OFF DESIGN DELLE TURBINE A - tpg.unige.it ??design delle turbine a gas e dei cicli combinati corso di impianti per llenergia’energia 2010â€2011

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  • OFFDESIGN DELLE TURBINE AOFFDESIGNDELLETURBINEAGASEDEICICLICOMBINATI

    CORSO DI IMPIANTI PER LENERGIACORSODI IMPIANTIPERL ENERGIA20102011

  • SommarioSommarioSommarioSommario

    AnalisiDimensionaleAnalisiDimensionaleM tt i ti h d iM tt i ti h d i MappecaratteristichedeiMappecaratteristichedeicomponenticomponenticomponenticomponenti

    EquilibriumEquilibrium runningrunning lineline AccoppiamentotraAccoppiamentotracomponenticomponenti

    2

  • Esempio: TurbogettoEsempio: TurbogettoEsempio:TurbogettoEsempio:Turbogetto

    diCC

    C TPD convdiv

    CC

    35

    42

    652

    0=1 7

    3

  • AnalisiAnalisiDimensionaleDimensionaleBrevicenniBrevicenni

    4

  • C tt i ti hC tt i ti h P i (P ) T t (T ) ll it iCaratteristicheCaratteristiche:Pressione(P2)eTemperatura(T2)alluscitainfunzionedellaportatadifluido(m)adiversevelocitdirotazione (N)rotazione(N).

    DipendenzeDipendenze: Condizioni in entrata (P1 e T1) tipo di fluidoDipendenzeDipendenze: Condizioniinentrata(P1 eT1),tipodifluido(,Re),dimensioni(D)

    1. RT[M2S2]invecediTperpoterconsiderareGasdiversi(Rdiversi)

    2. inclusoconpeRT3. Viscositgrupponondimensionalefunzionedi

    Reynoldstrascurabileincondizionidialtaturbolenza

    NoteNote

    5

  • 2121 ,,,,,, RTRTPPmNDF 7incognite7incognite

    TLM ,, 3unitfondamentali3unitfondamentali

    P T

    77 3=4GruppiNon3=4GruppiNonDimensionaliDimensionali

    1

    2

    PP

    12

    1

    PDRTm

    1RTND

    1

    2

    TT

    NTmTPDimensioni (D)Dimensioni (D) 0,,,

    11

    1

    1

    2

    1

    2

    TN

    pTm

    TT

    PPF

    Dimensioni(D)Dimensioni(D)fissateefluido(R)fissateefluido(R)assegnatoassegnato

    6

  • Caratteristiche dei componentiCaratteristiche dei componenti

    P Rapporto di pressione

    CaratteristichedeicomponentiCaratteristichedeicomponenti

    in

    out

    PP Rapportodipressione

    Tm PortatacorrettaPN Velocit diT

    N Velocitdirotazionecorretta

    Efficienza

    7

  • MappeCaratteristichedeiMappeCaratteristichedeiMappe Caratteristiche deiMappe Caratteristiche deicomponenticomponenti

    8

  • CompressoreCompressoreppCostruzionedellemappe:necessitdiunmotoreelettricoesternoeundispositivopervariazionediportata(valvola),misuratoriportataepressionip p ( ) p p

    in

    out

    PP

    surge line4

    velocitdirotazione(N)costante1 i ( h ki )

    2

    3 1:saturazione(chocking) 13:comportamentostabile.4 possibilit di p lsa ioni

    iTm

    1

    2 Portatamassima

    4:possibilitdipulsazionidinamiche(surge)

    in

    in

    PTm

    Problemi:Problemi:d lli i l

    Soluzioni:Soluzioni: compressore richiede potenza modelliinscala

    motore(siriferiscealturbogetto)completoconugellovariabile

    compressorerichiedepotenzaelevata. condizionidiversedaquelleeffettive di funzionamento (off

    9

    effettivedifunzionamento(offdesign)

  • CompressoreCompressoreppCostruzionedellemappe:ripetendoilprocedimentoadiversevelocitdirotazione(percentualidellavelocitdiprogetto)siottengonoduemappe:

    c

    1 00.90.80.7

    0 60 5

    TN

    1.00.60.5

    (relativaalpuntodiprogetto)

    inT

    in

    PTm

    10

    inP

  • CompressoreCompressorepp

    Lineadii

    in

    out

    PP

    1.1

    surge linemassimaefficienza

    N

    1.0

    0.9

    (relativa al punto di

    inTN

    0.8

    0.7

    0.60.5

    (relativaalpuntodiprogetto)

    in

    PTm

    inP

    11

  • CondizionilimiteCondizionilimiteChockinglli

    Stalloultimo

    liin

    out

    PP

    b Ca CbU

    u w+

    allingressostadio

    surge linein a U

    Stalloultimostadio 1.1

    c

    stadio

    + uw1

    1.1

    UcUa

    0.5

    in

    in

    PTm

    a

    12

  • OFF DESIGN DELLE TURBINE A GASOFFDESIGNDELLETURBINEAGAS

    13

  • CurvecaratteristichediuncompressoreassialealvariaredellangolodicalettamentodellIGV(lecurvesonoanumerodigiridiprogetto)( g p g )

    14

  • Combustore:Combustore:esempio di curve caratteristicheesempio di curve caratteristiche

    T

    esempiodicurvecaratteristicheesempiodicurvecaratteristicheffi i (ffi i ( )) d d fi i i i ccTEfficienza(Efficienza(cccc)) :duedefinizioni

    teoricof realeccT

    inTreale

    cc f teoricocc

    cc T

    teoricofPLF

    PerditediPressione:PerditediPressione:1. Perditecalde:flussodi

    Raleigh2. PerditeFredde:2% 4%

    16in

    out

    TT

  • Turbine:Turbine:esempio di curve caratteristicheesempio di curve caratteristicheesempiodicurvecaratteristicheesempiodicurvecaratteristiche

    17

  • TurbinaTurbina

    chockingin

    in

    PTm Disegnataperoperarein

    condizionedichocking flussomassimo

    1.0

    diversitipidichocking PReportataaumentanoconlavelocitdirotazione variazione con la velocit di

    0.4

    0.6

    inP

    inTN

    variazioneconlavelocitdirotazionepuesseretrascurata inprimaapprossimazionecurvasingola

    outP

    t TcrescecolPR raggiuntoilmassimorimanecostanteperunampiorange diPR

    1.0

    ilgradientefavorevoledipressionegarantisceperditedipressionelimitatesuunampioragio diincidenze

    0.40.60.8

    incidenze Tapprossimativamentecostantevicinoalpuntodiprogetto

    18out

    in

    PP

    inTN

  • UgelloUgellopresente solo nel caso aeronautico; nota pu essere in parte assimilato allapresente solo nel caso aeronautico; nota pu essere in parte assimilato allapresentesolonelcasoaeronautico;notapuessereinparteassimilatoallapresentesolonelcasoaeronautico;notapuessereinparteassimilatoalla

    turbinaliberachenellamacchinaturbinaliberachenellamacchinaaeroderivataaeroderivata losostituisce)losostituisce)

    caratteristicamolto

    chockingin

    in

    PTm simileallaturbina

    impattosulcore engineAe in

    ambexit pp criticalexit pp simileaquellodiunaturbinadipotenzaturbogas aero derivatiturbogasaeroderivati restringeilcampodazionedicompressore

    Ae

    peturbina lareadellugellonel

    damb

    in

    pP puntodiprogetto

    rimanecostantenelfuori progetto (a meno

    19

    fuoriprogetto(amenodigeometriavariabile)

  • GirantiCentrifughe

    TipicheCurvecaratteristichediuncompressorecentrifugo

    Curvecaratteristichecondiffusore2D Curvecaratteristichecondiffusore3D20

  • Limitidifunzionamentodelcompressorecentrifugo

    l l d d ll dIl limite destro della curva difunzionamento determinato dalraggiungimento della condizione dih k d t d ll i t dchoke da parte della girante o daparte del diffusore (solo nel caso didiffusore palettato).

    Il limite sinistro della curva determinato dallo stallo del

    f compressore. Tale fenomeno che disolito accompagnato da ampie zonedi ricircolazione e da fenomenii t i i i i iinstazionari pu innescarsi siaallinterno della girante che deldiffusore.

    21

  • TurbineCentripete(cenno)U1>U2; D1>D21 2; 1 2

    In generale data la geometria (ingresso radiale escarico assiale) non risulta conveniente larealizzazione di turbine dotate di stadi radiali inserie, cos che la turbina si identifica di solito conlo stadio.

    Il condotto rotorico ha un andamento centripetoIl condotto rotorico ha un andamento centripetoassialeLandamento delle trasformazioni del fluido nonpresenta in principio variazioni rispetto a quello deglistadi assialiSulle condizioni ai vari punti (raggi) ha influenza direttala variazione della velocit di trascinamento monte vallerotore vedi diagramma hs entalpia rotoricarotore vedi diagramma hs entalpia rotorica

    22

  • TurbineCentripeteTriangolidiVelocit

    Naturalmente anche in questo caso:Se c2 sul piano meridiano, 2=90, ct2=0

    2211 tt cucuL

    L

    Mette in evidenza ilpeso di 1 sul lavoroscambiato2 p , 2 , t2 111111111 coscos uwucucuL t

    Introducendo il concetto di grado di reazione nel caso che 2=90 e cr1 =cr2 si ha:

    1

    1

    11

    22

    2111

    212

    1

    uc

    cu

    cccu

    hhR u

    u

    u

    stadio

    rot

    P i h d t l i t i i di 222

    Questa relazione mette ben in evidenzalinfluenza del grado di reazione sullageometria del rotore (angolo 1) e si

    Posto c2= c0

    Poich date le ipotesi c2 =cr1 e quindi: 2122

    21 uccc pu riscrivere nella forma:

    23

  • TurbineCentripete 222111 1 cccuh u

    1

    1

    11

    2111

    212

    uc

    cuhhR u

    u

    u

    stadio

    rot

    Questa relazione mette ben in evidenza linfluenza delgrado di reazione sulla geometria del rotore (angolo ) egrado di reazione sulla geometria del rotore (angolo 1) esi pu riscrivere nella forma:

    11

    1

    1

    111 cotg22

    12

    cos1 u

    cu

    uwR r

    Con le ipotesi sopra poste ne consegue che:

    0R ha si;wuarcosper

    0.5R ha si;90per

    1

    11

    1

    Risulta quindi che il grado di reazione diminuisce al

    Checorrispondeallacondizione:cr1=2u

    w1 su ta qu d c e g ado d ea o e d u sce adiminuire di 1 (misurato rispetto alla direz.Tangenz.) e ci trova giustificazione nel fatto che, aparit di altre condizioni, aumenta il saltot l i ll t t d ll t d llentalpico nello statore a causa dellaumento della

    variazione delle sezioni di passaggio e conseguenteminor salto entalpico a disposizione del rotore.

    24

  • EquilibriumEquilibrium RunningRunning LineLine

    LuogodeipuntidisullamappadelLuogodeipuntidisullamappadelcompressorecompatibilicolpuntodicompressorecompatibilicolpuntodifunzionamentodeglialtrifunzionamentodeglialtricomponenti.componenti.gg pp

    IlIlmotore(laturbina)mot