PIERDERILE TURBINEI

PIERDERILE TURBINEI

Clasificarea pierderilor

Procesul real de transformare a energiei termice in energie electrica este insotit de o serie de pierderi: pierderi interne, care afecteaza destinderea aburului; pierderi externe, care se produc in afara procesului de destindere.

Pierderile interne

Aceste pierderi se impart la rindul lor in pierderi ale treptei, afectind procesul termic si implicit randamentul fiecarei trepte in parte, si pierderi in afara treptei.

Pierderile interne din procesul treptei sint : pierderile din ajutaje Δh_a, pierderile din palete Δh_p, pierderi prin frecare, pierderi datorate intrarilor/iesirilor din palete si ajutaje, pierderi prin scapari interne de abur. La acestea se adauga pierderi prin umiditate, pierderi prin ventilatie.

Pierderile interne generale (din afara procesului treptei) constau din pierderi de presiune datorate curgerii aburului prin conducte si ventile care leaga diferite parti ale turbinei.

Pierderi externe

In aceasta categorie fac parte: pierderi mecanice; pierderi prin scapari de abur in exterior; pierderi de caldura catre exterior prin incinta de presiune/vid.

In cursurile anterioare au fost examinate principalele pierderi din trepte. In acest curs vor fi analizate celelalte pierderi.

Pierderile de presiune

Pentru oprirea turbinei in caz de urgente si pentru reglarea debitului de abur introdus in turbina se folosesc organe de reglare: ventile sau inele rotative. De asemenea in cazul supraincalzirii intermediare intre corpurile turbinei se afla vane de izolare cu rol de protectie impotriva invirtirii in sens invers a turbinei in caz de oprire brusca a aburului de intrare in turbina. Aceste organe produc pierderi de presiune prin variatia brusca a sectiunii sau prin schimbarea de directie.

Elementele componente ale turbinei sint conectate prin conducte de legatura. Curgerea aburului prin conducte este insotita de pierderi locale (liniare sau datorate schimbarii de directie sau a sectiunii).

In cazul supraincazirii regenerative, schimbatorul de caldura instalat intre corpurile turbinei este si el o sursa de pierderi de presiune, eforturile in proiectare fiind indreptate in directia obtinerii reducerii umiditatii si cresterii temperaturii maxime in conditiile pierderilor minime de presiune.

Toate aceste pierderi de presiune reduc din caderea de presiune utila folosita pentru producerea lucrului mecanic. Din acest motiv, in dimensionarea elementelor componente enumerate mai sus de cele mai multe ori se realizeaza o analiza de optimizare astfel incit sa se obtina un efect maxim.

Pierderi prin frecare si ventilatie

Invirtirea rotorului in abur duce la frecare intre suprafetele laterale ale rotorului si abur. In proiectarea unei turbine aceste pierderi sint determinate cu formule de firma care sint determinate experimental.

Un alt tip de pierderi sint    pierderile de presiune prin frecarea aburului de carcasa turbinei. Evidenta acestor pierderi este relevata in functionarea turbinelor prin efectele de eroziune care sint vizibile dupa un anumit numar de ani de functionare. In general aceste frecari sint mai evidente in zona iesirii din treptele finale ale corpului respectiv, fiind necesare in multe cazuri dupa 15-20 ani de functionare de operatii de remedieri ale carcaselor (in general acoperiri prin metalizare).

Pierderea prin umiditate

La ultimele trepte ale turbinelor cu condensatie conventionale sau chiar de la primele trepte ale turbinelor din centalele nucleare aburul utilizat este in zona umeda, putind ajunge la o umiditate de 12-14%.

Prezenta picaturilor de apa produce erodarea paletelor si pierderi de energie.

Efectul de eroziune

Prin destinderea aburului in ajutaje in special se produc picaturi de apa care se depun pe extradosul paletelor statorice.

Filmul de apa este antrenat de catre abur si proiectat sub forma de picaturi spre paletele rotorice. Intrucit picaturile de apa nu-si obtin viteza prin destinderea proprie, ci prin antrenare de catre abur, viteza absoluta a picaturilor este mai mica decit cea a aburului. Viteza relativa a apei are o inclinare fata de cea a aburului, lovind fata convexa a paletei (Fig. 6.1).

Fig. 6.1

Cind energia de impact depaseste valoarea admisibila pentru materialul muchiei paletei se produce o eroziune care incepe in punctual M si se dezvolta rapid. Sub influenta fortei centrifuge, picaturile de apa sint concentrate spre virful paletei, deci eroziunea apare in special in treimea dinspre virful paletei.

La inceputul eroziunii, suprafata paletei prezinta mici cratere intre care sint cristalele dure care au rezistat eroziunii initiale. De aceea, cu ocazia reviziilor nu se slefuieste muchia erodata, caci s-ar indeparta tocmai cristalele dure. In plus prelucrarea paletelor ar creea probleme in echilibrarea rotorului ceea ce in timp ar duce la pierderi mecanice prin crestera vibratiilor.

Pentru a reduce efectul de eroziune, muchia de intrare trebuie sa fie durificata in partea dispre virf, ceea ce se poate realiza prin placare cu aliaje dure.

Pierderea prin umiditate

Prezenta picatuilor de apa in abur duce la o pierdere de energie din cauza reducerii debitului de abur (filmul de apa format pe extradosul ajutajului modifica geometria acestuia si implicit procesul de destindere), a consumului de energie pentru antrenarea picaturilor de apa si a efectului de frinare a picaturilor prin lovirea fetei concave a paletei.

Pierderea prin nedestinderea apei depinde de valoarea titlului initial la intrarea in treapta iar pierderea prin frecare si frinare de valoarea titlului de la iesirea din treapta.

Pierderea prin scapari interioare de abur. Etansarile cu labirinti

Pierderea prin scapari

Prin jocurile dintre rotor si stator se produc scurgeri de abur sub actiunea diferentelor de presiune existente in turbina.

In treapta scapa un debit de abur ΔD₁ prin spatiul dintre diafragma 1 (treapta de ajutaje) si butucul discului 2 sub actiunea caderii de presiune (Fig. 6.2). Apare si o scapare ΔD₂ peste virful paletelor, mai accentuata cu cit gradul de reactiune este mai mare.

Fig. 6.2

Pierderile prin scapari interioare au un caracter calitativ, in sensul ca aburul ramine in turbine, dar se pierde lucrul mecanic pe care l-ar fi produs. Notind cu ΔD debitul de abur scapat, si cu (h_u - Δh_fv) lucrul mechanic produs de 1 kg de abur in treapta respectiva, pierderea prin scapari interioare se calculeaza cu:

Δh_d = ΔD (h_u - Δh_fv)/D [J/kg]

Cum debitul de scapari depinde direct proportional de suprafata de curgere disponibila, rezulta ca pentru reducerea acestora trebuie redus la maxim jocul dintre partile fixe si cele aflate in miscare. Acest lucru insa are limite date de pericolul atingerii prin vibratii, de modul de dilatare diferita a rotorului fata de stator si de tolerantele de constructie.

Etansarea cu labirinti

La turbomasinile termice, vitezele periferice mari si temperatura ridicata impun utilizarea etansarilor fara contact sau cu frecare minima, cele mai obisnuite fiind etansarile cu labirinti.

Labirintul este un sir de strangulari, alternind cu camere largi de turbionare, in care aburul sufera laminari successive. Astfel, caderea de presiune este fractionata in trepte mici, ceea ce reduce viteza de curgere si deci debitul. Labirintul nu opreste total curgera aburului, ci numai o reduce.

In Fig. 6.3 este prezentat variatia presiunii p, a entalpiei I si a vitezei c in lungul labirintului. In strangulare, viteza creste si in schimb scade presiunea si entalpia. In camera largita viteza scade crescind din nou entalpia; presiunea ramine insa scazuta datorita pierderilor prin virtejuri si prin ciocnirea cu aburul care stationeaza in camera.

Fig. 6.3

Dupa eficacitatea lor labirintii se impart in doua grupe: labirinti cu distrugerea totala a vitezei, la care inelele rotorice alterneaza cu inelele statorice (vezi Fig. 6.3); labirinti cu trecere directa sau semilabirinti, in care inelele sint pe o singura parte iar cealalta este neteda. Cea de-a doua categorie duce la scapari relative mai mari de abur la lungimi egale ale treptei de labirinti sau necesita o lungime mai mare pentru a obtine aceleasi scapari.

Pierderile depind si de forma inelului, trebuind evitate inelele care conduc aburul spre gituitura. In Fig. 6.4 sint prezentate citeva forme posibile de labirinti.

Fig. 6.4

Formele a, b, c, d trebuiesc evitate, cel mai eficace fiind forma g.

Reducerea pierderii impune un joc cit mai mic in gituitura, limitat de pericolul de atingere. Pentru a nu se distruge inelul in cazul unei atingeri accidentale, se folosesc obisnuit labirinti elastici.

Pierderile externe ale turbinei

Scapari de abur prin etansarile terminale

La capetele carcasei, prin jocul dintre arbore si carcasa apar schimburi de fluid cu atmosfera. La capatul de inalta presiune se produc scapari de abur spre atmosfera, atit pe linga arbore cit si pe linga tijele vanelor. Acest abur nu lucreaza deloc in turbina, deci constituie o pierdere cantitativa de abur. Debitul acestui abur nu intervine in randamentul turbinei, ci se aduna la consumul de abur al acesteia.

La corpurile de joasa presiune, pentru a prevenii intrarea aerului in condensator si implicit cresterea presiunii - ceea ce reduce randamentul ciclului termic - este de asemenea necesara utilizarea aburului. Acesta este injectat la partea mediana a labirintilor, o parte fiind recuperat in condensator iar o mica parte se pierde in atmosfera deoarece presiunea aburului este cu putin peste presiunea atmosferica. Pentru reducerea consumului de abur se foloseste de asemenea aburul recuperat din scaparile de la vanele de abur.

Pierderile mecanice

O parte din puterea obtinuta la arbore se consuma prin frecarile din lagare si de asemenea in aceasi categorie sint incadrate serviciile proprii ale turbinei fara de care functionarea acesteia nu este posibila. In aceste servicii intra sistemul de ungere, sistemul de actionare hidraulica a vanelor turbinei, sistemul de etansare si racire generator electric.