AJUTAJELE - Studiul energetic al ajutajului

AJUTAJELE

Generalitati

Ajutajul este un tub sau un canal a carui sectiune variaza continuu dupa anumite regului pentru a obtine cresterea dorita a vitezei fluidului. Dupa variatia sectiunii in lungul ajutajului se deosebesc: ajutaje convergente (sectiunea de curgere este in continua scadere) si ajutaje convergent-divergente (sectiunea de curgere dupa o zona de scadere este urmata de o zona de crestere).

O treapta de presiune cuprinde un sir de ajutaje si unul sau mai multe siruri de palete pina la urmatorul sir de palete. Ajutajele si paletele sint dispuse obisnuit pe coroane circulare.

Fig. 4.1

In studiul ajutajelor se vor folosi urmatoarele notatii:

diametrul mediu se noteaza cu d.

dimensiunea ajutajului pe directia razei se noteaza cu l_a.

dimensiunea radiala a paletei se noteaza cu l_p.

latimea sirului de ajutaje se noteaza cu B_a iar cea a sirului de palete cu B_p.

viteza aburului in raport cu statorul turbinei este o viteza absoluta, c.

viteza aburului in raport cu paletele in miscare este o viteza relativa, w.

viteza tangentiala a paletei se noteaza cu u.

indicele 0(zero) se utilizeaza pentru punctele la intrarea in ajutaje, iar indicele 1 pentru iesirea din ajutaje, respective intrarea in palete; indicele 2 pentru iesirea din palete.

Studiul energetic al ajutajului

Tinind cont de ecuatia energiei, in care datorita curgerii rapide nu are loc un schimb de energie cu exteriorul iar deoarece ajutajul nu se misca nu are loc un schimb de lucru mecanic se obtine:

di + d (c²/2) = 0

ceea ce arata ca are loc o crestere a vitezei in ajutaj pe seama scaderii entalpiei.

Energia totala a aburului e = i + c²/2 ramine constanta. In acest caz putem scrie:

i₀ + c₀²/2 = i₁ + c₁²/2 si putem scrie c₁ = √ 2(i₀ - i₁ + c₀²/2)

Procesul teoretic este destinderea izentropa AB_t (Fig. 4.2)

Fig. 4.2

Procesul real este adiabata ireversibila AB. Entalpia finala i₁ > i_1t, deci caderea de entalpie si viteza obtinuta sint mai mici. Obisnuit viteza reala este c₁ se calculeaza prin inmultirea vitezei teoretice cu coeficientul de reducere a vitezei in ajutaje φ φ < 1):

c₁ = c_1t [m/s]

Pierderile din ajutaje se datoresc frecarii aburului cu peretii canalului, virtejurilor, ciocnirii cu muchia de intrare si virtejurile ce se produc in spatele muchiei de iesire. Pentru a se reduce pierderile este necesar sa se realizeze peretele cit mai neted si sa se mareasca pe cit posibil inaltimea ajutajului. Deoarece pierderile cresc cu turbulenta, pentru a reduce virtejurile din spatele muchiei, muchia de iesire trebuie sa fie cit mai subtire.

Firmele constructoare de turbine, desi dezvolta calcule foarte detaliate asupra ajutajelor, totusi, in final apeleaza la teste pe modele si obtin date experimentale pentru ajutajele realizate.

Studiul gazodinamic al ajutajului

In lungul ajutajului debitul este constant:

D = S c/v = const. si S = D v/c

Pe masura cresterii vitezei, presiunea scade si creste volumul specific. Sectiunea necesara a ajutajului pentru asigurarea destinderii depinde deci de modul de variatie al raportului dintre volumul specific:

volumul specific creste cu scaderea presiunii dupa ecuatia adiabatei pv/T = const; la inceput creste incet si apoi din ce in ce mai repede;

viteza variaza parabolic cu scaderea presiunii, dupa relatia    c = √2v₀(p₀ - p₁), la inceput creste rapid, apoi din ce in ce mai lent;

realizind raportul dintre cele doua, acesta la inceput scade si apoi creste (Fig. 4.3).

Fig. 4.3

Deoarece sectiunea este direct proportionala cu raportul volum specific/viteza, pentru a realiza o destindere uniforma trebuie deci ca, pentru caderi de presiune mici sa se realizeze ajutaje convergente, iar pentru caderi de presiune mari se vor folosi ajutaje convergent-divergente. Punctul inflexiune este reprezentat de atingerea vitezei sunetului prin ajutaj si este denumita presiunea critica.

Inclinarea ajutajelor

Dupa cum s-a mentionat anterior, turbina este un ansamblu realizat dintr-o serie de ajutaje si palete. Rolul ajutajului este de a creste viteza aburului pentru ca, acesta sa loveasca paletele care, prin schimbarea directiei de curgere transforma impulsul aburului in energie de miscare. S-a vazut ca pentru a obtine un efect maxim al fortei portante a paletei este necesar ca aburul sa intre sub un unghi de atac optim.

Viteza c₁ a aburului este inclinat cu unghiul α fata de viteza tangentiala u. Aceasta se descompune in componenta tangentiala c_1u = c₁cosα care produce miscarea paletelor, si componenta axiala    c_1a= c₁sinα care produce curgerea aburului in lungul turbinei.

Fig. 4.4

Abaterea vinei de abur

Datorita asezarii inclinate, la iesirea din ajutaj apare zona triunghiulara ABC (Fig. 4.5). Ajutajul propriu-zis se termina in sectiunea dreapta AB, iar zona ABC in mod normal nu lucreaza. Daca presiunea de la intrarea din ajutaj p₁ scade pina la valoarea determinata functie de tipul de ajutaj, destinderea continua in portiunea triunghiulara, care capata rolul de prelungire divergenta.

Fig. 4.5

Destinderea insa se face neuniform: in B presiunea scade brusc, iar pe latura AC presiunea scade treptat. Sub actiunea acestei diferente de presiune, vina de abur este deviate spre exterior, iesind sub un unghi α mai mare decit inclinarea α a axei ajutajului; acest fenomen se numeste abaterea vinei de abur.

Acest fenomen are doua consecinte in proiectarea ajutajului:

a)      caderea de presiune in treapta ajutajului este mai mare,

b)      unghiul de atac la intrarea in paleta este mai mare decit unghiul de inclinare al ajutajului deci, pentru obtinerea unghiului optim al profilului paletei este necesara ajustarea unghiului de iesire al ajutajului.

Elementele geometrice ale ajutajului

Canalul ajutajului prezinta trei regiuni caracteristice. In cazul ajutajului convergent (Fig. 4.6) apar: o regiune convergenta curba la intrare, in care ingustarea se realizeaza in principal prin micsorarea unghiului de la circa 90⁰ la α ; o portiune dreapta pentru dirijarea aburului si regiunea triunghiulara ABC.

Fig. 4.6

Pentru a reduce turbulentele din spatele ajutajului si pentru a reduce efectul de abatere al vinei de abur aceasta portiune este subtiata, grosimea realizindu-se de obicei prin polizare. In general configuratia canalului se realizeaza din extradosul profilului, intradosul acestuia fiind realizat dintr-un arc de cerc.

La ajutajul convergent divergent apar (Fig. 4.7): o regiune convergenta curba la intrare, in care latimea canalului scade la b_m; o parte divergenta, in care canalul se mareste de la b_m la b₁; regiunea triunghiulara ABC. In partea divergenta apare unghiul de evazare γ ≈ 5⁰.

Fig. 4.7

La partea de inalta presiune a turbinei, lungimea ajutajelor este mai mica dar, datorita caderilor mai mari de presiune pe ajutaj peretele se realizeaza mai gros.

La partea de joasa presiune a peretele se realizeaza de obicei din tabla profilata subtiata la muchia de iesire.

Pasul t_a al ajutajelor se indica obisnuit la mijlocul inaltimii ajutajului. Notind cu z_a numarul de ajutaje, arcul de cerc ocupat de ajutaje este z_at_a. Raportul dintre arcul ocupat de ajutaje si circumferinta se numeste grad de admisie:

= z_at_a/ d₁

Daca ε = 1, este admisie totala. Daca ε < 1 este admisie partiala. Cu exceptia treptelor de reglaj se foloseste admisia totala.