13. TURBINE CU ABUR

13. Constructie si functionare

Turbina cu abur este o masina termica motoare,in care are loc transformarea energiei potentiale

a aburului in energie cinetica si aceaste in energie mecanica de rotire a arborelui turbine.

In forma sa cea mai simpla turbine cuprinde un sir de ajutaje fixate de stator si un sir de palete

mobile fixate,prin intermediul unor discuri,sau direct de rotorul turbine.Deoarece o turbine constituita

dintr-o singura treapta nu utilizeaza economic energia termica a aburului,se realizeaza turbine cu mai

multe trepte.

Turbina cu abur poate fi actiune,daca energia termica a aburului este transformata in energie

cinetica numai in ajutaje si cu reactiune,dupa destinderea aburului are loc si in paletele mobile.

La turbine cu actiune(fig.13.1) aburulu provenit de la cazan(abur viu) intra prin racordul 1 in camera de

distributie 2 se destined succesiv in sirurile de ajutaje 3 fixate pe niste pereti plani 4(diafragme),sunt

prinsi in carcasa 5.Energia mecanica se produce de palete 6,care sunt mutate pe discurile 7 solidare cu

axul (rotorul) 8.Aburul iese din turbine prin racordul de evacuare 9.Etansarea locului de trecere a axului

prin carcasa se face prin labirintii 10 si 11.Fixarea pozitiei radiale si axiale a rotorului se face prin lagarul

radial-axial 12 si prin lagarul radial 13.Arborele turbine este cuplat cu cel al generatorului electric prin

cuplajul 14.

La turbine cu reactiune(fig.13.2) aburul viu intra prin racordul 1 si se destined atat in sirurile palete fixe

2, cu rol de ajutaje,montate direct pe carcasa 4,cat si in sirurile de palete mobile 3,montate pe rotorul

sub forma de tambur 5.Iesirea aburului din turbine se face prin racordul de evacuare C.La partea de

inalta presiune a turbine se afla labirintii 7 si lagarul radial-axial 8,iar la partea de joasa presiune labirintii

9,lagarul radial 10 si cuplajul 11.

Fata de alte masini termice,turbinele cu abur prezinta o serie de avantaje ,cum sunt:

-miscarea de rotatie se obtine direct,fara a mai fi nevoie de mecanismul biela-manivela al

motoarelor cu pistoane

-se pot construe pentru puteri mari intrucat transformarea energetic este continua;sunt in

functiune turbine cu puteri de peste 1500 MW.

-punctaje de frecare sunt numai cele din lagare,ceea ce face ca pierderile mecanice sa fie

minime

-au greutate specifica realtiv mica

-au consum specific de abur scazut

In virtutea acestor avantaje,turbinele cu abur au capatat o raspandire foarte mare,fiind utilizate

mai ales la actionarea masinilor cu turatie mare,precum generatoarele electrice din central electrice

clasice si nucleare,turbocompresoarele si turbu-suflantele din industria siderurgica,pompele

centrifuge,etc.

13.2 Studiul energetic al treptei turbine cu abur

In stadiul turbinelor intervin urmatoarele viteze:viteza absoulta a aburului(c ),viteza realtiva a

aburului fata de paletele mobile (w);viteza periferica a paletelor mobile(u).

13.2.1 Studiul energetic al treptei cu actiune a turbine cu abur.

La treapta de actiune forta se produce prin lovirea paletei de catre aburul iesit din ajutaje cu viteza

absoluta c1.Aburul se destined numai in ajutaje,iar in palete sufera doar o schimbare de

directive,presiuna ramanand constanta(fig.13.3). In paletele mobile energia cinetica a aburului se

transforma in lucru mecanic.Studiul energetic al ajutajului prin aplicarea ecuatiei conservarii energiei

arata ca

procesul teoretic ( cu =0, =0 si fara frecare) are loc dupa adiabata reversibila ABt (fig.13.4),

careia-I corespunde viteza teoretica c1t si caderea adiabatica de entalpie ha.Entalpia franata (totala) a aburului la intrarea in ajutaj (care corespunde valorii 0 a vitezei absolute la intrare) este

h0*=h0 + [ ] (13.2)

Destinderea reala in ajutaj este o adiabata ireversibila Ab careia-I corespunde viteza reala c10 si ecuatia conservarii energiei devine:

>0 d( ) + dh=0 sau d( )-dh (13.6)

Lucrul mecanic transmis de abur paletelor,se numeste lucru mecanic util al treptei si este egal cu

caderea utila de entalpie hu .Prin integrarea ecuatiei (13.6) se obtine:

hu=lu= - -(h2-h1)=( ha+ )-( haj + hp+ hc) (13.7)

unde hc= reprezinta pierderea de energie cinetica reziduala ,datorata vitezei absolute c2 de iesire a aburului din treapta,si care pentru ultima treapta nu mai poate fi recuperate.

13.2.2. Studiul energetic al treptei cu reactiune a turbine cu abur

In treapta cu reactiune forta se produce prin lovirea paletelor de catre aburul iesit cu viteza din

ajutaje(efect de actiune) si prin cresterea vitezei relative spre iesirea din palete(effect de

reactiune).Aburul se destined atat in ajutaje,cat si in palete(fig.13.5).

Caderea teoretica de entalpie a treptei cu reactiune ht= h1+ h2,unde h1 este destinderea teoretica in palete.

Raportul dintre caderea de entalpie din palete si caderea total ape treapta se numeste grad de

reactiune : (13.7)

De obicei,turbinele cu reactiune au =0,5.Daca

La ieirea din ajutaj, energia cinetic, n cazul real , este :

(13.8)

In palete , n sistem relativ fa de rotorul n micare, nu se

produce lucru mecanic i ecuaia conservrii energiei este:

(13.9)

Creterea vitezei relative a aburului se face pe seama scderii

entalpiei.Prin integrarea se obine viteza relativ la ieire:

(13.10)

n cazul teoretic, destinderea n palete este izentropa B , determinnd cderea de entalpie

i viteza teoretic

(13.11)

n cazul real, destinderea este adiabata ireversibil BC, rezultnd cderea i

viteza real: (13.12)

Pierderea n palete este (13.13)

n sistem absolut, paletele sunt n micare i se produce lucru mecanic.Din ecuaia energiei rezult:

(13.14)

Lucru mecanic se produce prin cderea vitezei absolute (efect de aciune) i prin scderea, respectiv

creterea vitezei relative (efect de reaciune).

Lucru mecanic util, respectiv cderea util de entalpie se obine prin integrarea relaiei (13.14) ntre

intrarea i ieirea din palete, cu utilizarea relaiei (13.13)

(13.15)

13.13 Fora transmis paletelor.Puterea util a turbinei

Din ajutaje aburul iese cu viteza absolut nclinat sub unghiul .Fa de paletele care se

deplaseaz cu viteza tangenial u, aburul are viteza relativ .Scderea vectoril se trce

grafic (fig 13.7a) ducnd din capitolul lui vectorul (- ), rezultanta este nclinat sub unghiul

fa de direcia de micare a paletei:

Din palete aburul iese cu viteza relativ inclinat cu Viteza absolut la ieire este .

Compunerea vitezelor se face prin dou triunguri de viteze: triungiul de intrare i triungiul de ieire,

suprapuse pe aceeai diagram de viteze (fig 13.7.b).Axa orizontal reprezint direcia de micare a

paletelor, iar axa vertical direcia axului turbinei.

Fora produs de abur asupra paletelor se

calculeaz cu ecuaia conservrii impulsului (vezi cap

7.2.3) . Aceast for se descompune (fig 13.8) ntr-o

component tangenial , care produce nvrtirea

rotorului (efectul util) i o component axial ,

care nu are efect util, dar ncarc lagrele axiale.

Pe direcia tangenial nu apar fore de presiune,

rezultnd:

(13.6)

Sau: =m( (13.7)

Viteza este dirijat totdeauna n sens opus micrii paletei, adic e negativ, deci:

=m( (13.8)

Diferenele sau ,algebrice, se pot msura direct din diagrama de viteze (fig.13.7).

Sub aciunea forei , paletele se mic cu viteza u.Puterea util transmis paletelor este:

(13.19)

Lucrul mecanic transmis paletelor de 1 kg abur, adic lucrul mecanic util ce corespunde cderii

adiabatice utile este:

(13.20)

13.4 Tipuri de turbine

Consideraii tehnico-economice au dus la necesitatea realizrii ma multor tipuri de turbine cu abur.n

tebelul 13.1 se prezint o clasificare dup principalele criterii utilizate:

Criteriul de clasificare Tipuri de turbin

1 2

Modul de destindere a aburului -cu aciune -cu reaciune -combinate( cu aciune i reaciune)

Modul de utilizare a energiei aburului -ntr-o singur treapt(turbina Laval) -cu trepte de vitez (turbina Curtis) -cu trepte de presiune

Parametrii aburului la intrare -parametrii supranali

( -parametrii

nali( )

-parametrii sczui ( Utilizarea aburului la intrare -cu onsideraie

-cu contrapresiune

Felul procesului termic -fr prize -cu prize reglabile -cu prize fixe

Destinaia -staionare (folosite n CTE, CET, CNE) -nestaionare (folosite n transporturi)

Simbolul utilizat pentru turbine cu consideraie, la care presiunea

de ieire a aburului este mult mai mic dect presiunea atmosferic

(0,03-0,1 bar), este prezentat n fig 13.9a Pentru turbine cu contra

presiune, la care destinderea aburului se oprete la 1,5-5 bar,

urmnd a fi folosit la un consumator termic(termoficare), simbolul

cel din fig.13.9.b.n cursul destinderii n turbin o parte din abur se

poate extrage nainte de a ajunge la ieirea din turbin.Locul special amenajat de unde se realizeaz

aceast extragere se numete priz a turbinei.La prizele fixe, neexistnd organe de reglaj (se mai numesc

i prize nereglabile), presiunea aburului variaz n funcie de regimul de funcionare a turbinei i de

debitul de abur extras.Aburul extras prin prizele fixe este utilizat la prenclzirea apei de alimentare.

La prizele reglabile presiunea aburului este meninat constant la orice regim de funcionare a

turbinei.Att turbinele cu contrapresiune ct i cele cu condensaie pot fi prevzute cu prize reglabile

sau fixe. Aburul extras prin prizele reglabile este folosit n scopuri industriale i pentru nclzire.