1

Titlul cursului: TURBINE CU ABUR ŞI CU GAZE Acronim: TAG

Partea I, sem. 6 PROCESE TERMICE ŞI GAZODINAMICE ÎN TURBINE TERMICE Titular: prof. dr. ing. Oprea Ion Departamentul Termotehnica, Motoare, Echipamente Termica si Frigorifice Facultatea Inginerie Mecanică şi Mecatronică ( Partea a II-a, sem 7 CALCULUL ŞI CONSTRUCŢIA TURBINELOR TERMICE )

IBLIOGRAFIE

Oprea I. – Turbine cu abur şi gaze – procese termice, Ed. Printech, Bucureşti, 2004

Iordache I., Oprea I., Negreanu G.P., Georgescu M.E., Berbece V. – Turbine cu abur şi gaze - probleme, Ed. Tehnică, Bucureşti, 2000.

Creţa G. – Turbine cu abur şi gaze, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1997

Grecu T., Iordache I., Negrea V.D., Dăscălescu D. Maşini Mecanoenergetice, E.D.P., Bucureşti , 1983

Grecu T, Cârdu M, Nicolau I. – Turbine cu abur, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1976

EVALUARE: Examinare parţială ................ 30 p Examinare finală ................... 50 p Laborator + tema casă .......... 20 p

2

CAPITOLUL 1 Introducere 1.1. Obiectul cursului Studiul proceselor termice şi gazodinamice din TAG cuprinde:

- aplicarea legilor fundamentale în studiul transformărilor energetice; - studiul termodinamic al ciclurilor termice; - studiul proceselor din treapta de turbină - studiul proceselor din turbinele cu mai multe trepte - calculul termic şi de dimensionare al treptei şi al turbinelor în ansamblu - comportarea turbinelor la sarcini parţiale - reglarea şi protecţia turbinelor

1.2. Obiectivele disciplinei

• Însuşirea cunoştinţelor referitoare la turbinele cu abur şi gaze privind: - principiile de funcţionare; - procesele termogazodinamice; - construcţia şi calculul termic; - performanţele şi comportarea în exploatare.

• Formarea deprinderii de analiză teoretică şi experimentală a fenomenelor din turbinele cu abur şi gaze

• Dezvoltarea capacităţii de proiectare şi de luare a deciziilor tehnice în domeniul turbinelor cu abur şi gaze.

1.3. Definirea turbinelor termice Turbinele sunt maşini energetice rotative, destinate transformării energiei termice au fluidului de lucru în energie mecanică de rotaţie. Atributele turbinei: - maşină, energetică (de forţă), termică, motoare, rotativă Fluidul de lucru: - abur (vapori de apă)

- gaze de ardere - CO2 - fluide organice (freoni, toluen, etc.) - gaze calde (aer, heliu)

3

Maşini şi clasificarea maşinilor Definirea maşinilorr Masina este un ansamblu de piese fixe si mobile, cu pozitii si miscari bine determinate, in care a loc transformari energetice in scop util; miscarea mecanica are un caracter esential si diferentiaza masinile de aparate (ex. schimbatoarele de caldura) Clasificare a maşinilor după scopul urmărit:

- maşini energetice (de forţă) ex. – motoare termice – generatorul electric

- maşini de lucru ex. – maşini unelte

- maşini de ridicat şi transportat

Criterii de clasificare a maşinilor energetice a) energia transformată - hidraulică - termică - eoliană - electrică, etc.

b) sensul transformării: maşini – motoare (turbina. m.a.i) – generatoare (compresoare, pompe) – transformatoare (prese hidraulice, servomotoare) c) tipul mişcării organului activ de lucru: maşini – rotative – alternative

Clasificarea maşinilor termice energetice

Sensul transformării Tipul mişcării

Motoare

Generatoare

Rotative

Turbina cu abur (TA) Turbina cu gaze (TG) Motorul Wankel

Compresoare volumice - cu un rotor - cu două rotoare

Compresoare cu rotor paletat (turbocompresoare)

- centrifuge - axiale - combinate

Alternative

Maşina cu abur M.A.I – MAS – MAC

Compresoare cu piston

4

1.4. Caracteristicile turbinelor termice

a) Puteri mari şi foarte mari b) Transformarea energetică se face în trepte, iar pentru fiecare treaptă în două etape c) Absenţa forţelor de inerţie puternic dezechilibrate – necesitatea echilibrării dinamice a

rotorului d) Uzură redusă, consum redus de lubrifiant, randament mecanic ridicat e) Randament ridicat şi constant în timp f) Durabilitate ridicată g) Costuri mari de fabricaţie (unicat sau serie mică, materiale scumpe, mână de lucru înalt

calificată a) Puteri mari şi foarte mari

Caracterul continuu al curgerii permite trecerea (prelucrarea) unor debite mari de fluid şi prin urmare obţinerea unor puteri foarte mari.

PmaxTA = 1750 MW (Arabelle -GE); 1900 MW (Siemens) PmaxTG = 375 MW (Siemens SGT5-8000H)

TA pentru CNE deschisă la plan de separaţie

5

TA clasică în sala de maşini a centralei termoelectrice b) transformarea energetică în trepte

Principiul de funcţionare Prin arderea combustibililor fosili sau prin reacţii de fisiune nucleară se obţin mari cantităţi de energie termică (căldură). Această energie nu pot fi utilizată direct şi ca urmare trebuie să sufere o serie de transformări prin intermediul unui fluid de lucru. Acest fluid este necesar să se găsească din abundenţă, să aibă capacitate mare de înmagazinare a energiei şi să nu prezinte pericol pentru mediul înconjurător; obişnuit sunt utilizate apa sau gazele de ardere. În turbină fluidul de lucru, aflat la temperaturi şi presiuni ridicate, se destinde într-un şir de ajutaje (canale fixe de secţiune variabilă) din care iese cu viteză mare. În ajutaje energia potenţială a fluidului de lucru se transformă în energie cinetică. Jetul de fluid cu mişcare de vârtej pătrunde apoi într-un şir de palete montate la periferia unui rotor şi acţionează asupra acestora, punând rotorul în mişcare. În palete energia cinetică a fluidului de lucru se transformă în energie mecanică de rotaţie, care poate fi utilizată direct pentru antrenarea generatoarelor electrice, a compresoarelor, a pompelor sau pentru propulsia vehiculelor, a avioanelor, a navelor. Lipsit de energie, fluidul părăseşte apoi turbina pentru a-şi relua ciclul de transformări (cazul aburului) sau pentru a fi evacuat în atmosferă (cazul gazelor de ardere). Ansamblul format dintr-un şir de ajutaje şi un şir de palete constituie o treaptă de turbină. Capacitatea de transformare energetică a unei trepte este limitată, din considerente de rezistenţa materialelor şi de randament. Ca urmare, pentru a obţine puteri mari, turbinele cu abur şi cu gaze se construiesc în mai multe trepte, în care au loc transformări energetice identice, dar la alţi parametri (prin destinderea fluidului presiunea şi temperatura scad)

6

Turbina Laval – turbină cu acţiune cu singură treaptă

Deşi aparent simple, având în mişcare o singură piesă, rotorul, turbinele cu abur şi cu gaze trebuie să răspundă unor condiţii de lucru dintre cele mai severe: presiuni şi temperaturi ridicate, solicitări mecanice şi termice mari, oboseală mecanică şi termică, acţiunea erozivă şi corozivă a fluidului de lucru. Aceste condiţii impun materiale speciale, cu înaltă rezistenţă mecanică şi termică, precum şi tehnologii avansate de execuţie. Aşa se explică de ce fabricaţia turbinelor cu abur şi în special a turbinelor cu gaze a cunoscut o oarecare întârziere faţă de alte maşini şi echipamente termice. e) Randament ridicat

ηTA = (0,80 ÷ 0,96) ηITA = (0,36 ÷ 0,47) ηTG = (0,86 ÷ 0,92) ηITG = (0,34 ÷ 0,40) ηCM = (0,44 ÷ 0,60) Ciclu combinat

Principiul de funcţionare al turbinei termice 1 – ajutaj; 2 – paletă; 3 – rotor.

7

Turbină cu gaze ABB tip 13E 143 MW ; ηηηη = 34 % ; ππππ =14,3 ;

1.5. Evoluţia, stadiul actual şi perspectivele construcţiei de turbine.

1.5.1. Scurt istoric al apariţiei şi dezvoltării turbinelor cu abur Secolul 1 – Hero din Alexandria – inventează Aeolipilele – pune în evidenţă forţa aburului

1629 – Giovanni Branca – descrie principiile de funcţionare ale turbinelor cu abur. 1883 – Carl Gustav de Laval – inginer suedez

construieşte prima turbină cu abur, cu: o singură treaptă, acţiune, turaţie ridicată 30.000 rpm, puterea de cca 5 CP.

1884 – Sir Charles Algernon Parsons – inginer englez construieşte prima turbină cu mai multe trepte, cu reacţiune.

1896 – August Rateau – inginer francez construieşte prima turbină cu abur cu acţiune cu mai multe trepte.

1897 – Charles Gordon Curtis – inventator american

Aeolipilele lui Hero din Alexandria (sec I A.D.) Turbina cu acţiune radial-centripetă (1629)

Descoperire a forţei de reacţiune a lui Giovani Branca (1571-1645)

8

construieşte treapta de viteze, formată dintr-un rând de ajutaje şi mai multe rânduri de palete. 1906 Richard Mollier – german – publică diagrama h–s apă – abur; 1912 – Frederik and Birger Ljungstrom – ingineri suedezi

construiesc prima turbină cu abur radială

Iahtul Turbinia lansat la 2 August 1894.

Câştigă o cursă de viteză cu, ocazia sărbătoririi Reginei Victorial, la 26 June 1897, în prezenţa Prinţului de Wales, Lord al Amiralităţii Britanice

Turbina Laval (1883) Turbina Parssons (1884)

Turbină cu o treaptă Curtis (1894)

9

1.5.2. Scurt istoric al apariţiei şi dezvoltării turbinelor cu gaze

1791 – John Barber – inventator englez – obţine patentul primei turbine cu gaze, pe care nu a putut să o construiască datorită dificultăţilor tehnologice;

1872 – Stolze – german – concepe şi brevetează prima turbină cu gaze;

1873 – George Bailey Brayton – englez – construieşte prima cameră de ardere la presiune constantă.

1906 – R. Armengaut şi C. Lemal – ingineri francezi – construiesc prima turbină cu gaze cu cameră de ardere la presiune constantă;

1908 – V.V. Carovodin – rus – şi H Holzwarth – german – construiesc independent primele turbine cu gaze cu cameră de ardere la volum constant; datorită dificultăţilor de etanşare şi de distribuţie a gazelor aceste turbine nu au avut viitor;

Etapa I, începutul secolului XX,

În absenţa unor materiale rezistente şi a unor tehnologii de fabricaţie corespunzătoare TG nu se dezvoltă, fiind utilizate ca anexă la alte agregate (supraalimentarea motoarelor, cazane Velox). 1916 – utilizarea turbinelor cu gaze cu ardere la presiune constantă pentru antrenarea torpilelor 1917 – utilizarea turbinelor cu gaze la antrenarea compresorului de supraalimentare a motoarelor de aviaţie 1923 – utilizarea turbinelor cu gaze la supraalimentarea motoarelor Diesel

Etapa II 1937 – 1956 Marcată de utilizarea turbinelor cu gaze în aviaţie, unde treptat vor înlocui definitiv motoarele cu ardere internă. Prin perfecţionarea materialelor temperatura maximă atinsă în această perioadă este de circa 1000 0C.

1939 – firma BBC prezintă la expoziţia internaţională de la Zürich prima turbină cu gaze destinată antrenării unui generator electric (4 MW, η = 17,4%).

27 august 1939 în Germania este încercat primul avion turboreactor, Heinkel H E 178

1940 – firma Escher Wyss pune în funcţiune prima turbină cu gaze în circuit închis, cu aer cald

1941 – prima locomotivă cu gaze realizată de firma Brown-Boveri

20 septembrie 1945 zboară primul avion turbopropulsor, echipat cu o turbină Rols Royce Trent

1947 – prima navă echipată cu o turbină cu gaze realizată de firma Metropolitan – Vickers 1949 – firma General Electric începe producţia de turbine cu gaze 1950 – firma Siemens începe producţia de turbine cu gaze – primul automobil acţionat cu o turbină cu gaze, realizat de firma Rover

Etapa III 1956 - prezent

Marcată de utilizarea răcirii turbinelor cu gaze şi de materiale speciale, cu înaltă rezistenţă mecanică şi termică, care au permis ridicarea temperaturii maxime până la (1400 ÷ 1560) 0C; în consecinţă cresc puterea şi randamentul ITG. În aceste condiţii turbinele cu gaze sunt utilizate tot mai mult la producerea energiei electrice, în centrale electrice de vârf şi de bază.

10

1.5.3. Energetica nucleară În urma reacţiei de fisiune nucleară se obţin mari cantităţi de căldură care sunt utilizate pentru producerea de energie electrică şi termică. 1933 Fizicianul britanic Ernest Rutherfort, primul care a reuşit să obţină fisiunea nucleului, neîncrezător în posibilitatea de a utiliza această descoperire, declara “Anyone who expects a

source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine” 1943 Enrico Fermi şi Otto Hahn demonstrează posibilitatea reacţiei de fisiune nucleară în lanţ, 1956 prima centrală nuclearo-electrică comercială, la Calder Hall în Anglia. 1950 -1980 se dezvoltă teoria turbinelor cu abur umed Probleme - costul ridicat al investiţiei şi al dezafectării la epuizarea duratei de viaţă

- privind depozitarea deşeurilor nucleare, - 28 martie 1979, accidentul de la centrala Three Mile Island din SUA - 26 aprilie 1986, accidentul de la unitatea 4 a centralei Cernobîl din Ucraina. - 11 martie 2011 a avut loc Accidentul nuclear de la Fukushima

Cu toate acestea numeroase ţări, printre care Franţa, Belgia, îşi bazează producţia de energie pe centrale nucleare, în care lucrează turbine cu abur de puteri mari şi foarte mari. Puterea maximă este de 1500 MW, fiind produsă în CNE Chooz B din Franţa de către turbina Arabelle; energia electrica a cinci astfel de turbine este echivalentă consumului mediu actual de energie electrică al ţării noastre. România 1951 – 1971 centrala Filaret 1 ITG x 12,5 MW (BBC); η = 21,6% ; 100.000 ore de funcţionare 1966 – 1981 centrala Bucureşti-Sud 3 ITG x 36,3 MW (Fiat); η = 28,3% ; tmax = 788 0C ;

22.000 ore de funcţionare

Cicluri combinate - CET Brazi Ptotala = 860 MW; PTG = 275 MW ; PTA = 305 MW

CET Vest Ptotala = 190 MW; PTG = 125 MW ; PTA = 55 MW

Ciclul ITG cu cogenerare CET Bacau PTG = 14 MW Nuclear – 1997 incepe exploatarea comerciala a primului grup de la CNE Cernavoda

Marii producători de turbine cu abur şi turbine cu gaze energetice: General Electric, Westinghouse, GEC Alsthom, Siemens-KWU, MAN, NEI Parsons,

Skoda, Hitachi, Mitsubishi Heavy Industry, Toshiba, LMZ. În ţară:

General-Turbo SA produce: - turbine cu abur energetice în gama de puteri (0÷330) MW; - turbine cu abur cu puteri de (0÷30) MW pentru antrenări mecanice - componente ale turbinei cu abur de 700 MW, destinată CNE Cernavodă; Turbomecanica SA produce sub licenţă turbine cu gaze destinate transportului aerian.

11

1.6. Domenii de utilizare a turbinelor termice

Energetica – energie electrică, căldură

Transport – aerian, naval, terestru

Industrie – antrenare de maşini rotative generatoare, sursă de abur industrial