1차 세계대전 이후 일본과의 전쟁이 일어날 가능성이 높아짐에 따라 연비에 대한 가장 큰 필요성을 갖게 되었다.이 필요성은 미국이 1908-1920년 순양함을 진수하지 않음에 따라 더욱 악화되었고, 따라서 구축함은 보통 순양함에 할당된 장거리 임무를 수행해야 했다.그래서 1908-1916년 진수된 미국 구축함에 다양한 순항 솔루션이 장착되었다.여기에는 소형 왕복 엔진과 기어드 또는 기어 없는 순항 터빈이 포함됩니다.그러나, 한때 풀 기어드 터빈은 초기 비용과 연료 면에서 경제성이 입증되었고, 순항 터빈도 대부분의 선박에 포함되었습니다.1915년부터 모든 영국 해군의 신형 구축함은 완전히 장착된 터빈을 장착했고, 1917년에는 미국이 그 뒤를 따랐다.

영국 해군에서는 속도가 우선이었다.1916년 중반 유틀란 전투에서 순양함에서 너무 많은 갑옷이 그 추격에 희생되었다는 것을 보여주기 전까지.영국은 1906년부터 터빈으로 움직이는 군함을 독점적으로 사용했다.그들은 그들의 세계적인 제국을 고려할 때 긴 순항 거리가 바람직하다는 것을 인식했기 때문에, 일부 군함, 특히 퀸 엘리자베스급 전함들은 이전의 실험 설비에 이어 1912년부터 순항 터빈을 장착했다.

미국 해군에서는 1935년부터 36년까지 진수된 마한급 구축함이 이중 감속 기어를 도입했다.이를 통해 터빈 속도가 샤프트 속도 이상으로 증가하여 단일 감속 기어보다 작은 터빈을 사용할 수 있게 되었습니다.증기 압력 및 온도도 점차 증가하여 제1차 세계대전 당시의 Wickes 등급의 300psi(2,100kPa)/425°F(218°C)에서 Fletcher 등급의 615psi(4,240kPa)/850°F(454°C)로 증가하였다.표준 구성은 축류 고압 터빈(때로는 순항 터빈이 부착된 상태)과 이중 감소 기어박스에 연결된 이중 축류 저압 터빈으로 나타났습니다.이러한 배열은 미 해군의 증기 시대 내내 지속되었고 일부 영국 해군 ^[36][37]설계에도 사용되었다.이러한 구성의 기계는 여러 나라의 ^[38]제2차 세계대전 당시 보존된 많은 군함에서 볼 수 있다.

1950년대 초 미 해군 군함 건조가 재개되었을 때 대부분의 해상 전투원과 항공모함은 1,200psi(8,300kPa)/950°F(510°C)의 증기를 사용했다.^[39]이것은 1970년대 초 녹스급 프리깃함과 함께 미 해군의 증기 군함 시대가 끝날 때까지 계속되었다.USS 이오지마호가 2001년에 진수되면서, 수륙양용 및 보조 선박은 2차 세계대전 후에도 600psi (4,100kPa)의 증기를 계속 사용했는데, 이는 아마도 미 해군을 위해 건조된 마지막 핵연료 증기 동력선일 것이다.

터보 전기 구동

터보 전기 구동은 1917년에 진수된 전함 USS 뉴 멕시코에 도입되었다.이후 8년 동안 미 해군은 5척의 터보 전기 전투함과 2척의 항공모함을 추가로 진수했다.터보 전기 자본 선박 10척이 추가로 계획되었지만 워싱턴 해군 조약에 의해 부과된 제한 때문에 취소되었다.

1931-1933년 개조에서 뉴멕시코는 기어드 터빈으로 재장착되었지만, 나머지 터보 전기 선박은 경력 내내 이 시스템을 유지했다.이 시스템은 4개의 축 각각에 전기 모터를 구동하기 위해 두 개의 대형 증기 터빈 발전기를 사용했습니다.이 시스템은 처음에는 감속 기어보다 비용이 적게 들었고, 대부분의 기어 시스템에 비해 축이 빠르게 후진하고 더 많은 역동력을 전달할 수 있어 좌현에서 선박을 더 쉽게 조종할 수 있게 했다.

일부 원양 선박은 터보 전기 구동으로 건조되었고, 일부 군 수송선과 제2차 세계대전 당시 양산형 구축함 호위함도 건조되었다.그러나 1927년 USS 펜사콜라가 진수된 이후 미국이 "트레이티 순양함"을 설계했을 때, 기어가 달린 터빈은 무게를 절약하기 위해 사용되었고, 이후 모든 고속 증기 동력 선박에 계속 사용되었다.

현재 사용 현황

1980년대 이후 증기 터빈은 고속 선박의 가스 터빈과 다른 선박의 디젤 엔진으로 대체되었다. 예외적으로 원자력 선박과 잠수함, LNG ^[40]운반선은 예외이다.일부 보조 선박은 증기 추진력을 계속 사용한다.

미국 해군에서는 와스프급 강습상륙함을 제외한 모든 함정에 재래식 증기 터빈이 여전히 사용되고 있다.영국 해군은 2002년 마지막 재래식 증기 동력 수상 군함인 Fearless급 상륙 플랫폼 독을 해체했고, 이탈리아 해군은 2006년 마지막 증기 동력 수상 군함인 Audace급 구축함을 해체함으로써 그 뒤를 따랐다.2013년 프랑스 해군은 마지막 투르빌급 호위함을 퇴역시키면서 증기시대를 마감했다.러시아 해군은 다른 블루워터 해군들 중에서 현재 증기 동력 쿠즈네초프급 항공모함과 소브레메니급 구축함을 운용하고 있다.인도 해군은 현재 키예프급 개량형 항공모함인 INS 비크라마디티를 운용하고 있으며 2000년대 초 취역한 브라흐마푸트라급 프리깃함 3척도 운용하고 있다.중국 해군은 현재 루다급 구축함, 유일한 051B형 구축함과 함께 증기추진 쿠즈네초프급 항공모함과 소브레메니급 구축함을 운용하고 있다.대부분의 다른 해군들은 퇴역했거나 증기 동력 군함을 다시 고용했다.2020년 현재 멕시코 해군은 4척의 증기 동력 전 녹스급 프리깃함을 운용하고 있다.이집트 해군과 중화민국 해군은 각각 녹스급 전함 2척과 6척을 운용하고 있다.에콰도르 해군은 현재 2척의 증기 동력 콘델급 프리깃함(수정형 리앤더급 프리깃함)을 운용하고 있다.

오늘날 추진 증기 터빈 사이클 효율은 아직 50%를 달성하지 못했지만, 디젤 엔진은 일상적으로 50%를 넘고 있으며, 특히 해양 ^[41][42][43]분야에서는 더욱 그렇습니다.디젤 발전소는 또한 필요한 운영자가 적기 때문에 운영비가 더 저렴하다.따라서 기존의 증기 동력은 극소수의 새 선박에서 사용된다.예외는 LNG 운반선입니다. LNG 운반선은 종종 증기 터빈과 함께 끓는 가스를 재액화시키는 것보다 사용하는 것이 더 경제적입니다.

핵추진 선박과 잠수함은 터빈을 위한 증기를 만들기 위해 원자로를 사용한다.원자력 발전은 디젤 출력이 실용적이지 않거나(잠수함 적용에서와 같이) 연료 재급유 물류에서 중대한 문제가 발생하는 경우(예: 쇄빙선) 선택되는 경우가 많다.영국 해군의 뱅가드급 잠수함의 원자로 연료는 전 세계 40회 항해를 지속하기에 충분한 것으로 추정되고 있는데, 이는 잠재적으로 선박의 전체 수명에 충분한 양이다.원자력 추진은 원자력 시스템과 연료 주기에 필요한 관리 및 관리 비용 때문에 극소수의 상업용 선박에만 적용되었다.

기관차

증기 터빈 기관차는 증기 터빈에 의해 구동되는 증기 기관차이다.최초의 증기 터빈 철도 기관차는 1908년 이탈리아 밀라노에 있는 오피시네 메카니헤 마리아니 실베스트리 그로도나 코미(Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi)를 위해 제작되었습니다.1924년에 Krupp는 도이치 라이히스반에서 1929년에 운용된 증기 터빈 기관차 T18 001을 제작했습니다.

증기 터빈 기관차의 주요 장점은 선로에서의 더 나은 회전 균형과 해머 타격 감소입니다.그러나 터빈 기관차가 일정한 출력 출력 ^[44]전력에서 장거리 운영에 가장 적합하다는 단점이 있습니다.

테스트

영국, 독일, 기타 국가 및 국제 테스트 코드는 증기 터빈 테스트에 사용되는 절차와 정의를 표준화하는 데 사용됩니다.사용할 테스트 코드의 선택은 구매자와 제조자 간의 합의이며 터빈 및 관련 시스템의 설계에 어느 정도 의미가 있다.

미국에서는 ASME가 증기 터빈에 대한 여러 성능 테스트 코드를 생성했습니다.여기에는 ASME PTC 6–2004, 증기 터빈, ASME PTC 6.2-2011, 복합 사이클의 증기 터빈, PTC 6S-1988, 증기 터빈의 정기 성능 테스트 절차가 포함됩니다.이러한 ASME 성능 테스트 코드는 증기 터빈 테스트에 대한 국제적인 인정과 인정을 받았습니다.PTC 6을 포함한 ASME 성능 테스트 코드의 가장 중요하고 차별화된 특징은 측정의 테스트 불확실성이 테스트 품질을 나타내며 상용 ^[45]공차로 사용되지 않는다는 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

• 밸런스 머신
• 수은 증기 터빈
• 증기 기관
• 테슬라 터빈

레퍼런스

메모들

원천

추가 정보

• Cotton, KC (1998). Evaluating and Improving Steam Turbine Performance. Cotton Fact.
• Johnston, Ian (2019). "The Rise of the Brown-Curtis Turbine". In Jordan, John (ed.). Warship 2019. Oxford: Osprey Publishing. pp. 58–68. ISBN 978-1-4728-3595-6.
• Thurston, RH (1878). A History of the Growth of the Steam Engine. New York: D Appleton and Co.
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (in German). Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, New York.
• Waliullah, Noushad (2017). "An overview of Concentrated Solar Power (CSP) technologies and its opportunities in Bangladesh". 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE). CUET. pp. 844–849. doi:10.1109/ECACE.2017.7913020. ISBN 978-1-5090-5627-9. S2CID 42153522.

외부 링크

• 증기 터빈: 휴버트 E 콜린스의 이 등급의 주요 유형 조정 및 운용 지침서
• Mike's Engineering Wonders의 증기 터빈 건설
• 튜토리얼: "과열 스팀"
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