curs3 turbine

7/26/2019 Curs3 Turbine

1/10

Curs 3 Instalaii i Echipamente Termoenergetice Navale

119

9.4. Procese n turbina cu abur

9.4.1. Ciclul teoretic al instalaiei cu abur

Ciclul motor cu abur are loc ntr-o instalaiecomplex care cuprinde urmtoarele elementecomponente (v. fig. 9.18): 1 generator de abur; 2turbin; 3 condensator; 4pomp de alimentare.Ciclul teoretic al instalaiei cu abur poart denumirea deciclul Rankine i este definit prin dou izobare,respectiv dou izentrope.

Fig. 9.18

Fazele ciclului teoretic al instalaiei cu abur, sunt(v. fig. 9.19) [3]: nclzireaizobarABCD, n generatorul de abur 1seprimete cldura

1 0 [J/kg];aq i i (9.1)

destinderea izentropDE, n turbina 2se produce lucrul mecanic

0 [J/kg];t ctl i i (9.2)

condensarea izobarEF, n condensatorul 3se cedeaz cldura rezidual

2 [J/kg];ct pq i i (9.3)

comprimarea izentrop FA, n pompa 4se consum lucrul mecanic

[J/kg].p a pl i i (9.4)

Lucrul mecanic al ciclului teoretic pentru instalaia cu abur este[J/kg],t pl l l (9.5)

fiind reprezentat de ariaABCDEFA.Randamentul termic teoretic al ciclului motor cu abur este dat de relaia

0

1 1 0

.t p ct a p

tc

a

l l i i i il

q q i i

(9.6)

Randamentul teoretic al turbinei cu abur este

0

1 0

.t ct

t

a

l i i

q i i

(9.7)

Procesul de lucru n instalaia ideal cu abur se produce astfel: apa care segsete n generatorul de abur 1 se nclzete, ncepe vaporizarea i aburul setransform treptat din abur saturat umedn abur saturat uscat, dup izobaraABCD. n

punctul D, aburul saturat uscat (supranclzit) intr n turbina cu abur 2, unde sedestinde dup izentropa DE i produce lucru mecanic. Aburul lucrat (destins) [15],care iese din turbin, intr n contact cu pereii reci ai condensatorului 3 i secondenseaz dup izobara EF. Ajungnd n punctul F, apa rezultat din condensareavaporilor este preluat de pompa de alimentare 4i refulat dup izentropa FA, dupcare ciclul se repet.


2/10


120

Fig. 9.19

Aa cum s-a artat mai sus, procesul n turbina cu abur cuprinde o singurfaz a cicluluiRankinei anume, faza de destindere.

9.4.2. Procese n turbina cu aciune

a) Consideraii generale

n fig. 9.20 sunt reprezentate proieciile pariale n plan vertical (fi g. 9.20, a)i orizontal (fig. 9.20, b) a turbinei cu aciune (turbin Laval), triunghiurile vitezelor


3/10


121

la intrarea i ieirea aburului din paletajul rotoric (fig. 9.20, b), respectiv diagramelevariaiei vitezei absolute i a presiunii aburului (fig. 9.20, c) din momentul intrrii ncolectorul de admisie i pn la ieirea prin colectorul de evacuare.

Fig. 9.20

Semnificaia notaiilor din fig. 9.20 este urmtoarea: 1ajutaj (palete fixe); 2 palete mobile; 3 rotor; 4 colector de evacuare; 5 arbore de antrenare; uviteza periferic a rotorului; wviteza relativ particulei de abur; cviteza absoluta particulei de abur.

Din punct de vedere cinematic, considernd c turbina se afl n regimpermanent de lucru, rotorul 3este antrenat cu viteza periferic de rotaie u. Particulelede abur, care au viteza iniial c0= 0, prsesc ajutajul cu viteza vi intr n canalulrotoricIIcu viteza absolut c1= v. Aburul este livrat de cldarea cu abur la presiuneap0i este complet destins la ieirea din ajutajele fixe 1, avnd presiuneap1la intrarean canalele rotorice i presiunea p2, aproximativ egal cu p1, la ieirea din acestea.Cunoscnd vitezele ui c1, se poate determina viteza relativ w1a aburului n raportcu rotorul, fiind rezultanta vectorilor c1i u.

Pentru a evita apariia ocurilor la intrarea aburului n canalele rotorice, estenecesar ca linia profilului paletelor, respectiv linia median a curentului de abur, sfie tangent la w1.


4/10


122

Aburul iese din canalele rotorice cu viteza relativ w2 n raport cu rotorul,tangent la palete. Viteza absolut c2se obine ca rezultant a vitezelor w2i u.

Din punct de vedere energetic, analiza desfurrii proceselor n turbinpleac de la ecuaia general energetic, care exprim principiul conservrii energiein cazul proceselor de curgere (energia unui kg de abur este suma dintre energiastatic, energia cinetic i energia de poziie), adic

2 / 2 [J/kg]E i c g z , (9.8)n care,Eenergia unui kg de abur, n J/kg; ientalpia aburului, n J/kg; c vitezaabsolut a aburului, n m/s;zcota de msurare, n m; gacceleraia gravitaional,n m/s2.

n cazul curgerii cu schimb de cldur cu exteriorul, cldura primit dprovine din cldura primit dinmediul exterior dei cldura cedat prin frecare df,i servete pentru creterea energiei fluidului, pentru producerea lucrului mecanic ipentru acoperirea pierderilor, adic

2

d d d d d d d d 2

e f f

ci g z L H

, (9.9)

n care, dLlucrul mecanicprodus i dHfpierderi de energie prin frecare, n J/kg.n cazul ajutajelor fixe, considernd c procesul se desfoar adiabatic (nu se

produce schimb de cldur cu exteriorul, deci de= 0), c ajutajul este imobil (dL=0) i energia de poziie neglijabil (dz= 0), ecuaia (9.9) capt forma particular

2

d d2

ci

, (9.10)

adic, viteza aburului n ajutajele fixe crete odat cu scderea entalpiei acestuia.Energia total a aburului fiind constant, la vitez nul entalpia aburului

devine egal cu energia total i se va numi entalpie de frnare ( *0i ). Parametrii

aburului corespunztori vitezei nule se vor numi parametrii de frnare (parametriitotali).

Entalpia de fnare se poate exprima, deci, prin relaia2

* 00 0 0 0 [J/kg]

2

ci i i h , (9.11)

n care, i0entalpia aburului la intrarea n turbin, n J/kg; h0cderea iniial deentalpie, n J/kg.

Pentru gsirea celorlali parametrii de frnare (corespunztori punctului*

0A

),se admite c frnarea are loc izentrop, parametrii de frnare fiind determinai conformindicaiilor din fig. 9.21 (determinarea parametrilor de frnarefig. 9.21, a; procesuldestinderii n ajutajfig. 9.21, b).

Diferena (i0 i1,t) se numete cdere adiabatic, fiind reprezentat ndiagrama i-sprintr-o vertical (izentrop), trasat ntre liniile de presiune constant p0ip1.


5/10


123

a) b)Fig. 9.21

b) Procese petrecute n ajutaje

Prin integrarea ecuaiei (9.10) [3], ntre intrarea i ieirea din ajutaj, se obineviteza real la ieire a aburului, dat deexpresia

*1 0 1 1,2 [m/s]tc i i c , (9.12)n care, c1,tviteza teoretic a aburului, n m/s; coeficient de reducere a vitezeiaburului n ajutaje.

Procesul teoretic se desfoar dup destinderea izentrop A0B1,t, ntre

presiunilep0ip1, rezultnd cderea teoretic de entalpie ha= i0 i1,ti deci, vitezateoretic a aburului se scrie

1, 02 [m/s]t ac h h . (9.13)

Procesul real se desfoar dup adiabata ireversibilAB, entalpia final fiindmai mare dect entalpia teoretic i1> i1,t , i deci cderea de entalpie i vitez suntneglijabile.

Pierderea de entalpie n ajutaj este dat de diferena ntre energia cineticteoretic i real, fiind determinat cu relaia

2 221, 01 [J/kg]2 2 2

t

a a a

c cch h

, (9.14)

n care, 21

a , (9.15)

reprezint coeficientul de pierderi n ajutaje.Entalpia aburului la ieirea din ajutaje se exprim prin relaia

1 1, [J/kg]t ai i h . (9.16)

Pierderile din ajutaje hase datoreaz frecrii aburului cu pereii canalului,vrtejurilor, ciocnirii cu muchia de intrare i vrtejurilor care se produc n spatelemuchiei de ieire.


6/10


124

c) Procese petrecute n palete

Din ajutaje, aburul iese cu viteza relativ w1i sub unghiul 1. Aburul poateintra tangenial la suprafaa paletei, cnd 1= 1,p (caz optim) sau cu abateri, cnd1 1,p(fig. 9.22).

Fig. 9.22

La intrarea ntre palete cu unghiul 1> 1,p(fig. 9.22, b), aburul lovete faaconvex a paletei. Viteza aburului va avea o component w1,ncare, prin oc plastic cu

paleta, se pierde. Componenta w1,t este dirijat n sens opus micrii paletei i seconstituie n component de frnare.

Pentru nvingerea frnrii se consum din energia util a aburului, astfel nctpierderea prin oc la intrarea ntre palete este dat de relaia

2 221, 1, 2 21

1,sin 1 sin [J/kg]2 2 2

n t

soc p

w ww

h . (9.17)La intrarea ntre palete cu unghiul 1< 1,p(fig. 9.22, c), aburul lovete faa

concav a paletei. Viteza aburului va avea o component w1,ncare, prin oc plastic cupaleta, se pierde. Componenta w1,teste dirijat n sensul micrii paletei, deci o partedin pierderea prin ciocnire se recupereaz prin energia dat de

2 2 2

1, 2 21 11,sin 1 sin [J/kg]

2 2 2

n

soc p

w w wh

. (9.18)


7/10


125

ntruct, la variaii de regim nclinarea curentului de abur se modific, serecomand 1,p= 1,p+ (3...5)0, astfel nct, la majoritatea regimurilor de funcionare,s fie lovit faa concav a paletelor.

ntruct energia cinetic cu care aburul prsete paleta nu se transformintegral n lucru mecanic, aparepierderea de energie cinetic rezidualdat de

22/2 [J/kg]rh c . (9.19)

Pentru a reduce la minim aceast pierdere, componenta tangenial a vitezeic2 trebuie s fie nul, deci unghiul 2apropiat de 900, componenta normal servindpentru ieirea aburului din canal. La turbinele termice cu trepte de presiune, energiarezidual a unei trepte este utilizat ca energie de intrare n ajutajele trepteiurmtoare.

d) Randamentul turbinei cu aciune

Dac se consider procesul energetic al turbinei cu aciune n totalitatea sa,adic att cel ce se desfoar n ajutajele fixe, ct i cel ce se produce n paletelemobile, lucrul mecanic real cedat arborelui rotorului se determin cu relaia

2 22 2 2 2

1, 1,2 1 1 2 [J/kg]2 2 2 2 2 2

t t

i t pf pm

c cc c w wL L E E

g g g g g g

, (9.20)

n care, Lt lucrul mecanic teoretic produs n canalele rotorice, Epfpierderea deenergie cinetic n ajutajele fixe (palete fixe), Epmpierderea de energie cinetic n

paletele rotorice (palete mobile), toate n J/kg.Dac se ine cont de proieciile vitezelor (fig. 9.23), prin prelucrare [3], se

obine

2 2 2 21 1 2 2 1, 2,1

2i u u

uL c w w c c c

g g . (9.21)

Lucrul mecanic real Li se mai numete lucru mecanic indicat sau lucrumecanic intern.

Fig. 9.23


8/10


126

Randamentul termic teoretic exprim raportul dintre lucrul mecanic teoretic ienergia cinetic, adic

2 2

1, 2

221,1, / 2

ttth

tt

c cL

cc g

. (9.22)

Randamentul termodinamic este dat de raportul dintre lucrul mecanic interni cel teoretic, adic ntre lucrul mecanic obinut n turbina real i lucrul mecanic alturbinei teoretice, i este determinat cu relaia

1, 2,2 2

1, 2

2u ui

td

t t

u c cL

L c c

. (9.23)

Randamentul intern se determin cu relaia

1, 2,2

1,

2u u

i th td

t

u c c

c

. (9.24)

Randamentul mecanic este dat de raportul dintre lucrul mecanic efectiv derotaie msurat la flana arborelui rotorului i lucru mecanic intern, adic

e

m

i

L

L . (9.25)

Randamentul efectiv se poate determina cu relaia

e

e

t

L

L , (9.26)

cnd se numete randament efectiv relativ, respectiv

1

e

ea

L

, (9.27)cnd se numete randament efectiv absolut (total),n care 1cldura cuprins n aburul proaspt livrat de cldarea de abur, n J/kg.

ntre randamentele definite mai sus, exist urmtoarele relaii de legtur;

.

e m td

ea m i m th t d

(9.28)

e) Puterea turbinei cu aciune

n ceea ce privete puterea dezvoltat de turbina cu aciune, se deosebesc

[kW]3600

ii

LP , (9.29)

care reprezint puterea intern a turbinei, respectiv[kW]

m iP P , (9.30)

care reprezint puterea efectiv a turbinei.Considernd consumurile de abur ale turbinei, puterea efectiv devine

[kW]3600

h t eaD H

P

, (9.31)

n care,Dhdebit orar al turbinei, n kg/s;Htcdereadiabatic total, n J/kg.


9/10


127

9.4.3. Procese n turbina cu reaciune

ntruct, n realitate, nu exist turbin cu reaciune monoetajat, se poateconsidera turbina multietajat ca fiind compus dintr-un numr de turbine elementarecu rotor unic. n continuare, se analizeaz modul n care lucreaz aburul n turbinaelementar cu reaciune, considernd c diferenele de presiune ntre amonte i aval,att pentru ajutajele fixe, ct i pentru canalele rotorice, sunt identice cu cele ale uneisingure trepte.

n fig. 9.24 este reprezentat turbina cu reaciune elementar, triunghiulvitezelor la intrarea i ieirea aburului n/din canalele rotorice (fig. 9.24, a),diagramele variaiei vitezei absolute i a presiunii aburului din momentul intrrii ncolectorul de admisie i pn la ieirea din colectorul de evacuare (fig. 9.24, b),

precum i evoluia procesului de destindere a aburului n diagrama i-s(fig. 9.24, c).

Fig. 9.24

Aburul intr n canalele rotorice cu viteza absolut c1, rotorul fiind antrenatde viteza periferic de rotaie u(fig. 9.24, a). Pentru a evita ocurile, profilul paleteloreste astfel modelat nct, muchia de intrare a paletelor s fie tangent la viteza relativa aburului w1. La ieirea aburului din canalele rotorice, viteza absolut c2 trebuie sfie ct mai mic astfel nct, pierderea de energie datorat vitezei restante s fieminim. Muchia de ieire a paletelor va fi astfel modelat nct s fie tangent la w2.


10/10


128

Datorit faptului c presiunea n amonte de rotor p1 este mai mare dectpresiunea n aval de rotorp2, ia natere o for axial.

n ceea ce privete evoluia procesului de destindere a aburului nreprezentarea i-s (fig. 9.24, c), punctul M0 reprezint starea aburului la intrarea najutajele fixe, fiind dat de intersecia dintre curba de presiunep0i curba temperaturiit0. Prin trasarea verticalei prin M0, pn la atingerea curbei de presiune p2, se obinecderea adiabatic teoretic total Ht, adic linia transformrii izentropice pentruntreaga turbin Ht= i0 i2,t. Lund n considerare pierderile energetice i mecanicecare caracterizeaz procesul real de destindere a aburului n ajutajele fixe i npaletele rotorice, se deplaseaz punctul M2,t, pe curba p2 = ct., pn n punctul M2.Deci, cderea adiabatic real total va fiH= i0i2.

Punctele M1,t i M1 reprezint starea aburului la ieirea din ajutajele fixe iintrarea n rotor.

9.4.4. Procese n turbina multietajat

Viteza periferic u a turbinelor cu o singur treapt este ntotdeauna mare,indiferent dac turbina este cu aciune sau cu reaciune. Pentru reducerea vitezeiperiferice trebuie micorat viteza absolut c1la intrarea n canalele rotorice.

n cazul turbinei cu aciune, reducerea vitezei absolute se obine prin doumetode:

descompunerea vitezei absolute c1pe mai multe trepte de vitez; fracionarea presiunii iniialep1pe mai multe trepte de presiune.n cazul turbinei cu reaciune, reducerea vitezei absolute c1 se realizeaz

numai prin fracionarea presiunii iniialep1pe mai multe trepte de presiune.

Spre exemplificare se consider turbina cu aciune cu mai multe trepte depresiune, care se compune din maimulte turbine elementare cuaciune montate n serie, fiecareavnd de preluat o parte dincderea de entalpie total aaburului i constituindu-se n treptede presiune (v. fig. 9.7).

n fig. 9.25 estereprezentat, prin diagrama i-s,modul n care se desfoar

procesul termic n turbina cu

aciune cu cinci trepte de presiune.Procesul teoretic este

reprezentat prin izentropa 0 1,tM M ,

obinut prin trasarea verticalei dinpunctul M0 pn intersecteazcurba p2 = ct. Trasnd orizontale

prin punctele M0 i M1,t, se obinentalpiile extreme i0i i1,t.

Fig. 9.25

curs3 turbine

Documents