Ministerul Educatiei al Republicii Moldova

Universitatea Tehnică a Moldovei

ReferatLa lucrarea de laborator Nr.2

Tema: Construcţia turbinei cu abur

A executat: studentul gr. IME-081

A verificat: Lector universitar

Fig. 1.1 Turbina cu abur al lui Hero din

Alexandria

Braga Dumitru

Chişinau 2009

IntroducereÎn prezent, aproximativ 40% din consumul mondial de combustibil

este folosit pentru producerea energiei elctrice în centrale termoelectrice clasice şi nucleare. Aceste transformări de energie se realizează preponderent cu ajutorul turbinelor cu abur datorita randamentului termic superior şi unui raport putere/greutate mai bun decat la motoarele cu abur. La moment cca. 86% din puterea electrică mondială e generată de centrale termo-electrice ce utilizează turbine cu abur.

1. Istoric

Utilizarea energiei aburului se atestă încă înaintea erei noastre. Primele concepţii de utilizare aburului o gasim la Arhimede (287...212 î.e.n.), el a imaginat un tun la care ghiuleaua ar fi trebuit să fie aruncată de presiunea aburului, Hero din Alexandria deja în anul 200 î.e.n. povesteşte despre turbina cu abur pe care ar fi construito, turbina lui (Fig1.1) consta dintr-o sferă goală, ce se rotea î jurul unei axe, datorită reacţiunii jeturilor de abur ce ieşeau cu viteză mare din sferă prin două ţevi înguste, cu capetele întoarse în sens contrar sensului de învîrtire. Din antichitate sunt cunocute şi eolipilele, rezervoare din bronz în formă de bust în care apa era supusă fierberii, iar aburul format ieşea cu viteă mare, printr-un orificiu îngust în atmosferă.

Evul mediu nu a adus nici un progres faţă de realizările şi ideile antichităţii în ceia ce priveşte posbilitatea de utilizare a energiei aburului.

Abia în anul 1629 învăţatul italian Giovanni de Branca propune să se utilizeze energia cinetică a aburului produsă de o eolipităîntr-o roată cu palete prin care aburul curgea radial. Dar roata lui a fost sortita pieriii datorita construcţiei defecte.

O utilizare la o scară mai largă a aburului a avut loc la începutul sec. XVIII-lea cînd apar primele maşini cu abur cu piston industriale, necătînd la acest lucru turbina cu abur se dezvoltă mult mai încet decît maşina cu abur cu piston, din cauza că turbina cu abur reprezenta pentru timpul dat

o construcţie pretenţioasa şi tehologiile din acea vreme erau încă mult prea primitive.

Apariţia în industrie a turbinei cu abur se datoreşte muncii asidue a inginerului suedez Laval şi a englezului Ch. Parsons.

Turbina lui Laval era de tipul turbinelor cu acţiune, apare în 1883, era construită dintr-o roată cu palete asupra cărora acţionau mai multe jeturi de abur de viteză mare, viteză creată cu ajutorul unor ajutaje covergent-divergnte, cunoscute sub numele de ajuataje Laval. Turaţia turbinei Laval era de 500 rot/s, iar un reductor reducea turaţia la 50 rot/s. Necesitatea de a asigura un bun randament turbinei Laval impune folosirea unei viteze periferice mari, respectiv unor turaţii mari ceea ce face inevitabilă utilizarea reductorului de turaţie. Din cauza dificultăţilor tehnice de execuţie a unor astfel de reductoare pentru puteri mari turbina Laval este limită ca utilizare numai pentru puteri mici.

Turbina lui Parsons, de tipul turbinelor multietajate cu reacţiune, a apărut cu un an în urma turbinei construită de Laval. Pentru a obţine un randament bun şi la turaţii mai mici, Parsons a repartizat căderea totală de presiune pe mai multe trepte. Prima turbină Parsons era cu dublu flux: aburul intra în turbină la mijlocul carcasei şi străbătea, în cele două sensuri cîte 15 trepte. Puterea ei era de 7,5 kW, iar turaţia era încă foarte mare - 284 rot/s dar curînd Parsons a redus turaţia la valori convenabile. Spre deosebire de turbina Laval turbinele multietajate nu sunt limitate ca putere, astfel că au obţinut un larg domeni de utilizare.

Din acest moment procesul de dezvoltare a construcţiei cu abur ia un mare avînt. Apare turbina americanlui Curtis în 1896, cu utilizarea în trepte a energiei cinetice, apoi turbinele multietajate cu cţiune cunoscute şi su numele de turbine Rateau, iar ceva mai tîrziu, în 1912, apar în Suedia şi turbinele radiale fără palete în stator ale fraţilor Ljungström.

Turbina cu abur s-a răspîndit nu numai în instalaţii terestre, ci ocupă un loc însemnat şi ca maşină de forţă motoare, pentru propulsarea navelor.

Apariţia celor două tipuri principale de turbine: cu acţiune şi cu reacţiune, deosebite din punct de vedere constructiv, a avut ca rezultat specializarea fabricilor constructoare de turbine pentru unul din aceste două tipuri, specializare menţinută în general pînă în prezent.

Progrese mari realizate în domeniul construcţiei turbinelor cu abur au fot stimulate de creşterea continuă a consumului de energie ca urmare a dezvoltării rapide a marilor industrii, a marilor centre industriale şi a flotei de război, care cereau mereu motoare din ce în ce mai puternice.

Dezvoltarea turbinelor cu abur a mers mînă de mînă cu progresele realizate de studiul materialelor şi cu dezvoltarea şi perfcţiunarea construcţiilor de turbine. De asemenea construcţiile noi de turbine au creat probleme noi pentru tehnologie şi studiul materialelor.

În procesul de dezvoltare a turbinelor cu abur se remarcă patru perioade distincte, caracterizate prin orientarea diferită a construcţiei şi prin diferenţa dintre parametrii aburului proaspăt.

Perioada I (1883-1910) se întinde din momentul aparţiei primei turbine a lui de Laval pînă aproape de primul război mondial. Din cauza preţului ridicat al instalaţiilor de turbine se iveşte o puternică tendinţă de a ieftini

constucţia, ceea ce are ca urmare executarea unor turbine cu număr redus de trepte, cu viteze mari de curgere a aburului, ceea ce a dus deseori la realizarea unor instalaţii mai puţin econome.

Materialele cunoscute în această perioada erau fonta pentru carcase şi în general, pentru piese turnate; oţelul carbon forjat, pentru rotoare şi pentru piese fojate de dimensiuni moderate; alama ca material pentru palete.

Deoarece aceste materiale mai ales fonta şi alama, nu rezistau la temperaturi mai mari, parametrii aburului nu treceau de 16 bar şi 300°C, puterea maximă realizată într-o singură unitate atins 6MW la 50 rot/s, 10MW la 25 rot/s şi 20MW la 16,6 rot/s.

Încă din ceastă perioadă turbina cu abur a ajuns un concurent serios al maşinii cu abur cu piston, remarcîndu-se prin calităţile sale excepţionale, ceea ce a impus folosirea lor în instalaţiile stabile de mare putere, precum şi la navele mari.

Perioada II (1910-1932) dezvoltarea turbinelor cu abur înainte şi în timpul primului război mondial suferă o oarecare stagnare, iar imediat după război, progrese mari realizate în acest domeniu permit executarea unor turbine de puteri uriaşe, care depăşesc cerinţele energetice ale vremei.

În general în această perioadă puterea agregatelor nu depăşea încă 25 MW, la 50-60 rot/s şi 100 MW la 25-30 rot/s, dar sa realizat un agregat de 208 MW (pe 3 linii de arbori). parametrii aburului nu depăşesc de obicei 90 bar şi 400ºC.

Perioada aceasta se caracterizează prin străduinţa fabricilor constructoare de a reduce consumul specific de căldură al turbinei, ceea ce se manifesta prin apariţiea turbinelor cu un număr mare de trepte, adeseori cu mai multe corpuri şi chear cu arbori pe mai multe linii, concomitent cu majorarea parametrilor aburului proaspăt.

Progresele mari realizate în această perioadă se datoresc în mare parte apariţiei oţelului turnat, utilizat pentru carcase, a oţelurilor aliate cu 5% nichel utilizate la confecţionarea paletelor, precun şi extinderii posibilităţilor de forjare la piesele mari. Perioada III (1932-1946) se caracterizează prin tendinţa de îmbunătăţire la maximum al randamentului turbinei prin mărirea contunuă a parametrilor aburului, dar se pune accentul mai ales pe siguranţa de funcţionare a agregatului. în acest scop, construcţiile complicate sunt părăsite şi în locul lor apar turbinele rapide, de putere unitară mare, revenindu-se la construcţia cu arborii pe o singură linie şi cu un nuimăr minim de corpuri posibile. se realizează, de exemplu, turbine de 100 MW, la 50 rot/s, în două corpuri, dar pe osingură linie. apariţia oţelului inox în această perioadă, folosit la fabricaţia paletelor, a permis ridicarea parametrilor şi a siguranţei de funcţionare.

În privinţa puterii unitare se poate spune că în această perioadă posibilităţile constructive şi tehnologice ar fi permis realizarea unor turbine mai mari decît cereau necesităţile de atunci a energeticii. în general, puterea maximă a agregatelor energetice nu se recomandă să

depăşească 5-10% din puterea instalată a reţelei electrice pe care o debitează agregatul, pentru ca puterea în rezerva disponibilă a reţelei să nu fie prea mare, deoarece puterea instalată a sistemelor energetice în general nu a depăşit în această perioadă 1000-1500 MW, puterea unitară maximă a agregatelor realizate nu a depăşit decît în cazuri izolate valoarea de 100-150MW.

Perioada a IV-a se întinde din anul 1946 pînă în zilele noastre. ea se caracterizează pritr-o tendinţă puternică de creştere bruscă a puterii agregatelor datorită creşterii vertiginoase a puterii instalate a reţelelor electrice prin interconectarea reţelelor regionale în uriaşe sisteme energetice naţionale şi internaţionale, astfel că puterea unitară a ajuns la 1500 MW.

Deoarece prin mărirea puterii unitare se reduce, pe de o parte, costul unui kW instalat iar pe de altă parte randamentul grupului creşte tendinţa de mărire continue a puterii este pe deplin justificată.

Pe lîngă creşterea puterii se remarcă în etapa actuală şi creşterea presiunii şi temperaturii aburului proaspăt. Limetele parametrilor aburului folosit în centralele europene existente, mai vechi, sunt cuprinse în majoritatea cazurilor între 35-90 bar şi 450-500ºC, randamentul acestor centrale atinge 26-30%.

Marile centrale moderne cu combustibili fosili funcţionează însă cu abur de 150-250 bar şi chear mai mult şi la temperaturi de 535-565ºC, în care caz se realizează randamentul de 36-38%.

În afară de turbinele prevăzute să utilizeze abur de presiune şi temperatură cuprinse în limitele uzuale indicate mai înainte sau construit cu titlu experimental şi turbine pentru parametri supraînalţi, avînd presiunea pînă la 350 bar şi temperatura pînă la 650ºC.

La construcţiile viitoare se prevede mărirea în continuare a temperaturii aburului, de îndată ce se vor găsi materiale corespunzătoare la preţuri convenabile, deoarece creşterea temperaturii aburului ar duce după sine la o îmbunătăţire sensibilă a randamentului instalaţiei.

În ultimele 3 decenii o atenţiei deosebită se acordă automatizării blocului cazan-turbină prin folosirea calculatoareleor de proces. În prezent, acestea sunt folosite la supravegherea instalaţiei, ca cititoare de date, la calculul caracteristicilor circuitelor şi prezentarea bilanţurilor, pentru optimizarea proceselor, pentru întocmirea protocoalelor de desfăşurare a deranjamentelor şi chear pentru diagnoză.

2. Descrierea şi funcţionarea turbinelor cu abur

Turbina cu abur este o maşină de forţă, motoare, care transformă energia acumulată în aburul produs de un generator de abur în energie mecanică prin intermediul unor palete în mişcare de rotaţie.

Generatorul de abur poate fi un cazan, un reactor nuclear, un schimbător de căldură sau un simplu vaporizator ce nu face parte din instalaţia turbinei cu abur.

Pentru a obţine energia mecanică, în cazul turbinelor cu abur se transformă întîi energia acumulata în abur în energie cinetică prin

Fig. 2.1 Secţiune longitudională a turbinei cu abur

destinderea aburului într-un număr oarecare de ajutaje sau palete fixe, care, împreună cu carcasa, organele de fixare, susţinere şi asamblare formează statorul turbinei iar apoi această energie cinetică se transformă în energie stereomecanică cu ajutorul unor palete solidare cu arborele, cu care se execută o mişcare de rotaţie în jurul unui ax, formînd rotorul turbinei.

În fig. 2.1 este reprezentată schematic o secţiune longitudională printr-o turbină cu abur. Aburul intră în turbină prin racordul 1, repartizîndu-se prin canalul inelar 2 la unul sau mai multe ajutaje 3, situate pe periferia unui sector circular.

Interiorul carcasei este împărţit în mai multe compartimente de presiuni diferite prin nişte pereţi 5 perpendicular pe ax, care poartă denumirea de diafragme. În aceste diafragme sunt fixate, pe un cerc de diametru D concentric cu axa de rotaţie, ajutajele 6. În timpul trecerii prin aceste ajutaje aburul se destinde, mărindu-şi considerabil viteza, fiind apoi dirijat între paletele 7, fixate pe periferia fiecarui disc al rotorului 9.

Trecînd printre paletele rotorului aburul exercită o forţă care pune rotorul în mişcare. Lucrul mecanic cedat de abur paletelor se face consumînd din energia cinetică şi eventual şi din energia potenţială a aburului.

Ansamblul format dintr-o diafragmă şi discul paletat al rotorului care îi urmeayă în sensul curgerii aburului, formează o treaptă a turbinei. Pentru identificare, fiecare treaptă poartă cîte un număr, numerotarea făcîndu-se în ordinea numerelor crescătoare în sensul curgerii aburului. Diafragma primei trepte de cele mai multe ori lipseşte, ajutajele corespunzătoare fiind fixate în carcasă, ca în fig. 2.1.

Aburul care a părăsit ultima treaptă a turbinei este evacuat din turbină prin racordul 10.

Etanşarea dintre diafragmă şi rotor în dreptul orificiului de trecere a arborelui prin diafragmă se realizează cu ajutorul unei etanşări fără contact numită etanşare cu labirinţi, care constă din nişte şicane puse în calea aburului, cunoscută şi sub numele de etanşare intermediară.

Etanşarea locurilor de trecere a arborelui prin carcasa turbinei se realizează cu ajutorul unor etanşări 9, numite etanşări exterioare. Aceste etanşări se execută, de regulă sub formă de labirint. Etanşarea exterioară cu labirint de lîngă prima treaptă a turbinei se numeşte labirint de înaltă

Fig. 3.1 Ajutajele de lîngă canalul

inelar

presiune, iar cea de lîngă ultima treaptă a turbinei se numeşte labirint de joasă presiune.

Rotorul turbinei este susţinut, de obicei, de două lagăre radiale 13, numite după poziţia lor faţă de partea de ÎP, respectiv de JP, lagăr radial ÎP, respectiv lagăr radial JP. Poziţia axială a rotorului e menţinută cu ajutorul unui lagăr axial.

Pe lîngă elementele componente amintite, turbinele cu abur sunt prevăzute de obicei şi cu un sistem de reglaj, al cărui scop este de a adapta regimul de funcţionare al turbinei (puterea, turaţia, debitul, etc) la condiţiile impuse maşinii antrenate, sau turbinei însăşi.

De asemenea, turbinele cu abur se prevăd cu aparate şi instrumente de măsurare şi semnalizare şi cu unele instalaţii auxiliare, care servesc pentru ungerea şi răcirea lagărelor, pentru condensarea aburului evacuat, pentru preîncălzirea apei de alimentare a cazanului, sau altele.

Sistemul de reglare, instalaţiile auxiliare, aparatele de măsurare sunt în general cu atît mai complexe cu cît puterea turbinei este mai mare.

3. Descrierea ajutajelor şi paletelor.

Ajutajele sunt canale a căror secţiune variază continuu după o anumită lege care să asigure obţinerea vitezei dorite a aburului. De obicei aceste canale sunt realizate prin alăturarea unui şir de palete fixe, spaţiul dintre fiecare două palete formând un ajutaj, rezultând astfel un şir de ajutaje. Dacă viteza care trebuie s-o atingă aburul la ieşirea din ajutaj este subsonică, se folosesc ajutaje convergente, a căror secţiune scade continuu de la intrare spre ieşire. Dacă este nevoie de o viteză supersonică, se folosesc ajutaje convergent-divergente (ajutaje de Laval), a căror secţiune scade până la o valoare minimă, în care secţiune se atinge viteza sunetului, iar in continuare secţiunea creşte, viteza crescând în continuare până la valoarea dorită, de fapt cea corespunzătoare secţiunii canalului.

Paletele sunt piesele care transformă energia cinetică a aburului în energie mecanică. Ele sunt formate dintr-o parte activă, lama paletei şi o parte de fixare pe disc (la turbinele cu acţiune), respectiv tambur (la cele cu reacţiune), piciorul paletei. Lama paletei serveşte pentru schimbarea direcţiei aburului în vederea extragerii din el a energiei. În acest scop lama este profilată aerodinamic, profilele folosite fiind relativ groase şi cu curbură mare. Şi la palete forma profilului depinde de tipul curgerii dorite. La turbinele cu acţiune este nevoie de palete la care canalul interpaletar să Fig3.2 Palete

aibă o secţiune practic constantă, iar la cele cu reacţiune este nevoie de canale convergente sau convergent-divergente.

Viteza aburului (care este un vector) are o valoare dacă este raportată la ajutaje, care sunt fixe, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu c, şi altă valoare dacă este raportată lapalete, care se mişcă cu viteza u, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu w. Cei trei vectori: c, w şi u formează un triunghi, numit triunghiul vitezelor. Pentru o anumită turaţie n,viteza u este proporţională cu raza cercului pe care se mişcă secţiunea respectivă a paletei. Mărimea vitezei c nu depinde de rază, rezultă că forma triunghiului vitezelor se schimbă cu raza. Forma profilului paletelor este eficientă când direcţiile de intrare şi ieşire ale aburului corespund cu direcţiile rezultate din triunghiul de viteze. Dacă paletele nu sunt prea lungi, rază nu variază prea mult, nici triunghiurile nu diferă mult, aşa că, pentru simplitate tehnologică, se folosesc palete cu profil constant. Dacă însă paletele sunt lungi sau se doresc performanţe optime, profilul paletelor trebuie să varieze cu raza, obţinându-se aşa-numitele palete cu profil variabil .

4. Clasificarea turbinelor cu abur

Clasificarea dupa principiul termodinamic de funcюionare:

A) Turbine cu abur cu acţiune - la acestea, toata căderea de entalpie a aburului este transformata in energie cinetica, numai între paletele statorului. Forţa tangenţiala, care generează momentul motor, se obţine prin devierea curentului de abur intre paletele rotorului. Căderile de presiune se produc numai între paletele statorului.

Fiecărei căderi de presiune ii corespunde o creştere a vitezei aburului. Viteza aburului scade intre paletele rotorului, unde se produce transformarea energiei cinetice in energie mecanică.

p-presiunec-viteza absoluta a aburului

Fig3.3 Profil de paletă de turbină cu acţiune.

Fig3.4 Profil de paletă de turbină cu reacţiune.

B) Turbine cu abur cu reacţiune - la acestea, căderea de entalpie a aburului este transformată numai parţial intre paletele statorului, numite şi palete directoare, în energie cinetică, iar restul între paletele rotorului. Forţa tangenţială provine atît din forţa activă produsă de devierea aburului, cît şi din forţa reactivă, generata prin accelerarea aburului între paletele rotorului.

Profilul paletelor rotorului este astfel ales, incît între palete se formează ajutaje, în care se destinde aburul.Aceste turbine nu au diafragme, paletele directoare fiind fixate direct in carcasa. Rotoarele nu au discuri, ci se executa sub forma de tambur. Presiunea scade atît în paletele rotorului, cît şi în palete directoare; cu toate acestea, viteza absolută scade între paletele rotorului.

p-presiunec-viteza absoluta a aburului

C) Turbine combinate - la acestea, de obicei treptele de înaltă presiune sunt trepte cu acţiune, iar cele de joasă presiune sunt trepte cu reacţiune.

Clasificarea după realizarea transformărilor energetice:

A) Turbine unietajate - la acestea, întreaga cădere de entalpie disponibilă este prelucrată într-o singură treaptă. Se execută obişnuit ca turbina axiala cu acţiune, numita şi turbina Laval.Statorul este prevăzut cu unul sau mai multe ajutaje dispuse de-a lungul unui sector circular. Rotorul constă dintr-un singur disc montat de obicei în consolă.Au o construcţie simplă, dimensiuni mici si cost redus.

B) Turbine cvasietajate - se numesc si turbine Curtis sau turbine cu trepte de viteza. Sunt turbine cu acюiune, in care cгderea de entalpie disponibila este transformata in energie cinetica intr-o singura

coroana de ajutaje, dar energia cinetica este transformata in energie mecanica, in doua sau trei coroane de palete, montate pe acelaєi disc.Avвnd jocuri mari intre stator si rotor, oferг o siguranюa in exploatare si posibilitatea unei porniri rapide. Au dimesiuni reduse si o construcюie ieftina si simpla. Se folosesc ca trepte de reglare la turbinele multietajate.

Turbina Curtis 1 –ajutaj 2-coroana de palete rotorice 3-palete redresoare

C) Turbine multietajate -se numesc şi turbine cu trepte depresiune; asigură randamente mai ridicate decît cele unietajate sau cvasi etajate.

Clasificarea dupa direcţia de curgere a aburului:

A) Turbine axiale - la acestea, liniile de curgere ale aburului sunt situate pe o suprafaţă de revoluţie, avînd axa geometrică situată în axa de rotaţie a turbinei. Turbinele axiale multietajate cu acţiune se numesc turbine Rateau iar cele cu reactiune Parsons. Sunt cele mai răspîndite.

B) Turbine radiale - liniile de curgere ale aburului se găsesc în plane perpendiculare pe axa de rotaţie a turbinei. Curgerea poate fi centripeta sau centrifuga.

C) Turbine radial-axiale - la acestea partea de înaltă presiune se execută cu trepte radiale, iar cea de joasa presiune cu trepte axiale. Se utilizează rar.

Clasificarea după valoarea presiunii finale:

A) Turbine cu condensaţie - sunt cele mai răspîndite turbine. La acestea destinderea aburului se face pînă la o presiune inferioară presiunii atmosferice. Aburul este evacuat în condensator, unde vidul se realizează prin condensarea aburului. Condensatul este utilizat pentru alimentarea generatorului de abur.

B) Turbine cu emisie in atmosferă - la acestea, aburul se destinde numai pîna la o presiune cu mai puţin mai mare ca cea atomosferică, aburul fiind evacuat direct în atmosferă. Se utilizează numai în scopuri speciale, la puteri mici, deoarece aburul nu mai este reutilizat.

C) Turbine cu contrapresiune - la acestea, aburul este evacuat din turbina la o presiune superioara presiunii atmosferice, urmînd a fi utilizat in scopuri tehnologice sau de incalzire.