Constructia Turbinei cu Abur

Referat

Tema: Construcția turbinei cu abur

A executat: studentul Daroga George-Florin

Introducere

În prezent, aproximativ 40% din consumul mondial de combustibil este folosit pentru producerea energiei elctrice în centrale termoelectrice clasice și nucleare. Aceste transformări de energie se realizează preponderent cu ajutorul turbinelor cu abur datorita randamentului termic superior și 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 concepții 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. povestește 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 reacțiunii jeturilor de abur ce ieșeau cu viteză mare din sferă prin două țevi înguste, cu capetele întoarse în sens contrar sensului de învîrtire. Din antichitate sunt cunocute și eolipilele, rezervoare din bronz în formă de bust în care apa era supusă fierberii, iar aburul format ieșea cu viteă mare, printr-un orificiu îngust în atmosferă.

Evul mediu nu a adus nici un progres față de realizările și

ideile antichității în ceia ce privește posbilitatea de utilizare a

energiei aburului.

Abia în anul 1629 învățatul italian Giovanni de Branca propune

să se utilizeze energia cinetică a aburului produsă de o eolipită

într-o roată cu palete prin care aburul curgea radial. Dar roata lui a fost sortita pieriii datorita construcției defecte.

O utilizare la o scară mai largă a aburului a avut loc la începutul sec. XVIII-lea cînd apar primele mașini cu abur cu piston industriale, necătînd la acest lucru turbina cu abur se dezvoltă mult mai încet decît mașina cu abur cu piston, din cauza că turbina cu abur reprezenta pentru timpul dat o construcție pretențioasa și tehologiile din acea vreme erau încă mult prea primitive.

Apariția în industrie a turbinei cu abur se datorește muncii asidue a inginerului suedez Laval și a englezului Ch. Parsons.

Turbina lui Laval era de tipul turbinelor cu acțiune, apare în 1883, era construită dintr-o roată cu palete asupra cărora acționau mai multe jeturi de abur de viteză mare, viteză creată cu ajutorul unor ajutaje covergent-divergnte, cunoscute sub numele de ajuataje Laval. Turația turbinei Laval era de 500 rot/s, iar un reductor reducea turația la 50 rot/s. Necesitatea de a asigura un bun randament turbinei Laval impune folosirea unei viteze periferice mari, respectiv unor turații mari ceea ce face inevitabilă utilizarea reductorului de turație. Din cauza dificultăților tehnice de execuție 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 reacțiune, a apărut cu un an în urma turbinei construită de Laval. Pentru a obține un randament bun și la turații 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 și străbătea, în cele două sensuri cîte 15 trepte. Puterea ei era de 7,5 kW, iar turația era încă foarte mare – 284 rot/s dar curînd Parsons a redus turația la valori convenabile. Spre deosebire de turbina Laval turbinele multietajate nu sunt limitate ca putere, astfel că au obținut un larg domeni de utilizare.

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

Turbina cu abur s-a răspîndit nu numai în instalații terestre, ci ocupă un loc însemnat și ca mașină de forță motoare, pentru propulsarea navelor.

Apariția celor două tipuri principale de turbine: cu acțiune și cu reacțiune, deosebite din punct de vedere constructiv, a avut ca rezultat specializarea fabricilor constructoare de turbine pentru unul din aceste două tipuri, specializare menținută în general pînă în prezent.

Progrese mari realizate în domeniul construcției turbinelor cu abur au fot stimulate de creșterea continuă a consumului de energie ca urmare a dezvoltării rapide a marilor industrii, a marilor centre industriale și 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 și cu dezvoltarea și perfcțiunarea construcțiilor de turbine. De asemenea construcțiile noi de turbine au creat probleme noi pentru tehnologie și studiul materialelor.

În procesul de dezvoltare a turbinelor cu abur se remarcă patru perioade distincte, caracterizate prin orientarea diferită a construcției și prin diferența dintre parametrii aburului proaspăt.

Perioada I (1883-1910) se întinde din momentul aparției primei turbine a lui de Laval pînă aproape de primul război mondial. Din cauza prețului ridicat al instalațiilor de turbine se ivește o puternică tendință de a ieftini constucția, 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 instalații mai puțin econome.

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

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

Încă din ceastă perioadă turbina cu abur a ajuns un concurent serios al mașinii cu abur cu piston, remarcîndu-se prin calitățile sale excepționale, ceea ce a impus folosirea lor în instalațiile stabile de mare putere, precum și la navele mari.

Perioada II (1910-1932) dezvoltarea turbinelor cu abur înainte și 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 uriașe, care depășesc cerințele energetice ale vremei.

În general în această perioadă puterea agregatelor nu depășea încă 25 MW, la

50-60 rot/s și 100 MW la 25-30 rot/s, dar sa realizat un agregat de 208 MW (pe 3 linii de arbori). parametrii aburului nu depășesc de obicei 90 bar și 400ºC.

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

Progresele mari realizate în această perioadă se datoresc în mare parte apariției oțelului turnat, utilizat pentru carcase, a oțelurilor aliate cu 5% nichel utilizate la confecționarea paletelor, precun și extinderii posibilităților de forjare la piesele mari.

Perioada III (1932-1946) se caracterizează prin tendința de îmbunătățire la maximum al randamentului turbinei prin mărirea contunuă a parametrilor aburului, dar se pune accentul mai ales pe siguranța de funcționare a agregatului. în acest scop, construcțiile complicate sunt părăsite și în locul lor apar turbinele rapide, de putere unitară mare, revenindu-se la construcția cu arborii pe o singură linie și 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. apariția oțelului inox în această perioadă, folosit la fabricația paletelor, a permis ridicarea parametrilor și a siguranței de funcționare.

În privința puterii unitare se poate spune că în această perioadă posibilitățile constructive și tehnologice ar fi permis realizarea unor turbine mai mari decît cereau necesitățile de atunci a energeticii. în general, puterea maximă a agregatelor energetice nu se recomandă să depășească 5-10% din puterea instalată a rețelei electrice pe care o debitează agregatul, pentru ca puterea în rezerva disponibilă a rețelei să nu fie prea mare, deoarece puterea instalată a sistemelor energetice în general nu a depășit în această perioadă 1000-1500 MW, puterea unitară maximă a agregatelor realizate nu a depășit 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 tendință puternică de creștere bruscă a puterii agregatelor datorită creșterii vertiginoase a puterii instalate a rețelelor electrice prin interconectarea rețelelor regionale în uriașe sisteme energetice naționale și internaționale, 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 crește tendința de mărire continue a puterii este pe deplin justificată.

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

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

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

La construcțiile viitoare se prevede mărirea în continuare a temperaturii aburului, de îndată ce se vor găsi materiale corespunzătoare la prețuri convenabile, deoarece creșterea temperaturii aburului ar duce după sine la o îmbunătățire sensibilă a randamentului instalației.

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

2. Descrierea și funcționarea turbinelor cu abur

Turbina cu abur este o mașină de forță, motoare, care transformă energia acumulată în aburul produs de un generator de abur în energie mecanică prin intermediul unor palete în mișcare de rotație.

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

Pentru a obține energia mecanică, în cazul turbinelor cu abur se transformă întîi energia acumulata în abur în energie cinetică prin destinderea aburului într-un număr oarecare de ajutaje sau palete fixe, care, împreună cu carcasa, organele de fixare, susținere și 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 mișcare de rotație în jurul unui ax, formînd rotorul turbinei.

În fig. 2.1 este reprezentată schematic o secțiune 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 împărțit în mai multe compartimente de presiuni diferite prin niște pereți 5 perpendicular pe ax, care poartă denumirea de diafragme. În aceste diafragme sunt fixate, pe un cerc de diametru D concentric cu axa de rotație, ajutajele 6. În timpul trecerii prin aceste ajutaje aburul se destinde, mărindu-și considerabil viteza, fiind apoi dirijat între paletele 7, fixate pe periferia fiecarui disc al rotorului 9.

Trecînd printre paletele rotorului aburul exercită o forță care pune rotorul în mișcare. Lucrul mecanic cedat de abur paletelor se face consumînd din energia cinetică și eventual și din energia potențială a aburului.

Ansamblul format dintr-o diafragmă și 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 lipsește, 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.

Etanșarea dintre diafragmă și rotor în dreptul orificiului de trecere a arborelui prin diafragmă se realizează cu ajutorul unei etanșări fără contact numită etanșare cu labirinți, care constă din niște șicane puse în calea aburului, cunoscută și sub numele de etanșare intermediară.

Etanșarea locurilor de trecere a arborelui prin carcasa turbinei se realizează cu ajutorul unor etanșări 9, numite etanșări exterioare. Aceste etanșări se execută, de regulă sub formă de labirint. Etanșarea exterioară cu labirint de lîngă prima treaptă a turbinei se numește labirint de înaltă presiune, iar cea de lîngă ultima treaptă a turbinei se numește labirint de joasă presiune.

Rotorul turbinei este susținut, de obicei, de două lagăre radiale 13, numite după poziția lor față de partea de ÎP, respectiv de JP, lagăr radial ÎP, respectiv lagăr radial JP. Poziția axială a rotorului e menținută cu ajutorul unui lagăr axial.

Pe lîngă elementele componente amintite, turbinele cu abur sunt prevăzute de obicei și cu un sistem de reglaj, al cărui scop este de a adapta regimul de funcționare al turbinei (puterea, turația, debitul, etc) la condițiile impuse mașinii antrenate, sau turbinei însăși.

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

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

3. Descrierea ajutajelor și paletelor.

Ajutajele sunt canale a căror secțiune variază continuu după o anumită lege care să asigure obținerea vitezei dorite a aburului. De obicei aceste canale sunt realizate prin alăturarea unui șir de palete fixe, spațiul dintre fiecare două palete formând un ajutaj, rezultând astfel un șir de ajutaje. Dacă viteza care trebuie s-o atingă aburul la ieșirea din ajutaj este subsonică, se folosesc ajutaje convergente, a căror secțiune scade continuu de la intrare spre ieșire. Dacă este nevoie de o viteză supersonică, se folosesc ajutaje convergent-divergente (ajutaje de Laval), a căror secțiune scade până la o valoare minimă, în care secțiune se atinge viteza

sunetului, iar in continuare secțiunea crește, viteza crescând în continuare până la valoarea dorită, de fapt cea corespunzătoare secțiunii canalului.

Paletele sunt piesele care transformă energia cinetică a aburului în energie mecanică. Ele sunt formate dintr-o parte activă, lama paletei și o parte de fixare pe disc (la turbinele cu acțiune), respectiv tambur (la cele cu reacțiune), piciorul paletei. Lama paletei servește pentru schimbarea direcției aburului în vederea extragerii din el a energiei. În acest scop lama este profilată aerodinamic, profilele folosite fiind relativ groase și cu curbură mare. Și la palete forma profilului depinde de tipul curgerii dorite. La turbinele cu acțiune este nevoie de palete la care canalul interpaletar să aibă o secțiune practic constantă, iar la cele cu reacțiune 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, și altă valoare dacă este raportată la

palete, care se mișcă cu viteza u, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu w. Cei trei vectori: c, w și u formează un triunghi, numit triunghiul vitezelor. Pentru o anumită turație n,

viteza u este proporțională cu raza cercului pe care se mișcă secțiunea 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 direcțiile de intrare și ieșire ale aburului corespund cu direcțiile rezultate din triunghiul de viteze. Dacă paletele nu sunt prea lungi, rază nu variază prea mult, nici triunghiurile nu diferă mult, așa că, pentru simplitate tehnologică, se folosesc palete cu profil constant. Dacă însă paletele sunt lungi sau se doresc performanțe optime, profilul paletelor trebuie să varieze cu raza, obținându-se

așa-numitele palete cu profil variabil .

4. Clasificarea turbinelor cu abur

Clasificarea dupa principiul termodinamic de funcюionare:

A) Turbine cu abur cu acțiune – la acestea, toata căderea de entalpie a aburului este transformata in energie cinetica, numai între paletele statorului. Forța tangențiala, care generează momentul motor, se obține prin devierea curentului de abur intre paletele rotorului. Căderile de presiune se produc numai între paletele statorului.

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

p-presiune

c-viteza absoluta a aburului

B) Turbine cu abur cu reacțiune – la acestea, căderea de entalpie a aburului este transformată numai parțial intre paletele statorului, numite și palete directoare, în energie cinetică, iar restul între paletele rotorului. Forța tangențială provine atît din forța activă produsă de devierea aburului, cît și din forța 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 și în palete directoare; cu toate acestea, viteza absolută scade între paletele rotorului.

p-presiune

c-viteza absoluta a aburului

C) Turbine combinate – la acestea, de obicei treptele de înaltă presiune sunt trepte cu acțiune, iar cele de joasă presiune sunt trepte cu reacțiune.

Clasificarea după realizarea transformărilor energetice:

A) Turbine unietajate – la acestea, întreaga cădere de entalpie disponibilă este prelucrată într-o singură treaptă. Se execută obișnuit ca turbina axiala cu acțiune, numita și 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 construcție 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 și turbine cu trepte depresiune; asigură randamente mai ridicate decît cele unietajate sau cvasi etajate.

Clasificarea dupa direcția de curgere a aburului:

A) Turbine axiale – la acestea, liniile de curgere ale aburului sunt situate pe o suprafață de revoluție, avînd axa geometrică situată în axa de rotație a turbinei. Turbinele axiale multietajate cu acțiune 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 rotație 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 condensație – 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 puțin 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.