1

Titlul cursului: TURBINE CU ABUR ŞI CU GAZE Acronim: TAG

Partea I, sem. 6 PROCESE TERMICE ŞI GAZODINAMICE ÎN TURBINE TERMICE Titular: prof. dr. ing. Oprea Ion Departamentul Termotehnica, Motoare, Echipamente Termica si Frigorifice Facultatea Inginerie Mecanică şi Mecatronică ( Partea a II-a, sem 7 CALCULUL ŞI CONSTRUCłIA TURBINELOR TERMICE )

IBLIOGRAFIE

Oprea I. – Turbine cu abur şi gaze – procese termice, Ed. Printech, Bucureşti, 2004

Iordache I., Oprea I., Negreanu G.P., Georgescu M.E., Berbece V. – Turbine cu abur şi gaze - probleme, Ed. Tehnică, Bucureşti, 2000.

CreŃa G. – Turbine cu abur şi gaze, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1997

Grecu T., Iordache I., Negrea V.D., Dăscălescu D. Maşini Mecanoenergetice, E.D.P., Bucureşti , 1983

Grecu T, Cârdu M, Nicolau I. – Turbine cu abur, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1976

EVALUARE: Activitate curs ....................... 10 p Examinare parŃială ................ 20 p Examinare finală ................... 50 p Laborator + tema casă .......... 20 p

2

CAPITOLUL 1 Introducere 1.1. Obiectul cursului Studiul proceselor termice şi gazodinamice din TAG cuprinde:

- aplicarea legilor fundamentale în studiul transformărilor energetice; - studiul termodinamic al ciclurilor termice; - studiul proceselor din treapta de turbină - studiul proceselor din turbinele cu mai multe trepte - calculul termic şi de dimensionare al treptei şi al turbinelor în ansamblu - comportarea turbinelor la sarcini parŃiale - reglarea şi protecŃia turbinelor

1.2. Obiectivele disciplinei

• Însuşirea cunoştinŃelor referitoare la turbinele cu abur şi gaze privind: - principiile de funcŃionare; - procesele termogazodinamice; - construcŃia şi calculul termic; - performanŃele şi comportarea în exploatare.

• Formarea deprinderii de analiză teoretică şi experimentală a fenomenelor din turbinele cu abur şi gaze

• Dezvoltarea capacităŃii de proiectare şi de luare a deciziilor tehnice în domeniul turbinelor cu abur şi gaze.

1.3. Definirea turbinelor termice Turbinele sunt maşini energetice rotative, destinate transformării energiei termice au fluidului de lucru în energie mecanică de rotaŃie. Atributele turbinei: - maşină, energetică (de forŃă), termică, motoare, rotativă Fluidul de lucru: - abur (vapori de apă)

- gaze de ardere - CO2 - fluide organice (freon, toluen, etc.) - gaze calde (aer, heliu)

3

Maşini şi clasificarea maşinilor Definirea maşinilorr Masina este un ansamblu de piese fixe si mobile, cu pozitii si miscari bine determinate, in care a loc transformari energetice in scop util; miscarea mecanica are un caracter esential si diferentiaza masinile de aparate (ex. schimbatoarele de caldura) Clasificare a maşinilor după scopul urmărit:

- maşini energetice (de forŃă) ex. – motoare termice – generatorul electric

- maşini de lucru ex. – maşini unelte

- maşini de ridicat şi transportat

Criterii de clasificare a maşinilor energetice a) energia transformată - hidraulică - termică - eoliană - electrică, etc.

b) sensul transformării: maşini – motoare (turbina. m.a.i) – generatoare (compresoare, pompe) – transformatoare (prese hidraulice, servomotoare) c) tipul mişcării organului activ de lucru: maşini – rotative – alternative

Clasificarea maşinilor termice energetice

Sensul transformării Tipul mişcării

Motoare

Generatoare

Rotative

Turbina cu abur (TA) Turbina cu gaze (TG) Motorul Wankel

Compresoare volumice - cu un rotor - cu două rotoare

Compresoare cu rotor paletat (turbocompresoare)

- centrifuge - axiale - combinate

Alternative

Maşina cu abur M.A.I – MAS – MAC

Compresoare cu piston

4

1.4. Caracteristicile turbinelor termice

a) Puteri mari şi foarte mari b) Transformarea energetică se face în trepte, iar pentru fiecare treaptă în două etape c) AbsenŃa forŃelor de inerŃie puternic dezechilibrate – necesitatea echilibrării dinamice a

rotorului d) Uzură redusă, consum redus de lubrifiant, randament mecanic ridicat e) Randament ridicat şi constant în timp f) Durabilitate ridicată g) Costuri mari de fabricaŃie (unicat sau serie mică, materiale scumpe, mână de lucru înalt

calificată a) Puteri mari şi foarte mari

Explicabile prin caracterul continuu al curgerii, care permite trecerea (prelucrarea) unor debite mari de fluid

PmaxTA = 1500 MW (in curs de realizare 1750 MW) PmaxTG = 260 MW (in curs de realizare 300 MW)

TA pentru CNE deschisă la plan de separaŃie

5

TA clasică în sala de maşini a centralei termoelectrice

6

b) transformarea energetică în trepte Principiul de funcŃionare Prin arderea combustibililor fosili sau prin reacŃii de fisiune nucleară se obŃin astăzi mari cantităŃi de energie, care nu pot fi utilizate direct şi ca urmare trebuie să sufere o serie de transformări. În acest scop energia termică astfel obŃinută este transmisă unui fluid de lucru, care este necesar să se găsească din abundenŃă, să aibă capacitate mare de înmagazinare a energiei şi să nu prezinte pericol pentru mediul înconjurător; obişnuit sunt utilizate apa sau gazele de ardere. În turbină fluidul de lucru, aflat la temperaturi şi presiuni ridicate, se destinde într-un şir de ajutaje (canale fixe de secŃiune variabilă) din care iese cu viteză mare. În ajutaje energia potenŃială a fluidului de lucru se transformă în energie cinetică. Jetul de fluid cu mişcare de vârtej pătrunde apoi într-un şir de palete montate la periferia unui rotor şi acŃionează asupra acestora, punând rotorul în mişcare. În palete energia cinetică a fluidului de lucru se transformă în energie mecanică de rotaŃie, care poate fi utilizată direct pentru antrenarea generatoarelor electrice, a compresoarelor, a pompelor sau pentru propulsia vehiculelor, a avioanelor, a navelor. Lipsit de energie, fluidul părăseşte apoi turbina pentru a-şi relua ciclul de transformări (cazul aburului) sau pentru a fi evacuat în atmosferă (cazul gazelor de ardere). Capacitatea de transformare energetică a unei trepte este limitată, din considerente de rezistenŃa materialelor şi de randament. Ca urmare, pentru a obŃine puteri mari, turbinele cu abur şi cu gaze se construiesc în mai multe trepte, în care au loc transformări energetice identice, dar la alŃi parametri (prin destinderea fluidului presiunea şi temperatura scad)

Turbina Laval – turbină cu acŃiune cu singură treaptă

Principiul de funcŃionare al turbinei termice 1 – ajutaj; 2 – paletă; 3 – rotor.

7

Deşi aparent simple, având în mişcare o singură piesă, rotorul, turbinele cu abur şi cu gaze trebuie să răspundă unor condiŃii de lucru dintre cele mai severe: presiuni şi temperaturi ridicate, solicitări mecanice şi termice mari, oboseală mecanică şi termică, acŃiunea erozivă şi corozivă a fluidului de lucru. Aceste condiŃii impun materiale speciale, cu înaltă rezistenŃă mecanică şi termică, precum şi tehnologii avansate de execuŃie. Aşa se explică de ce fabricaŃia turbinelor cu abur şi în special a turbinelor cu gaze a cunoscut o oarecare întârziere faŃă de alte maşini şi echipamente termice. e) Randament ridicat

ηTA = (0,80 ÷ 0,96) ηITA = (0,36 ÷ 0,47) ηTG = (0,86 ÷ 0,92) ηITG = (0,34 ÷ 0,40) ηCM = (0,44 ÷ 0,60) Ciclu combinat

Turbină cu gaze ABB tip 13E

143 MW ; ηηηη = 34 % ; ππππ =14,3 ;

8

1.5. EvoluŃia, stadiul actual şi perspectivele construcŃiei de turbine.

1.5.1. Scurt istoric al apariŃiei şi dezvoltării turbinelor cu abur Secolul 1 – Hero din Alexandria – inventează Aeolipilele – pune în evidenŃă forŃa aburului

1629 – Giovanni Branca– descrie principiile de funcŃionare ale turbinelor cu abur.

1760 – James Watt – inginer scoŃian – construieşte primul motor cu abur 1787 – John Fitch, – inventator american – proiectează primul vapor cu abur 1824 – Sadi Carnot, – fundamentează teoria motoarelor termice 1860 – Étienne Lenoir – construieşte primul motor cu ardere internă în doi timpi 1876 – Otto, Nikolaus August, – construieşte primul motor cu ardere internă în patru timpi

perfecŃionat ulterior de Karl Benz si Gottlieb Daimler. 1881 – Ernst Werner Von Siemens – cuplează pentru prima dată un motor cu abur cu un

generator el. 1882 – Thomas Alva Edison – construieşte prima centrală electrică din lume

Pearl Street în New York City. 1883 – Carl Gustav de Laval – inginer suedez

construieşte prima turbină cu abur, cu: o singură treaptă, acŃiune, turaŃie ridicată 30.000 rpm, puterea de cca 5 CP.

1884 – Sir Charles Algernon Parsons – inginer englez construieşte prima turbină cu mai multe trepte, cu reacŃiune.

Aeolipilele lui Hero din Alexandria (sec I A.D.) Turbina cu acŃiune radial-centripetă (1629)

Descoperire a forŃei de reacŃiune a lui Giovani Branca (1571-1645)

Turbina Laval (1883) Turbina Parssons (1884)

9

Iahtul Turbinia lansat la 2 August 1894.

Câştigă o cursă de viteză cu, ocazia sărbătoririi Reginei Victorial, la 26 June 1897, în prezenŃa PrinŃului de Wales, Lord al AmiralităŃii Britanice

1892 Diesel, Rudolf Christian Karl, – patentează motorul cu aprindere prin comprimare,

construit în 1897. 1896 – August Rateau – inginer francez

construieşte prima turbină cu abur cu acŃiune cu mai multe trepte. 1897 – Charles Gordon Curtis – inventator american

construieşte treapta de viteze, formată dintr-un rând de ajutaje şi mai multe rânduri de palete.

1906 Richard Mollier – german – publică diagrama h–s apă – abur; 1912 – Frederik and Birger Ljungstrom – ingineri suedezi

construiesc prima turbină cu abur radială

Turbină cu o treaptă Curtis (1894)

10

1.5.2. Scurt istoric al apariŃiei şi dezvoltării turbinelor cu gaze

1791 – John Barber – inventator englez – obŃine patentul primei turbine cu gaze, pe care nu a putut să o construiască datorită dificultăŃilor tehnologice;

1872 – Stolze – german – concepe şi brevetează prima turbină cu gaze;

1873 – George Bailey Brayton – englez – construieşte prima cameră de ardere la presiune constantă.

1906 – R. Armengaut şi C. Lemal – ingineri francezi – construiesc prima turbină cu gaze cu cameră de ardere la presiune constantă;

1908 – V.V. Carovodin – rus – şi H Holzwarth – german – construiesc independent primele turbine cu gaze cu cameră de ardere la volum constant; datorită dificultăŃilor de etanşare şi de distribuŃie a gazelor aceste turbine nu au avut viitor;

Etapa I, începutul secolului XX,

În absenŃa unor materiale rezistente şi a unor tehnologii de fabricaŃie corespunzătoare TG nu se dezvoltă, fiind utilizate ca anexă la alte agregate (supraalimentarea motoarelor, cazane Velox). 1916 – utilizarea turbinelor cu gaze cu ardere la presiune constantă pentru antrenarea torpilelor 1917 – utilizarea turbinelor cu gaze la antrenarea compresorului de supraalimentare a motoarelor de aviaŃie 1923 – utilizarea turbinelor cu gaze la supraalimentarea motoarelor Diesel

Etapa II 1937 – 1956 Marcată de utilizarea turbinelor cu gaze în aviaŃie, unde treptat vor înlocui definitiv motoarele cu ardere internă. Prin perfecŃionarea materialelor temperatura maximă atinsă în această perioadă este de circa 1000 0C.

1939 – firma BBC prezintă la expoziŃia internaŃională de la Zürich prima turbină cu gaze destinată antrenării unui generator electric (4 MW, η = 17,4%).

27 august 1939 în Germania este încercat primul avion turboreactor, Heinkel H E 178

1940 – firma Escher Wyss pune în funcŃiune prima turbină cu gaze în circuit închis, cu aer cald

1941 – prima locomotivă cu gaze realizată de firma Brown-Boveri

20 septembrie 1945 zboară primul avion turbopropulsor, echipat cu o turbină Rols Royce Trent

1947 – prima navă echipată cu o turbină cu gaze realizată de firma Metropolitan – Vickers 1949 – firma General Electric începe producŃia de turbine cu gaze 1950 – firma Siemens începe producŃia de turbine cu gaze – primul automobil acŃionat cu o turbină cu gaze, realizat de firma Rover

Etapa III 1956 - prezent

Marcată de utilizarea răcirii turbinelor cu gaze şi de materiale speciale, cu înaltă rezistenŃă mecanică şi termică, care au permis ridicarea temperaturii maxime până la (1400 ÷ 1560) 0C; în consecinŃă cresc puterea şi randamentul ITG. În aceste condiŃii turbinele cu gaze sunt utilizate tot mai mult la producerea energiei electrice, în centrale electrice de vârf şi de bază.

11

1.5.3. Energetica nucleară În urma reacŃiei de fisiune nucleară se obŃin mari cantităŃi de căldură care sunt utilizate pentru producerea de energie electrică şi termică. 1933 Fizicianul britanic Ernest Rutherfort, primul care a reuşit să obŃină fisiunea nucleului, neîncrezător în posibilitatea de a utiliza această descoperire, declara “Anyone who expects a source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine” 1943 Enrico Fermi şi Otto Hahn demonstrează posibilitatea reacŃiei de fisiune nucleară în lanŃ, 1956 prima centrală nuclearo-electrică comercială, la Calder Hall în Anglia. 1950 -1980 se dezvoltă teoria turbinelor cu abur umed Probleme - costul ridicat al investiŃiei şi al dezafectării la epuizarea duratei de viaŃă

- de depozitarea deşeurilor nucleare, - 28 martie 1979, accidentul de la centrala Three Mile Island din SUA - 26 aprilie 1986, accidentul de la unitatea 4 a centralei Cernobîl din Ucraina.

Cu toate acestea numeroase Ńări, printre care FranŃa, Belgia, îşi bazează producŃia de energie pe centrale nucleare, în care lucrează turbine cu abur de puteri mari şi foarte mari. Puterea maximă este de 1500 MW, fiind produsă în CNE Chooz B din FranŃa de către turbina Arabelle; energia electrica a cinci astfel de turbine este echivalentă consumului mediu actual de energie electrică al Ńării noastre. România 1951 – 1971 centrala Filaret 1 ITG x 12,5 MW (BBC); η = 21,6% ; 100.000 ore de funcŃionare 1966 – 1981 centrala Bucureşti-Sud 3 ITG x 36,3 MW (Fiat); η = 28,3% ; tmax = 788 0C ;

22.000 ore de funcŃionare

Cicluri combinate - CET Brazi Ptotala = 860 MW; PTG = 275 MW ; PTA = 305 MW

CET Vest Ptotala = 190 MW; PTG = 125 MW ; PTA = 55 MW

Ciclul ITG cu cogenerare CET Bacau PTG = 14 MW Nuclear – 1997 incepe exploatarea comerciala a primului grup de la CNE Cernavoda

Marii producători de turbine cu abur şi turbine cu gaze energetice: General Electric, Westinghouse, GEC Alsthom, Siemens-KWU, MAN, NEI Parsons,

Skoda, Hitachi, Mitsubishi Heavy Industry, Toshiba, LMZ. În Ńară General-Turbo SA produce:

- turbine cu abur energetice în gama de puteri (0÷330) MW; - turbine cu abur cu puteri de (0÷30) MW pentru antrenări mecanice - componente ale turbinei cu abur de 700 MW, destinată CNE Cernavodă;

Turbomecanica SA produce sub licenŃă turbine cu gaze destinate transportului aerian.

12

1.6. Domenii de utilizare turbinrlor termice

Energetica – energie electrică, căldură

Transport – aerian, naval, terestru

Industrie – antrenare de maşini rotative generatoare, sursă de abur industrial