Turbina cu abur

Embed Size (px)

Citation preview

Turbin cu abur

Rotorul unei turbine cu abur instalat ntr-o termocentral. Direcia de curgere a aburului este de la paletele scurte la cele lungi. Turbina cu abur este o main termic rotativ motoare, care transform entalpia aburului n energie mecanic disponibil la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar. n prezent, turbinele cu abur nlocuiesc complet motoarele cu abur datorit randamentului termic superior i unui raport putere/greutate mai bun. De asemenea, micarea de rotaie a turbinelor se obine fr un mecanism cu pri n translaie, de genul mecanismului bielmanivel, fiind optim pentru acionarea generatoarelor electrice cca. 86 % din puterea electric produs n lume este generat cu ajutorul turbinelor cu abur.

Cuprins[ascunde]

1 Istoric 2 Principiul de funcionare

3 Clasificarea turbinelor o 3.1 Dup principiul termodinamic de funcionare o 3.2 Dup numrul de trepte o 3.3 Dup direcia de curgere a aburului o 3.4 Dup presiunea final o 3.5 Dup prizele de prelevare a aburului 4 Construcie 5 Transformri termodinamice 6 Note 7 Bibliografie 8 Vezi i 9 Legturi externe

Eolipila lui Heron, considerat prima turbin cu abur cu reaciune.

Secolul I - Primul dispozitiv care poate fi asimilat unei turbine cu abur este eolipila lui Heron din Alexandria, n Egipt.[1][2][3][4] Aburul se forma n cazanul de jos, urca prin interiorul evilor de susinere a sferei i se destindea n nite tuuri fixate pe ea. Reaciunea creat de jeturile de abur puneau n micare sfera. 1551 - Taqi al-Din din Egiptul otoman descrie un dispozitiv de nvrtit o frigare.[5]

Dispozitivul lui Giovanni Branca, considerat prima turbin cu abur cu aciune. Stamp din 1629.

1692 - Italianul Giovanni Branca descrie o turbin acionat de abur. Aburul destins ntr-o eav (paiul din gura statuetei) lovea paletele punnd n micare discul. Este considerat prima turbin cu aciune.[6] 1983 - Inginerul suedez Gustaf de Laval inventeaz ajutajul care-i poart numele, cu care obine viteze supersonice ale aburului. Cu ajutorul acestui tip de ajutaj realizeaz o turbin cu aciune cu o singur treapt. [1][7] n ajutaj aburul se destindea complet, nainte de a intra n palete, ca urmare carcasa turbinei nu era sub presiune, rezultnd turbine simple, ieftine i care puteau folosi abur de presiune relativ nalt. 1884 - Englezul Charles Parsons construiete i breveteaz prima turbin cu reaciune multietajat (cu mai multe trepte), asemntoare cu cele din zilele noastre.[8] Ea antrena un dinam i livra o putere de 7,5 kW. Brevetul este preluat de americanul George Westinghouse, care construiete turbine mult mai mari. nc n timpul vieii lui Parsons s-au atins puteri de 10.000 de ori mai mari dect puterea primei sale turbine. 1896 - Americanul Charles Curtis realizeaz prima turbin cu aciune multietajat cu trepte de vitez (roata Curtis). [8] 1896 - Francezul Auguste Rateau breveteaz prima turbin cu aciune multietajat cu trepte de presiune,[8] urmare a punerii la punct a teoriei turbinelor cu abur. Construcia propriu-zis a acestor turbine, destinate industriei miniere este finalizat n anul 1902.[9] Aceste turbine cu aciune sunt prototipurile marilor turbine cu aciune de astzi.

Turbinia - prima nav propulsat de o turbin cu abur.

1897 - Sir Charles Algernon Parsons face o demonstraie foarte spectaculoas cnd, la parada organizat cu ocazia jubileului Reginei Victoria, iahtul su, Turbinia, propulsat de turbine cu abur cu puterea de 1500 kW a aprut n mod neateptat i a defilat cu viteza de 64 km/h, uimind asistena.[10] 1903 - Slovacul Aurel Stodola, profesor la ETH Zrich scrie tratatul Die Dampfturbinen (Turbinele cu abur), un manual de referin pentru generaiile viitoare, valabil i astzi.[11] 1912 - Suedezii Fredrik i Birger Ljungstrm realizeaz prima turbin multietajat radial, fr stator (turbina cu reaciune total).[12]

Principiul de funcionare

Turbin monoetajat. Componente: Camera de admisie a aburului (gri), ajutajele (bej), paletele (portocaliu), discul i arborele (verde). Aburul, cu presiune i temperatur ridicat este destins n paletele statorului, numite i ajutaje, pn la o presiune mai mic. Energia aburului, caracterizat prin entalpie este transformat n energie cinetic. Aburului cu vitez mare i se schimb direcia de curgere cu ajutorul unor palete, rezultnd o for care acioneaz asupra paletelor, for care creeaz un moment asupra rotorului. Acesta se rotete cu o anumit vitez unghiular, livrnd la cupl putere sub form de lucru mecanic n unitatea de timp. innd cont c:[13]

viteza la care este accelerat aburul prin destindere este: (m/s) unde ht este cderea (diferena) total de entalpie, exprimat n (kJ/kg) ntr-o transformare izoentropic pornind din starea iniial a aburului i pn la presiunea final;

viteza tangenial a paletelor (adic n direcia n care ele se mic momentan) este: unde D este diametrul mediu al rotorului n dreptul paletelor, n (m), iar n este turaia rotorului, n (rot/s);

randamentul la palete maxim se obine la un raport x1 = u/c1 de 0,5 pentru turbinele cu aciune i de 1,0 pentru turbinele cu reaciune;

rezult c la o anumit cdere de entalpie disponibil, trebuie realizat un anumit produs D n. La cderi de entalpie mari, care asigur randamente termice mari ale ciclului, rezult sau diametre, sau turaii prea mari. Dup modul cum s-a rezolvat aceast problem au aprut diverse soluii tehnice, care duc la clasificarea turbinelor dup cum urmeaz.

Clasificarea turbinelorTurbinele se clasific n funcie de diferite criterii.

Dup principiul termodinamic de funcionare

Curgeri comparate prin paletajul unei trepte a unei turbine cu aciune i a uneia cu reaciune.

Turbine cu aciune, la care toat cderea de entalpie a aburului, disponibil pe turbin este transformat n energie cinetic numai n paletele statorului, paletele rotorului avnd doar rolul de a transforma energia cinetic a aburului n energie mecanic. Turbina cu abur cu aciune se caracterizeaz prin existena diafragmelor. Turbine cu reaciune, la care cderea de entalpie este transformat n energie cinetic parial n paletele statorului, numite i palete directoare, iar restul n paletele rotorului. Deoarece aburul se destinde i n paletele rotorului, fora tangenial ce acioneaz asupra acestora provine att din devierea jetului de abur, ct i din fora reactiv datorit accelerrii jetului. Turbine combinate, care au att trepte cu aciune (de obicei n partea de nalt presiune - IP), ct i trepte cu reaciune (n partea de joas presiune - JP).

Faptul c aburul se destinde complet sau nu n ajutaje, adic o treapt este cu aciune sau cu reaciune depinde strict de forma profilelor ajutajelor i paletelor, cum este ilustrat n figura alturat.

Dup numrul de trepte

Turbine monoetajate, care sunt turbine cu aciune la care cderea de entalpie este transformat ntr-o singur treapt. Un exemplu este turbina de Laval. Aceste

turbine sunt simple i ieftine, ns pot prelucra doar cderi de entalpie relativ mici i pot livra puteri mici, la turaii mari, uneori peste 300 rot/s. Necesitatea existenei unui reductor limiteaz aplicaiile practice.

Turbine cvasietajate, numite i turbine cu trepte de vitez, sau turbine Curtis, care sunt turbine cu aciune la care cderea de entalpie a aburului este transformat n energie cinetic ntr-o singur coroan de ajutaje (ca la turbina monoetajat), dar energia cinetic este transformat n energie mecanic n dou sau trei coroane de palete fixate pe rotor. ntre coroanele rotorului sunt plasate coroane de palete redresoare fixe, care reorientez convenabil jetul de abur care iese din coroana (treapta) precedent. Turbinele Curtis pot prelucra cderi de entalpie mai mari dect turbinele monoetajate, ns au un randament intern mai mic. Turbine multietajate, numite i turbine cu trepte de presiune, la care entalpia aburului este transformat n mai multe trepte dispuse n serie. Ele pot fi att cu aciune, ct i cu reaciune. Cderea de entalpie pe treapt este mai mic, ceea ce duce la turaii mai mici, preferate la acionarea generatoarelor electrice, care lucreaz la 50 rot/s sau 25 rot/s n Europa, respectiv la 60 rot/s sau 30 rot/s n SUA. Aceste turbine pot prelucra cderi de entalpie mari, pot fi construite pentru puteri foarte mari i au cele mai mari randamente efective. Au ns construcii complicate, mase mari, sunt scumpe i sunt pretenioase la exploatare i ntreinere.

Dup direcia de curgere a aburului

Turbine axiale, la care curgerea general a aburului se face paralel cu axa de rotaie a rotorului. Ele pot fi de orice tip descris mai sus. Turbinele axiale cu aciune se mai numesc turbine Rateau, iar cele cu reaciune turbine Parsons. Aceste turbine au numeroase avantaje: au o distribuie a eforturilor mai favorabil, construcie, montaj i reglare mai simple i pot fi construite pentru puteri foarte mari, avantaje care le asigur cea mai mare rspndire. Turbine radiale, la care curgerea general a aburului se face ntr-un plan perpendicular pe axa turbinei. Curgerea poate fi centripet sau centrifug. Ele pot fi cu aciune sau cu reaciune, monoetajate sau multietajate. Cea mai cunoscut este turbina Ljungstrm, care este o turbin cu reaciune, multietajat, cu curgere centrifug, cu paletele plasate alternativ pe dou rotoare care se rotesc n sensuri contrare. Turbinele radiale au o construcie foarte compact, ns, datorit schemei defavorabile de solicitri, nu pot fi construite pentru puteri foarte mari.

Dup presiunea final

Turbine cu condensaie, la care destinderea aburului se face pn la o presiune inferioar presiunii atmosferice, presiune realizat de un condensator n care este evacuat aburul ieit din turbin.

Turbin cu emisiune n atmosfer la care aburul este evacuat direct n atmosfer, la o presiune cu foarte puin mai mic dect presiunea atmosferic. Aceste turbine au randament termic redus i se utilizeaz doar ca turbine auxiliare pentru puteri foarte mici. Turbin cu contrapresiune, la care aburul este evacuat din turbin la o presiune mai mare dect presiunea atmosferic, n vederea utilizrii lui n scopuri tehnologice sau de nclzire (termoficare industrial)).

Dup prizele de prelevare a aburului

Turbine fr prelevare, la care ntreaga cantitate de abur ce intr n turbin strbate toate treptele. Turbine cu prize nereglate, la care o parte din abur este preluat dintre trepte i folosit pentru prenclzirea regenerativ a apei de alimentare a cazanelor. Presiunea la aceste prize nu este necesar s aib valori fixe (s fie reglat), de unde denumirea lor. Turbine cu prize reglate, la care o parte din abur este preluat dintre trepte i folosit n scopuri tehnologice sau de termoficare. Presiunea la aceste prize este necesar s aib valori fixe.

ConstrucieAjutajele sunt canale a cror seciune variaz continuu dup o anumit lege care s asigure obinerea vitezei dorite a aburului.[15] De obicei aceste canale sunt realizate prin alturarea unui ir de palete fixe, spaiul dintre fiecare dou palete formnd un ajutaj, rezultnd astfel un ir de ajutaje. Dac viteza care trebuie s-o ating aburul la ieirea din ajutaj este subsonic, se folosesc ajutaje convergente, a cror seciune scade continuu de la intrare spre ieire. Dac este nevoie de o vitez supersonic, se folosesc ajutaje convergent-divergente (ajutaje de Laval), a cror seciune scade pn la o valoare minim, n care seciune se atinge viteza sunetului, iar in continuare seciunea crete, viteza crescnd n continuare pn la valoarea dorit, de fapt cea corespunztoare seciunii canalului.

Profil de palet de turbin cu aciune.

Profil de palet de turbin cu reaciune.

Palete de turbin cu profil constant. Paletele sunt piesele care transform energia cinetic a aburului n energie mecanic.[16] Ele sunt formate dintr-o parte activ, lama paletei i o parte de fixare pe disc (la turbinele cu aciune), respectiv tambur (la cele cu reaciune), piciorul paletei. Lama paletei servete pentru schimbarea direciei aburului n vederea extragerii din el a energiei. n acest scop lama este profilat aerodinamic, profilele folosite fiind relativ groase i cu curbur mare. i la palete forma profilului depinde de tipul curgerii dorite. La turbinele cu aciune este nevoie de palete la care canalul interpaletar s aib o seciune practic constant, iar la cele cu reaciune este nevoie de canale convergente sau convergentdivergente.

Palet de turbin cu profil variabil. Viteza aburului (care este un vector) are o valoare dac este raportat la ajutaje, care sunt fixe, vectorul vitezei aburului fiind notat n acest caz cu c, i alt valoare dac este raportat la palete, care se mic cu viteza u, vectorul vitezei aburului fiind notat n acest caz cu w. Cei trei vectori: c, w i u formeaz un triunghi, numit triunghiul vitezelor. Pentru o anumit turaie n, viteza u este proporional cu raza cercului pe care se mic seciunea respectiv a paletei. Mrimea vitezei c nu depinde de raz, rezult c forma triunghiului vitezelor se schimb cu raza. Forma profilului paletelor este eficient cnd direciile de intrare i ieire ale aburului corespund cu direciile rezultate din triunghiul de viteze. Dac paletele nu sunt prea lungi, raz nu variaz prea mult, nici triunghiurile nu difer mult, aa c, pentru simplitate tehnologic, se folosesc palete cu profil constant. Dac ns paletele sunt lungi sau se doresc performane optime, profilul paletelor trebuie s varieze cu raza, obinndu-se aa-numitele palete cu profil variabil (palete rsucite).

Montajul unei turbine cu abur. Fixarea paletelor se face cu ajutorul piciorului. Se folosesc diferite soluii constructive:[17]

ndoirea lamei (vezi paleta din dreapta din figura cu pate cu profil constant), soluie care este aplicabil doar paletelor foarte puin solicitate. Picior n form de T (vezi celelalte palete, din figura cu pate cu profil constant) soluie folosit pentru palete scurte, care nu genereaz solicitri mari. Soluia e folosit la paletele treptelor de nalt presiune, unde, datorit volumului mic al aburului, paletele sunt scurte. Picior n form de furc (vezi prima palet, neagr, din figura cu pate cu profil constant). Soluia se folosete dac solicitrile n palet sunt mari sau dac este nevoie de o rigiditate sporit a fixrii, de exemplu la treptele de joas presiune, unde n general paletele sunt lungi. Picior n form de brad (vezi paletele din figura cu montajul unei turbine cu abur). Soluia se folosete la paletele extrem de solicitate, de exemplu la paletele foarte lungi ale treptelor finale ale turbinelor cu condensaie, sau la paletele turbinelor cu gaze. Fixare prin sudare. Soluia asigur o fixare foarte rigid, ns materialele trebuie s fie sudabile i, datorit diferenelor de temperatur care apar n timpul funcionrii ntre palet i restul rotorului, apar, datorit dilatrilor, tensiuni termice mari, care pot produce fisuri, ca urmare soluia este puin folosit.

Transformri termodinamice

Reprezentarea n diagrama i-s a destinderii aburului ntr-o turbin. Fie starea aburului la intrarea ntr-o turbin corespunztoare punctului 1 din figura alturat (presiunea de 50 bar i temperatura de 500 C). Prin destindere (n figur pn la presiunea de 0,05 bar), n cazul ideal transformarea ar fi izoentropic, adic n diagrama i-s ar fi o linie vertical pn n punctul 2. Cderea de entalpie disponibil ar fi n acest caz ht. n palete ns curgerea aburului nu este ideal, apar mai multe tipuri de pierderi: n ajutaje, n palete, la ieire, prin frecare i ventilaia aburului, prin neetaneiti i prin umiditatea aburului,[18] notate n figur cu hp. Entalpia disponibil rmne h, iar punctul final al transformrii este 2' , corespunztor cderii de entalpie h i presiunii din punctul 2. Entropia masic s2' corespunztoare punctului final al transformrii reale este mai mare dect s1, cea corespunztoare punctului final al transformrii izoentropice, n acord cu principiul al doilea al termodinamicii. Raportul

se numete randament interior al turbinei,[19] iar valoarea sa este de 84 - 88 %[20] 1. Auguste Rateau, Anales des Mines, seria a 13-a, tomul 2, 1932.

Bibliografie

Aurel Stodola, Die Dampfturbinen, Ed. 3, Springer Verlag, Berlin, 1905 Constantin Zietemann, Die Dampfturbinen, ed. 2, Springer-Verlag, BerlinGttingen- Heidelberg, 1955 Titus Grecu, Mircea Crdu, Ian Nicolau, Turbine cu abur, Editura Tehnic, Bucureti, 1976 Bazil Popa i colab., Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 2, Editura Tehnic, 1986 Victor Pimsner .a., Procese n maini termice cu palete, Editura Tehnic, Bucureti, 1986 Gavril Crea, Turbine cu abur i cu gaze, Editura Tehnic, 1996, ISBN 973-310965-7 Alexander Leyzerovich, Large Steam Power Turbines, PennWell Publishing Company, 1997, Tulsa, US-OK