Teoria şi modelarea turbomaşinilor

39

4. TURBINE CU ABUR 4.1.3. Clasificarea după principiul de funcţionare şi modul constructiv

În cele ce urmează se detaliază principiul de funcţionare, elemente

constructive şi indici de performanţă la câteva dintre principalele tipuri de turbine utilizate în energetică.

Turbine axiale cu acţiune Turbina cu acţiune cu o singură treaptă (Turbina Laval). Turbina cu acţiune cu o singură treaptă este prezentată schematic în figura

4.1. Aburul pătrunde în ajutaj unde se destinde, ieşind cu viteza c1. Aburul loveşte paletele rotorice fixate pe disc, punându-le în mişcare. Din palete aburul iese cu viteza absolută c2 încă mare, şi se evacuează prin racordul de evacuare al carcasei.

Turbina cu acţiune într-o treaptă ar avea un randament ridicat numai la căderi termice mici, neutilizabile în mod normal în instalaţiile cu abur. În mod real, ea are un raport de viteze xc mult sub valoarea optimă (xc <0,28), ceea ce duce la un randament foarte scăzut (ηe=0,3.. .0,48). Pentru ieftini turbina, diametrul rotorului trebuie ales mic decât cel optim, ceea ce impune turaţii foarte mari. Datorită acestor dezavantaje, turbinele cu acţiune într-o singură treaptă (denumite şi turbine Laval) se folosesc numai pentru antrenări auxiliare la putere sub 100 kW.

Capitolul 4. Turbine cu abur

40

ajutaje

ajutaje

palete

palete

Figura 4.1. Turbina cu acţiune cu o singura treapta,

Teoria şi modelarea turbomaşinilor

41

Turbina cu acţiune cu trepte de viteză (Turbina Curtis). Pentru ameliorarea randamentului se poate folosi energia reziduală a

aburului într-un al doilea şir de palete mobile. Între şirurile de palete mobile se prevede un şir de palete redresoare fixe care readuc aburul în direcţia de mişcare a paletelor mobile, fără a-l destinde (fig. 4.2).

În figura 4.2 se prezintă şi o secţiune axial-cilindrică prin ajutaj şi paletajul turbinei şi triunghiurile de viteze aferente. În ajutaj aburul se destinde de la presiunea p0 la p1, presiunea menţinându-se în continuare constantă până la ieşirea din turbină . În concluzie, la turbina cu trepte de viteză energia potenţială a aburului se transformă în energie cinetică numai în ajutaje. Treptele Curtis au randament mai bun decât turbinele într-o singură treaptă, dar mai slab decât cele multietajate. De aceea se folosesc ca agregate independente numai în cazul unităţilor mici sub 2,5 MW, pentru antrenări auxiliare (pompe, ventilatoare). Se întâlnesc însă în componenţa turbinelor cu trepte de presiune, ca trepte de reglare.

ajutaje

palete fixe

obada

palete mobile 2

palete mobile 2

Figura 4.2. Turbina cu acţiune cu trepte de viteză (Curtis)

Capitolul 4. Turbine cu abur

42

Turbina cu acţiune cu trepte de presiune (Turbina Rateau) În figura 4.3 s-a reprezentat schematic secţiunea longitudinală printr-o

turbină cu acţiune cu trepte de presiune. Rotorul turbinei este constituit din discuri fixate pe un arbore comun , fiecare disc purtând un şir de palete cu acţiune. Între discuri există pereţi despărţitori numiţi diafragme, care poartă ajutajele. Diafragmele sunt fixate în carcasă, care închide turbina spre exterior. Aburul viu intră în primul şir de ajutaje, unde se destinde mărindu-şi viteza. În paletele primului disc, energia cinetică se transformă în lucru mecanic, aburul ieşind cu viteză redusă. Procesul astfel descris se repetă în fiecare treaptă.

palete

discuri

diafragma

ajutaje

Figura 4.3. Turbina cu acţiune cu trepte de presiune.

Teoria şi modelarea turbomaşinilor

43

Turbina cu trepte de presiune cu reacţiune (Turbina Parsons) În figura 4.4 se prezintă secţiunea prin paletajul unei turbine cu reacţiune.

Presiunea scade atât în paletele fixe, cît şi în cele mobile. Lucrul mecanic în paletele mobile se produce atât pe seama energiei cinetice absolute, cît şi pe seama destinderii.

Căderea pe treaptă fiind proporţională cu (1-ρ), treptele cu reacţiune prelucrează căderi mai mici decât cele cu acţiune, deci turbina cu reacţiune are mai multe trepte decât cea cu acţiune. Curgerea printre palete făcându-se sub acţiunea diferenţei de presiune, aburul umple mai bine canalul interpaletar, deci pierderile în palete sînt mai mici. Diferenţa de presiune din paletele mobile p1- p2 conduce la o împingere axială asupra rotorului dirijată în sensul curgerii aburului. Pentru a reduce această împingere s-a recurs la rotorul cu tambur, la care diferenţa de presiune acţionează numai asupra paletajului, pe când la disc ar fi acţionat asupra întregii suprafeţe a discului. În figura 4.4 se pot vedea şi diagramele de viteze în paletele turbinei.

Pentru compensarea forţei axiale Fa, la capătul de înaltă presiune se prevede un disc de echilibrare, în a cărui cameră se menţine presiune scăzută prin punerea în legătură cu racordul de evacuare al turbinei. Astfel discul este supus unei contraforţe axiale F’ a dirijată spre lagărul din faţă al turbinei.

Datorită diferenţei de presiune creată în reţelele de palete fixe şi mobile se produc scăpări de abur importante peste vârful paletelor.

În concluzie, turbina cu reacţiune este avantajoasă numai în cazul paletelor lungi, adică la presiune joasă şi eventual medie sau în cazul debitelor masice foarte mari

palete mobilepalete fixe

Fa

F'a

Figura 4.4. Secţiune axial cilindrică prin turbina cu reacţiune

Capitolul 4. Turbine cu abur

44