Curs1 Turbine

7/26/2019 Curs1 Turbine

1/10

Curs 1 Instalaii i Echipamente Termoenergetice Navale

99

9. CONSIDERAII PRIVIND TURBINELE CU ABUR

9.1. Noiuni generale

Turbina cu abur este o main termic rotativ n care energia potenial aaburului, produs n generatorul de abur, este transformat n energie cinetic, apoi nlucru mecanic de rotaie a arborelui turbinei.

n domeniul naval, turbinele cu abur se folosesc pentru antrenareageneratoarelor electrice, acionarea pompelor de marf i a pompelor de balast de petancurile petroliere, iar pe unele nave sunt utilizate la propulsie.

Pentru realizarea transformrilor energetice, turbina cu abur (fig. 9.1) esteprevzut cu piesele fixe 1, de construcie special,denumite ajutaje (palete fixe), n care energiapotenial a aburului se transform n energiecinetic, respectiv paletele mobile 2 situate laperiferia circular a unui discmobil 3, formnd uncorp comun cu arborele 4 sau la periferia unuitambur, cu ajutorul crora energia cinetic aaburului se transform n energie mecanic.

Transformarea energiei cumulate n abur nenergie cinetic are loc n procesul de destindere aacestuia n ajutajul turbinei. Prin destindere, jetul

de abur capt vitez mare i, intrnd ntre paletelemobile, pune n micare de rotaie ansamblul

palete-disc-arbore.Fig. 9.1

Totalitatea irurilor (coroanelor) de palete fixe, mpreun cu carcasa i cucelelalte piese fixe formeaz statorul turbinei, iar ansamblul palete-disc-arbore icelelalte piese mobile, formeaz rotorul turbinei.

Dup ce aburul strbate toate irurile de palete, efectund lucru mecanic,ptrunde n condensator. n urma condensrii, apa rezultat se colecteaz la parteainferioar a condensatorului, de unde este aspirat de ctre pompele de condens irefulat n rezervorul de ap de alimentare a generatorului de abur.

Dup rolul pe care l ndeplinesc n cadrul sistemelor navale, turbinele cuabur pot fiprincipale, cnd sunt utilizate la propulsia navei, respectiv auxiliare, cndsunt utilizate la realizarea condiiilor necesare pentru funcionarea mainilor

principale de propulsie i a altor mecanisme i instalaii de bord.Utilizarea turbinelor cu abur la propulsia navei, nltur unele dezavantaje ale

mainilor alternative de abur, cum ar fi puterea limitat i economicitatea redus.Domeniul de utilizare a turbinelor cu abur este variat, ele putnd fi clasificate

conform indicaiilor din tabelul 9.1.


2/10


100

ntruct turbinele cu abur moderne utilizeaz presiuni i temperaturi ridicate,s-a recurs la transformarea treptat a energiei aburului prin divizarea destinderii nmai mult iruri de ajutaje, care alterneaz cu iruri de palete. Un ir de ajutaje, urmatde un ir de palete formeaz o treapta turbinei.

Tabel 9.1. Clasificarea turbinelor cu abur[3], [4]Nr. Criteriu de clasificare Tip de turbin

1. Dup rol i destinaie -principale (staionare; nestaionare);- auxiliare (staionare; nestaionare).

2. Dup modul n care se face transformareaaburului

- cu o treapt de presiune i vitez;- cu mai multe trepte de presiune i/sauvitez.

3. Dup principiul de funcionare - cu aciune sau impuls (cu o treapt de

presiune i vitez; cu mai multe trepte depresiune i/sau vitez);- cu reaciune (cu mai multe trepte de

presiune i/sau vitez);- cu aciune i reaciune redus.

4. Dup direcia de curgere a aburului - axiale (elicoidale), radiale, respectivcombinate;- diagonale;- tangeniale.

5. Dup presiunea aburului evacuat - de evacuare;- de joas, medie, respectiv nalt presiune;- critice, respectiv supracritice.

6. Dup modul de evacuare a aburului - cu condensaie;- cu contrapresiune;- nainta.

7. Dup modul de prelevare a aburului - fr prize;- cu prize (reglabile; nereglabile).

8. Dup modul de admisie a aburului - cu injecie total;- cu injecie parial.

9. Dup numrul de corpuri - cu un corp;- cu mai multe corpuri.

10. Dup numrul de fluxuri - cu un singur flux;- cu mai multe fluxuri.

11. Dup numrul de arbori - cu o linie de arbori;- cu mai multe linii de arbori.

12. Dup modul de cuplare la linia de arbori - cu cuplare direct;- cu reductor de turaie;- cu multiplicator de turaie.

13. Dup felul turaiei - cu turaie constant;- cu turaie variabil.

14. Dup poziia arborelui rotorului - orizontale;- verticale.

15. Dup modul de construcie - cu rotoare i diafragme (multicelulare);- cu tambur.


3/10


101

Dac destinderea aburului se realizeaz n mai multe iruri de ajutaje, iarenergia cinetic a acestuia este transformat n energie mecanic ntr-un singur ir de

palete mobile, turbina va fi cu trepte de presiune.Dac destinderea aburului se realizeaz ntr-un singur ir de ajutaje, iar

energia cinetic a acestuia este transformat n energie mecanic n mai multe iruride palete mobile, turbina va fi cu trepte de vitez.

Dac destinderea aburului are loc numai n ajutaje, turbina va fi cu aciune,iar dac destinderea aburului are loc att n ajutaje, ct i n paletele mobile, turbinava fi cu reaciune.

Turbinele cu abur prezint urmtoarele avantaje[1], [3]: dezvoltarea unor puteri mari; funcionare silenioas;

moment uniform la arborele turbinei; echilibrare complet, datorit lipsei organelor cu micare alternativ; siguran n exploatare, ntruct prile n micare sunt complet acoperite; economicitate ridicat la puteri mari; rezisten bun la suprasarcini; mas i dimensiuni reduse pe unitatea de putere; stabilitate bun, datorit poziiei coborte a centrului de mas; evitarea apariiei uleiului n aburul evacuat; posibilitatea de a utiliza combustibili inferiori.Dezavantajele turbinelor cu abur sunt urmtoarele: necesitatea unei turbine suplimentare, pentru inversarea sensului de

deplasare a navei, care consum (1...2)% din puterea dezvoltat pentru mersul nainte; consum specific de combustibil i abur ridicat la funcionarea cu sarcinipariale;

nclzire ndelungat i uniform a turbinei la pornire, datorit jocurilormici dintre paletele rotorului i stator;

necesitatea transmisiei prin reductor, datorit turaiei ridicate a rotorului; pericol de incendiu i explozie la bordul navei.

9.2. Principiul de funcionare a turbinelor cu abur

Prin transformrile care au loc n turbin, aburul produs n generatorul deabur intr n agregat cu presiune ridicat i iese la o presiune sczut, egal cu

presiunea atmosferic (cazul turbinelor cu contrapresiune) sau egal cu o fraciune dinpresiunea atmosferic (cazul turbinelor de condensaie, unde este nevoie de uncondensator pentru producerea pe cale artificial a vidului parial).

9.2.1. Funcionarea turbinei cu aciune

Turbinele cu aciune sunt caracterizate prin faptul c energia potenial aaburului se transform integral n energie cinetic n ajutajele turbinei, iar n spaiul


4/10


102

dintre palete, energia cinetic se transform n energie mecanic care este cedatarborelui turbinei sub forma de lucru mecanic de rotaie.

Constructiv, la turbina cu aciune spaiul dintre palete are o seciune constantdatorit formei simetrice a paletelor mobile de pe rotor.

n fig. 9.2 este reprezentat schema de principiu a turbinei elementare deaciunecu o singur treapt (turbina Laval) [4].

a) b)Fig. 9.2

Semnificaia notaiilor din fig. 9.2 este urmtoarea: 1colector de admisie; 2

ajutaj fix; 3palete; 4disc; 5arbore motor; 6lagr; 7lagr de sprijin; 8stator; 9colector de evacuare; 10ajutaj secionat; 11curent de abur; 12, 13

palete vecine; 14canal rotoric.Aburul proaspt, preluat de la cldarea de abur, intr n colectorul de admisie

1 cu presiunea p0, trece prin ajutajele 2 i se destinde la presiunea p1 n spaiile(canalele) rotorice 14, mrginite de paletele vecine 12 i 13, dup care iese princolectorul de evacuare 9. Viteza absolut a aburului crete de la valoarea v0 najutajele 2, la valoarea v1cu care intr ntre paletele mobile 3, apoi scade la valoareav2n canalele rotorice 14. La ieirea dintre palete, presiunea aburului are valoareap2,egal cu presiunea de intrarep1.

Pentru a nelege modul n care se genereaz fora R, se consider douparticule de abur ii male curentului de abur (v. fig. 9.2, b), amplasate simetric fade axa de simetrie a roii rotorului. Ca urmare a modificrii continue a direcieicurentului de abur, deci a direciei de micare a particulelor elementare, pe faainterioar a paletei 12 apar fore de aciune elementare, notate cu Fi, respectiv Fm.Componentele ' ',

i mF F sunt egale i de acelai sens, prin nsumare dnd rezultanta R

(fora periferic de rotaie pentru canalul considerat), n timp ce componentele " ",i m

F F

sunt egale i de semn contrar, iar prin nsumare se anuleaz. Deci, la turbina cuaciune nu apar fore axiale.


5/10


103

n fig. 9.3 este reprezentat turbina cu aciune cu mai multe trepte de presiune[3].

Semnificaia notaiilor din fig. 9.3 este urmtoarea: 1racord pentru intrareaaburului; 2camer de distribuie; 3ir de ajutaje; 4diafragm; 5carcas; 6ir de palete; 7disc; 8axul turbinei; 9racord de evacuare; 10labirint exterior;11lagr radial-axial; 12lagr radial; 13cuplaj.

Fig. 9.3

La turbina cu aciune cu mai multe treptede presiune, aburul provenit de lageneratorul de abur intr prin racordul 1n camera de distribuie 2cu presiuneap0iviteza v0, se destinde succesiv n irurile de ajutaje 3, fixate pe diafragmele 4solidarecu carcasa 5, se produce lucru mecanic n irurile de palete 6, montate pe discurile 7


6/10


104

solidare cu axul 8, apoi se evacueaz prin racordul de evacuare 9 cu presiunea p4iviteza v8. Etanarea trecerii axului8se realizeaz prin intermediul labirintelor 10, iarfixarea poziiei radiale i axiale a rotorului se realizeaz prin lagrul radial-axial 11ilagrul radial 12. Cuplarea arborelui turbinei la maina de antrenare se realizeaz princuplajul 13.

n cazul turbinelor cu aciune, ajutajele fixe au seciunea variabil, calculatastfel nct s asigure prima faz de transformare a energiei poteniale a aburului nenergie cinetic, adic destinderea complet a aburului. Canalele rotorice, n schimb,au seciune constant, rolul lor fiind doar acela de a devia permanent direcia demicare a particulelor de abur, astfel nct s poat fi generate forele periferice R.Teoretic, valoarea presiunii aburului n amonte de roata rotorului este egal cu cea dinaval. n realitate, presiunea din aval este neglijabil mai mic, datorit frecriiparticulelor de abur cu pereii paletelor.

n ceea ce privete forma ajutajelor i a distribuitoarelor (cazul turbinelor cuaciune), respectiv a canalelor mrginite de paletele fixe i a canalelor rotorice (cazulturbinelor cu reaciune), acestea pot fi:

convergente (fig. 9.4, a), dac viteza aburuluila ieire, vab,2este mai micdect viteza sunetului vsn fluid;

divergente (fig. 9.4, b), dac viteza aburului la intrare, vab,1i la ieire, vab,2depete viteza sunetului vsn fluid;

convergent-divergente (fig. 9.4, c), dac viteza aburului la intrare, vab,1estesubsonic, iar viteza aburului la ieire, vab,2este supersonic.

Fig. 9.4

9.2.2. Funcionarea turbinei cu reaciune

La turbinele cu reaciune, transformarea energiei poteniale a aburului are locparial n ajutajele fixe, iar restul transformrii are loc n canalele rotorice. Ca urmare


7/10


105

a faptului c transformarea n energie cinetic se desfoar i n canalele rotorice,acestea nu vor mai avea seciune constant, iarpresiunea din avalul roii rotorului vafi mult mai mic dect presiunea din amonte. n plus, la fora periferic se adaug ofor de reacie axial provocat de transformarea n energie mecanic a energieicinetice obinut n canalul rotoric. Datorit forei axiale, turbina cu reaciune trebuieprevzut cu dispozitive de preluare a acesteia (lagre axiale). n cazul turbinelornavale de propulsie, fora axial este preluat parial de ctre elice.

n realitate, nu exist turbin cu reaciune monoetajat, dar se poateconsidera c turbina cu reaciune polietajat este compus dintr-un numr deturbine elementare cu rotor unic.

n fig. 9.5 este reprezentat turbina cu reaciune clasic cu mai multe treptedepresiune (turbina Parsons) [3], [4].

Fig. 9.5

Semnificaia notaiilor din fig. 9.5 este urmtoarea: 1 racord deintrare abur; 2ir de palate fixe; 3ir de palete mobile; 4carcas; 5rotor (tambur); 6racord de evacuare; 7axul turbinei; 8labirint exterior;9lagr radial-axial; 10lagr radial; 11cuplaj.


8/10


106

La turbina cu reaciune cu mai multe treptede presiune, aburul provenit de lageneratorul de abur intr prin racordul 1cu presiuneap0 i viteza v0i se destinde attn irurile de palete fixe 2 montate direct pe carcasa 4, ct i n irurile de paletemobile 3, montate pe rotorul 5sub form de tambur. Ieirea aburului din turbin seefectueaz prin racordul de evacuare 6, cu presiuneap6i viteza v6. Etanarea treceriiaxului turbinei 7 se realizeaz prin intermediul labirintelor 8, iar fixarea poziieiradiale i axiale a rotorului se realizeaz prin lagrul radial-axial 9i lagrul radial 10.Cuplarea arborelui turbinei la maina de antrenare se realizeaz prin cuplajul 11.

Turbinele cu reaciune au randament mai mare, fapt pentru care suntmai des utilizate.

Turbinele cu reaciune pot fi utilizate pentru acionarea suflantelor lasupraalimentarea motoarelor cu ardere intern sau la propulsia navei.

9.2.3. Funcionarea turbinelor polietajate

Turbinele elementare (cu o singur treapt) au anumite limitefuncionale. Datorit vitezei periferice foarte mari, apar solicitri mecanice ceimplic probleme constructive complexe.

n studiul i calculul turbinelor cu abur intervin urmtoarele viteze:viteza absolut a aburului (v); viteza periferic a coroanelor de palete mobile(u); viteza relativ a aburului fa de paletele mobile (w).

Pentru reducerea vitezei periferice u, trebuie micorat viteza absolutv1a aburului la intrarea n canalele rotorice.

n cazul turbinei cu aciune, reducerea vitezei periferice se poaterealiza prin dou metode:

descompunerea vitezei absolute v1pe mai multe trepte de vitez; fracionarea presiunii iniialep1pe mai multe trepte de presiune.n cazul turbinei cu reaciune, pentru reducerea vitezei periferice este

suficient s se realizeze fracionarea presiunii iniiale pe mai multe trepte depresiune.

n fig. 9.6 este reprezentat schema constructiv a turbinei cu aciunecu dou trepte de vitez, realizate prin folosirea a dou rnduri de paletemobile (turbina Curtis) [3], [4].

Semnificaia notaiilor din fig. 9.6 este urmtoarea: 1ajutaj fix; 2palete mobile; 3palete fixe; 4 racord de evacuare; 5 roat Curtis; 6axul turbinei.

Aburul provenit de la generatorul de abur intr prin ajutajul fix 1unde areloc transformarea energiei poteniale n energie cinetic de vitez v1i presiuneap1.

n primul ir de palete mobile 2 (palete directoare), o parte din energiacinetic este transformat n lucrumecanic. n mod corespunztor, viteza absolut aaburului scade de la valoarea v1la valoarea v2.

Mai departe, aburul traverseaz canalele formate de paletele fixe 3care au rolde redresare a jetului astfel nct, viteza absolut a aburului la intrarea n al doilea ir


9/10


107

de palete mobile 2s devin paralel cu viteza absolut de la intrarea n primul ir depalete mobile. Datorit frecrii, trecerea aburului prin irul de palete fixe 3 estensoit de o uoar descretere a vitezei absolute v2la valoarea v1.

n continuare, aburul intr n canalele formate de al doilea ir de paletelemobile 2, unde se desfoar transformarea restului de energie cinetic n energiemecanic de rotaie.

n final, aburul iese din al doilea ir de palete mobile 2 cu viteza v2 i esteevacuat prin racordul de evacuare 4.

Fig. 9.6

Numrul maxim de trepte de vitez la turbinele Curtis este de trei [4].n fig. 9.7 este reprezentat schema constructiv a turbinei cu aciunecu trepte de vitez la fiecare treapt de presiune.

Semnificaia notaiilor din fig. 9.7 este urmtoarea: 1axul turbinei; 2 treapt de vitez; 3 ajutaj fix; 4paletele primei trepte de vitez; 5director fix; 6paletele celei de-a doua trepte de vitez; 7distribuitor; 8carcas; 9racord de evacuare.

Varianta constructiv din fig. 9.7 cuprinde trei trepte de presiune,fiecare cu cte dou trepte de vitez. Altfel, se poate considera c turbina esteformat din trei turbine monoetajate, cu cte dou trepte de vitez montate nserie.

Aburul se destinde n ajutajul fix 3al primei trepte de presiunea de lapresiuneap0la presiuneap1i viteza absolut a aburului crete de la valoareav0la valoarea v1, cu care intr n paletele 4ale primei trepte de vitez. Aici areloc transformarea primei cantiti a energiei cinetice n energie mecanic derotaie.

Mai departe, aburul iese din paletele 4cu viteza absolut v2, trece prinpaletele directoare fixe 5i iese din acestea cu viteza v1, paralel cu v1.


10/10


108

Urmeaz faza a doua a transformrii restului de energie cinetic n

energie mecanic de rotaie, care are loc n paletele 6ale celei de-a doua treptede vitez. La ieirea din paletele 6, aburul are viteza absolut v2.Procesul de lucru n treapta a doua de presiune ncepe prin destinderea

aburului n distribuitorul 7. Presiunea scade de la valoarea p1la valoarea p2, iarviteza absolut crete de la valoarea v2 la valoarea v1. Dup trecerea printreptele de vitez ale celei de-a doua trepte de presiune i cedarea lucruluimecanic de rotaie, aburul se destinde n distribuitorul treptei a treia de

presiune, de la presiuneap2la presiuneap3i intr n paletele celor dou treptede vitez n care se desfoar transformarea ultimei cantiti de energiecinetic n lucru mecanic.

Fig. 9.7

n general, numrul treptelor de presiune la acest tip de turbin este dedou pn la trei. n fiecare treapt, aburul cedeaz numai o parte din entalpie,care este transformat n energie cinetic n ajutajele fixe i distribuitoare. Maideparte, energia cinetic este cedat parial n paletele treptelor de vitez, careo transform n lucru mecanic de rotaie.

Fa de turbina cu aciune avnd numai trepte de presiune, turbina cuaciune cu trepte de vitez la fiecare treapt de presiuneprezint avantajulreducerii numrului de trepte, deci a dimensiunilor de gabarit i a preului deachiziie, dar randamentul va fi mai mic.

Curs1 Turbine

Documents

Transcript of Curs1 Turbine