Tag Curs 1.pdf

1. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL TURBOMAŞINILOR TERMICE 1.1 Principiul de funcţionare al turbinei cu abur Turbina cu abur este un motor termic rotativ care foloseşte ca fluid de lucru aburul. În interiorul ei energia potenţiala a aburului este transformată în energie mecanică, producând rotirea arborelui turbinei. Folosirea mişcării de rotaţie are următoarele avantaje: a) transformarea energetică este continuă - deci turbina are o mare capacitate de transformare fiind capabilă de puteri mari; b) forţele dinamice se limitează doar la forţe centrifuge, care teoretic ar trebui să se echilibreze - o echilibrare perfectă nu este posibilă astfel că rămâne o mică forţă centrifugă, rezultantă care se învârte odată cu rotorul provocând vibraţia turbinei; forţele dezechilibrate sunt incomparabil mai mici decât la maşinile cu piron; c) punctele de frecare sunt puţine; numai în lagăre, ceea ce duce la un consum redus de ulei, la uzură redusă şi la randament mecanic ridicat; Cea mai simplă turbină cuprinde un şir de avantaje şi un şir de palete fixate pe disc. În ajutaje aburul se destinde mărindu-şi viteza, adică energia potenţială a aburului se transformă în energie cinetică. Lovind paletele, aburul le pune în mişcare, deci în palete energia aburului se transforma în lucru mecanic util. Energia cedată de abur în turbină poate atinge valori importante. Astfel considerând o cădere termică uzuală de 1250 kj/kg aceasta echilibrează cu 1250347,8 [N], adică energia apei care ar cădea de la înălţimea de 128.000 m. În general se recurge la transformarea treptată a aburului, fracţionând destinderea pe mai multe şiruri de avantaje alternând cu şiruri de palete, presiunea scăzând treptat in lungul turbinei - de unde numele de - turbina cu trepte de presiune. Cu cât viteza tangenţială a paletelor creşte, treapta poate prelucra căderi mai mari, scăzând astfel numărul total de trepte (ieftinirea turbinei necesită utilizarea turbinelor mari). Uzuală este turaţia sincronă maximă de 3000 rot/min şi în America 3600 rot/min de puteri mici se folosesc turaţii mari. Prin destindere în lungul turbinei, volumul specific al aburului creşte deci secţiunea de trecere, creşte de la intrare spre ieşire. Raportul de destindere folosit depinde de raportul dintre secţiunile de trecere de la sfârşitul şi de la începutul turbinei. Întrucât se pot realiza rapoarte foarte mari între secţiuni, turbina poate destinde aburul total - spre deosebire de maşinile cu piston, la care destinderea este întreruptă din cauza limitării cursei pistonului. Transformarea energiei potenţiale termice a aburului în energie cinetică se produce prin destinderea acestuia într-un aparat fix cu rol de direcţionare, alcătuit dintr-o succesiune de canale formate din ajutaje şi palete directoare concepute astfel încât sa realizeze destinderea (viteza necesară precum şi direcţia de ieşire). Fluxul (jetul) de abur pătrunde în rotorul constituit din paletele mobile situate pe zona circulară a unui disc mobil sau unui tambur şi este deviat, cedând rotorului o parte din energia cinetică sub formă de lucru mecanic.

10

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

Cele două elemente, coroana de ajutaje directoare şi cea de palete mobile formează un element, o treaptă sau un etaj de turbină. Turbina poate fi cu acţiune dacă energia termică a aburului este transformată în întregime în energie cinetică în ajutajele fixe ale statorului şi cu reacţiune în cazul destinderii aburului şi în coloanele de palete mobile ale rotorului. Aburul îşi modifică direcţia vitezei de curgere în spaţiile dintre palete (atât la turbinele cu acţiune cât şi la cele cu reacţiune) datorită formei curbate a acestora exercitând, în acelaşi timp o împingere a lor a cărei componentă periferică produce rotirea arborelui turbinei. Conform ecuaţiei impulsului forţa dezvoltată de jetul de abur asupra paletei mobile va fi:

F    m(c1  c 2 ) N  ,

(1.1)

unde: τ – este durata acţiunii forţei a jetului de abur (în secunde); m – masa de abur care părăseşte ajutajul în timpul τ (în kg); c1, c2 – vitezele teoretice absolute ale jetului de abur la intrarea, respectiv la ieşirea din paletele mobile (m/s). Forţa dezvoltată de 1 Kg de abur (m = 1kg) în timp de 1 s (τ = 1s) va fi dată de:

N s F  c1  c 2  .  kg 

(1.2)

Sub acţiunea forţei exercitate de jetul de abur, coloana de palete fixe se mişcă cu o viteză periferică u, forţă datorată variaţiei relative a aburului între ieşirea din ajutaj şi părăsirea suprafeţei mobile va fi dată de:

N s Fu  Fu    w 1u  w 2 u   .  kg 

(1.3)

Lucrul mecanic efectuat de către 1kg de abur care acţionează asupra paletelor aflate în mişcare:

 J  l u  Fu    w 1u  w 2 u    .  kg 

(1.4)

Considerând că viteza c1 a jetului de abur are aceeaşi valoare pentru toate cazurile, dar direcţiile fiind deosebite întâlnim:

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice11

a) jetul cu viteză c1 loveşte o suprafaţă plană, perpendiculară pe direcţia lui şi creează o mişcare dezordonată, turbionară;

Figura 1.1.

c1=0; w1= c1-u; w2=c2=0;

Fa=c1; Fua=c1-u; lua=(c1-u)u.

b) jetul cu viteză c1 loveşte o suprafaţă semicirculară şi putem aprecia valoarea lui c 2 = -c1 dacă neglijăm pierderile prin frecarea jetului de abur,

Figura 1.2.

c1=c2; w1=c1-u; w2=-w1=u-c1;

Fb=c1+c2; Fub=2(c1-u); lub=2(c1-u)u.

d) jetul cu viteză c1 loveşte o suprafaţă concavă care formează un unghi α 1;

12

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

1

c1 c2

F c ; F uc

2

Figura 1.3.

c2=-c1; c1u=c1cos  1 ; c2u=c2cos  2 ; w1u=c1cosd1-u;

Fc= c1cos  1 + c2cos  2 ; Fuc=2(c1cos  1 -u); luc=2(c1cos  1 -u)u; w2u=-w1u=u-c1cos  1 .

Figura 1.4. Secţiune transversală prin turbina cu abur.

Aburul intră în turbină prin racordul "a" repartizându-se pe canalul inelar "b" la unul sau mai multe ajutaje situate pe un sector circular "c". Interiorul carcasei este împărţit în mai multe compartimente de presiuni diferite prin nişte pereţi "g" perpendiculari pe ax

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice13

care poartă numele de diafragme. În aceste diafragme sunt fixate pe un cerc de diametru D concentric cu axa de rotaţie, ajutajele "d". În timpul trecerii prin ajutaje aburul se destinde mărindu-şi considerabil viteza, fiind dirijat apoi între paletele fixate pe periferia a unui disc al rotorului. Trecând prin paletele rotorului, aburul exercită asupra lor o forţă care pune rotorul în mişcare. Lucrul mecanic cedat de abur paletelor se face consumând din energia cinetică şi eventual din energia potenţială a aburului. Ansamblul format dintr-o diafragmă şi discul paletat al rotorului care îl urmează în sensul curgerii aburului formează o treaptă a turbinei. Aburul care a părăsit ultima treaptă a turbinei este evacuat prin racordul "f". Etanşarea dintre diafragmă şi rotor în dreptul orificiilor de trecere a arborelui prin diafragmă se realizează cu ajutorul unor sisteme cu labirinţi care constau din nişte şicane puse în calea aburului, cunoscute sub numele de etanşări intermediare. Etanşarea locului de trecere prin carcasă a arborelui se realizează cu aşa numitele etanşări exterioare „e”, tot sub formă de labirinţi. Etanşarea exterioară de lângă prima treaptă se numeşte etanşare de înaltă presiune - iar cea de lângă ultima treaptă se numeşte labirint de joasă presiune. Rotorul turbinei este susţinut de două lagăre radiale „l”numite lagăre de înaltă presiune şi joasă presiune după poziţia lor faţă de labirinţii exteriori. Pe lângă componentele amintite turbinele cu aburi sunt prevăzute de obicei cu un sistem de reglaj al cărui scop este acela de a adopta regimul de funcţionare al turbinei (putere, turaţie, debit) la condiţiile impuse maşinii antrenate, sau turbinei însăşi. Turbinele se prevăd cu aparate şi instrumente de măsurare şi semnalizare şi cu unele instalaţii auxiliare folosite la ungerea şi răcirea lagărelor, la condensarea aburului evacuat, pentru preîncălzirea apei de alimentare a generatorului etc. 1.2. Clasificare turbinelor cu abur 1) După principiul termodinamic de funcţionare: - cu acţiune; - cu reacţiune; - turbine combinate. Turbina cu acţiune - este turbina la care toată căderea de entalpie a aburului, disponibilă pe turbină este transformată în energie cinetică numai în ajutaje, paletele rotorului având rolul de a transforma energia cinetică în energie stereomecanică. Forţa tangenţială care dă naştere cuplului motor, se obţine prin devierea curentului de aburi de către paletele rotorului. Turbinele cu aburi cu acţiune se caracterizează din punct de vedere constructiv, prin profilul paletelor rotorului şi prin existenţa diafragmelor. Turbine cu acţiune fără diafragme sunt utilizate foarte rar şi numai în cazul turbinelor cu diametrul rotorului foarte mic. Căderile de presiune au loc numai în paletele statorului în timp ce curgerea printre paletele rotorului are loc la presiune constantă. Fiecărei căderi de presiune îi corespunde o accelerare a curentului de abur. Între paletele rotorului unde are loc transformarea energiei cinetice a aburului în lucru mecanic, viteza aburului scade.

14

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

La turbinele cu reacţiune - căderea de entalpie a aburului are loc numai parţial între paletele statorului numite şi palete directoare, restul căderii de presiune având loc între paletele rotorului. Paletele rotorului au rolul de a devia curentul de abur care iese din reţeaua de palete fixe şi de al accelera prin destinderea ce are loc între aceste palete. Forţa tangenţială care dă naştere cuplului motor la aceste turbine este rezultanta dintre forţa activă produsă prin devierea curentului de abur şi forţa reactivă datorită accelerării curentului de abur. Constructiv turbinele cu reacţiune se caracterizează prin profilul paletelor rotorului şi prin lipsa diafragmelor, paletele directoare fiind fixate direct pe carcasa turbinei. Rotoarele turbinelor cu reacţiune nu sunt prevăzute cu discuri, ele au forma de tambur cilindric sau conic, deoarece din cauza diferenţelor de presiune de pe cele două feţe ale paletelor împingerile axiale ce s-ar exercita asupra discurilor ar fi prea mari. 2) După modul în care se realizează transformările energetice în turbină: - turbine unietajate – la care, căderea de entalpie se realizează pe un singur etaj. Se execută aproape întotdeauna ca turbina axială cu acţiune – fiind denumită în acest caz LAVAL, turaţiile ating valori mari – uneori peste 250 rot/s; - turbine cvasietajate – Curtis – (turbine cu trepte de viteză) sunt turbine cu acţiune la care căderea de entalpie disponibilă este transformată în energie cinetică, într-o singură coloană de ajutaje, dar energia cinetică este transformată în energie stereomecanică în mod treptat, în doua sau trei coloane de palete fixe pe rotor; - turbine multietajate – numite turbine cu trepte de presiune, la care căderea de entalpie a aburului este utilizată în mai multe trepte dispuse în serie. Se execută fie ca turbine cu acţiune, fie ca turbine cu reacţiune. 3) După direcţia curentului de aburi: - turbine axiale radiale; - radial – axiale. 4) După mărimea presiunii finale a turbinei: - turbine cu condensaţie; - turbine cu emisiune în atmosferă; - turbine cu contrapresiune. Turbinele cu condensaţie – sunt acelea la care destinderea aburului se face la o presiune inferioară presiunii atmosferice, evacuarea făcându-se în condensor, în care vidul se formează prin condensarea aburului. Prin micşorarea presiunii finale de destindere, căderea de entalpie pe turbina creşte, lucru ce duce la îmbunătăţirea randamentului instalaţiei. Turbine cu emisiune în atmosferă – aburul se destinde numai la o presiune puţin superioară celei atmosferice – fiind evacuat în atmosferă. Turbine cu contrapresiune – aburul este evacuat din turbină la o presiune superioară celei atmosferice în vederea utilizării lui în alte scopuri. 6) După existenţa prizelor de condensare:

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice15

- turbine fără prelevare – la care întreaga cantitate de abur străbate (cu excepţia pierderilor prin neetanşeităţi) toate treptele turbinei; - turbine cu prelevare – la care o parte din debitul de abur ce intră în turbină este extras printr-unul sau mai multe prize. 7) După felul aburului utilizat: - turbine cu abur supraîncălzit; - turbine cu abur saturat. 1.3. Descrierea, funcţionarea şi clasificarea turbinelor cu gaze Turbina cu gaze este o maşină termică, motoare, care, utilizând căderea de entalpie a unui gaz, sau a unui amestec de gaze, produce, cu ajutorul unor palete care execută o mişcare de rotaţie în jurul unui ax, energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Ca agent motor se folosesc gazele aflate la o presiune şi de obicei şi o temperatură mai ridicată decât a mediului ambiant, obţinute într-o cameră de ardere, sau în cilindri unui motor cu ardere internă, sau - mai rar - într-un generator de gaze cu pistoane libere, fie aerul sau freonul comprimat şi încălzit într-un schimbător de căldură, fie gazele naturale în stadiile de reducere a presiunii, fie heliul în cazul unor centrale nuclear electrice etc. Gazele disponibile se destind într-o turbină, care, din punct de vedere constructiv şi funcţional, se aseamănă cu turbina cu abur. Turbina este prevăzută cu un stator şi un rotor şi poate fi de tip axial sau radial, cu acţiune sau reacţiune, monoetajată sau multietajată. Clasificare turbinelor cu gaze 1) După natura agentului motor folosit turbinele cu gaze se clasifică în turbine cu gaze de ardere, cu aer cald, cu freon, cu heliu ş.a. 2) După forma circuitului străbătut de agentul motor turbinele cu gaze se clasifică în: turbine cu gaze în circuit deschis, la care o particulă de gaz străbate o singură dată elementele componente ale circuitului şi turbine cu gaze în circuit închis, la care o particulă de gaz străbate circuitul de mai multe ori.

16

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

Figura 1.5. Schema unei turbine cu gaze în circuit deschis.

Turbina cu gaze în circuit deschis funcţionează de obicei cu gaze de ardere. Instalaţia (fig. l.5) se compune în acest caz dintr-un compresor axial, sau radial a, prevăzut, sau nu, cu un răcitor intermediar e, care aspiră aerul din atmosferă şi-1 refulează printr-un preîncălzitor numit recuperator b în camera de ardere c, în care are loc arderea la presiune constantă, sau la volum constant. Gazele obţinute în camera de ardere trec prin turbina d şi prin recuperatorul b în atmosferă. În cazul arderii la presiune constantă camera de ardere este în legătură continuă cu compresorul pe de o parte şi cu turbina pe cealaltă parte, alimentarea cu aer şi combustibil fiind continuă. În cazul arderii la volum constant, (fig.1.6) camera de ardere este prevăzută cu un ventil de admisie pe conducta de legătură cu compresorul şi cu un ventil de emisiune pe conducta de legătură cu turbina. Cele două ventile se deschid şi se închid periodic, iar alimentarea cu combustibil se face de asemenea ciclic. In timpul arderii combustibilului ambele ventile trebuie să fie închise pentru a asigura arderea la volum constant. Faza de ardere este urmată de evacuarea gazelor din camera de ardere şi de spălarea acesteia cu aer introdus din nou de compresor.

Ca

R

C M

T

P

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice17

Figura 1.6. Schema unei turbine cu gaze în circuit deschis cu ardere la presiune constantă.

Lucrul mecanic produs de turbină se consumă în parte pentru antrenarea compresorului, iar surplusul se transmite maşinii antrenate. În aviaţie, pe nave şi pe vehiculele rutiere şi feroviare, unde masa şi volumul agregatului joacă un rol hotărâtor şi adeseori şi în instalaţiile stabile, se renunţă în detrimentul randamentului la schimbătoarele de căldură, astfel că agregatul se reduce numai la turbină, compresor şi cameră de ardere. Ele funcţionează deci după ciclul Joule. Turbina cu gaze de ardere are următoarele avantaje: - se poate construi pentru puteri mari; - are dimensiuni de gabarit mici; - are o masă mică; - poate funcţiona cu ori ce fel de combustibil lichid sau gazos; dar are dezavantajul că nu poate folosi combustibilul solid (cărbunele). Schema unei turbine cu gaze în circuit deschis cuprinde, turbina care se execută de obicei de tip radial fig.1.7a, sau radial-axial fig.1.7b, curgerea prin rotor putând fi centripetă sau centrifugă; curgerea centripetă se foloseşte de preferinţă la turbinele monoetajate, în cazul turbinelor radiale multietajate turbina poate fi centripetă, centrifugă sau combinată. Turbina cu gaze utilizată în aviaţie este prevăzută cu una sau mai multe camere de ardere dispuse concentric în jurul axului turbinei. Alimentarea cu aer a camerelor de ardere se asigură de către un compresor radial sau axial cuplat direct cu turbina cu gaz. În cazul agregatelor turbopropulsoare turbina are două sau mai multe trepte dispuse pe doi sau chiar trei arbori coaxiali, independenţi (fig.1.8.a.). Treptele de IP ale turbinei a antrenează printr-un arbore tubular compresorul c. Treptele de JP ale turbinei b antrenează elicea e printr-un arbore care trece prin arborele tubular al părţii de IP, şi un angrenaj diferenţial planetar având raportul de reducere a turaţiei cuprins, de obicei, între 5:1 şi 15:1

18

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

d 2

d1

l2

d1

d 2

cd

a.

d 2 d1

d 2 R

d1

l1

b. Figura 1.7. Turbina cu gaze radiaiă (a) şi radial – axială (b).

Intre compresor şi turbină se găsesc camerele de ardere. O parte din căderea de entalpie a gazelor se transformă în energie cinetică în ajutajul de reacţiune d pentru a crea o forţă de tracţiune suplimentară.

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice19

a)

b) Fig. 1.8. Turbine cu gaze de aviaţie turbopropulsor a şi turboreactor b.

Dacă viteza de zbor se apropie de viteza sunetului, randamentul elicei scade foarte repede. In astfel de situaţii se renunţă la propulsia prin elice şi se recurge la agregatele turboreactoare, în cazul agregatelor turboreactoare (fig 1.8.b.), toată puterea turbinei a este consumată de compresorul de aer c. Camerele de ardere se găsesc situate între compresor şi turbină. Căderea de entalpie a gazelor se foloseşte în parte în turbină, iar restul în ajutajul de reacţiune d pentru obţinerea forţei de tracţiune prin efectul de reacţiune.

Compre Figura 1.9. Secţiune transversală prin turbina cu gaze cu un singur arbore.

20

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

Elementele componente ale unei tubine cu gaze cu un singur arbore sunt redate în figura 1.9. Larga utilizare a turbinelor cu gaze în aviaţie, se datoreşte avantajelor considerabile pe care le prezintă în comparaţie cu motoarele cu ardere internă cu piston: - turaţie ridicată, cuprinsă în general între 115...270 [rot/s], ceea ce a permis realizarea unor motoare cu o masă pe unitatea de putere mică: circa 0,124 kg/kW; - posibilitate de a realiza puteri mari; - rezistenţă frontală redusă din cauza formei alungite; - lipsa vibraţiilor de joasă frecvenţă; funcţionarea cu combustibili lichizi inferiori (petrol). Turbinele cu gaze utilizate pe nave derivă din punct de vedere constructiv din turbinele cu gaze folosite în aviaţie. Figura 1.10 redă o secţiune printr-o turbină cu gaze navalizată cu doi arbori, compactă cu reductor, iar fig.1.11 un sistem de propulsie cu turbine cu gaze cu doi arbori port elice.

Figura 1.10. Sectiune transversală prin turbina cu gaze navalizată cu doi arbori.

Navele militare utilizează instalaţii de forţă compacte cu cerinţe minime în procesul de exploatare, care le asigură o rază de acţiune mare şi posibilităţi largi de manevră. În plus, instalaţiilor de forţă care echipează navele militare li se impune o economicitate maximă pe timpul marşului obişnuit, aşa-zisul marş economic, întrucât cea mai mare parte a drumului este parcursă de navă cu instalaţia de forţă în regim de sarcină parţială. Or, în această situaţie se ştie că o reducere foarte mică a vitezei de deplasare conduce la scăderea simţitoare a puterii transmise la elice. De exemplu, când viteza de deplasare se reduce cu 30% din viteza maximă, puterea transmisă la elice scade cu 50%, iar când viteza scade cu 40%, puterea se micşorează la 25 %. Marşul cu viteză maximă (la care instalaţia de forţă trebuie să dezvolte întreaga sa putere) nu este executat atât de frecvent

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice21

ca marşul economic. Pe navele militare turbinele cu gaze se utilizează fie ca instalaţii de forţa, fie ca instalaţii de bază.

Figura 1.11 Sistem de propulsie cu turbine cu gaze cu doi arbori portelice.

La navele comerciale soluţia constructivă este aleasă după alte criterii. Astfel, pentru aceste nave devin majore economicitatea maximă în investiţii şi costul redus de exploatare a instalaţiei de putere. Din această cauză, turbinele sunt folosite în acest caz numai ca instalaţii de bază. Când sunt utilizate ca instalaţii de forţa turbinele cu gaze sunt simple şi nu au recuperatoare de căldură (deoarece importanţa hotărâtoare o are concentraţia de putere şi nu economicitatea). Instalaţiile de putere de bază realizate cu turbine cu gaze utilizează scheme complexe în compunerea cărora intră recuperatoare de căldură sau generatoare de gaze sub forma unor motoare cu pistoane libere. Instalaţii pentru forţaj. Destinaţia lor arată că acest tip de turbină trebuie să dezvolte puteri mari, care să permită navei să se deplaseze cu viteze maxime. Din această cauză, cu toate că funcţionează ocazional şi pentru un timp relativ scurt la putere maximă, ele au o durată de exploatare destul de mică, până la 1000 de ore. În schemele turbinelor cu gaze de forţa de acest tip pot fi recunoscute numeroase elemente din principalele dispozitive ale motoarelor cu reacţie din aviaţie. Iniţial, instalaţiile de forţă cu turbină cu gaze au substituit unul sau două din motoarele cu aprindere prin comprimare ale instalaţiei de forţă de bază. Turbinele cu gaze folosite la început ca instalaţii de forţaj aveau următoarele caracteristici: - puterea 2 500 CP; temperatura gazelor 750 oC; raportul presiunilor, n 3,5; - consumul de combustibil — 410 g/CPh;

G

22

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

- turaţia turbinei compresorului 7 400 rot./min.; - turaţia turbinei de tracţiune 3 600 rot./min.; - durata de obţinere a puterii maxime 135 min; - durata de exploatare 300 ore. După aproximativ 1/3 din durata de exploatare, s-a constatat că puterea motorului scăzuse cu circa 15%; acest fapt se datora depunerilor de sare pe paletele compresorului. De aceea motoarele de acest tip au fost prevăzute cu dispozitive de purificare a aerului şi pentru curăţirea paletelor. Pentru spălarea compresorului, care se făcea după 3—12 ore de funcţionare şi dura 3—5 minute, se consumau aproximativ 50 litri de apă distilată. Totodată trebuie menţionat că zgomotele provocate de turbina cu gaze erau foarte mari (peste 120 decibeli); prin instalarea unor mijloace de amortizare a zgomotelor la aspiraţia în compresor, acestea au scăzut (până la 40 decibeli). Perfecţionarea întregului traiect de scurgere a gazelor, ca şi sporirea temperaturii au permis reducerea consumului de combustibil până la aproximativ 280 g/CPh. De la folosirea primelor turbine cu gaze ca instalaţii de forţaj şi până în prezent puterea acestora a crescut continuu. Astfel, dacă prima turbină cu gaze pentru forţaj avea puterea de 2 500 CP, ultimele turbine utilizate în acest scop au puterea de 25 000 CP. Instalaţii de bază cu turbină cu gaze Sunt construcţii în general mai complicate, prevăzute cu dispozitive de recuperare a căldurii, de comprimare a aerului în mai multe trepte şi cu răcire intermediară, cu destindere a gazelor în mai multe trepte (uneori cu aporturi suplimentare de căldură).

5 6

Figura 5. Secţiune longitudinală prin sistemul de propulsie naval. l — compresor axial: 2 şi 4 - răcitor; 3 - compresor centrifugal: 5 - recuperator; 6 ventil pentru scurtcircuitarea recuperatorului; 7 - ejector care asigură circulaţia aerului pentru

1

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice23 răcire; 8 - camere de ardere: 9 - turbină de joasă presiune: W - turbină de forţă; 11 - turbină de înaltă presiune; 12 şi 13 - răcitor.

O instalaţie de bază cu turbină cu gaze este prezentată în schema din fig. 5. După cum se poate observa pe figură, motorul are trei arbori. Aerul este comprimat în trei trepte (un compresor axial şi două compresoare centrifugale) şi se răceşte la ieşirea din fiecare compresor. Instalaţia are o singură cameră de ardere şi utilizează căldura gazelor arse prin intermediul unui recuperator cu ţevi; destinderea gazelor se face în trei turbine. Turbina de înaltă presiune antrenează compresoarele de medie şi înaltă presiune, turbina de presiune medie este folosită pentru tracţiune, iar turbina de joasă presiune antrenează compresorul de joasă presiune. Principalele caracteristici ale motorului din fig. 5 sunt următoarele: - puterea 5 400 CP; - temperatura gazelor 827°C; - raportul presiunilor, Jt - 18,5; - consumul specific de combustibil 295 g/CPh; - turaţia turbinei de joasă presiune 7 180 rot./min.; - turaţia turbinei de medie presiune11 000 rot./min.; - turaţia turbinei de înaltă presiune 15 000 rot./min.; - randamentul compresoarelor 0,80—0,82; - randamentul turbinelor 0,85—0,885; - durata de exploatare l 000 ore. Motorul poate fi pornit în 30 secunde şi intră în regimul de plină sarcină după un minut. Consumul de combustibil se păstrează aproximativ constant într-un domeniu larg de variaţie a sarcinii. O construcţie interesantă este instalaţia de bază cu turbină cu gaze prezentată în fig. 6. Instalaţia funcţionează la orice regim şi are două motoare identice. După cum se poate observa pe schemă, motorul este de tipul cu doi arbori, cu compresia aerului în două trepte şi cu răcire intermediară. Turbina de înaltă presiune antrenează compresorul de înaltă presiune, turbina de joasă presiune antrenează atât compresorul de joasă presiune, cit şi sistemul de propulsie al navei (printr-un reductor). Principalele caracteristici ale motorului sunt; - puterea 6 500 CP; - temperatura gazelor 750 oC; - raportul presiunilor, n 9; consumul de combustibil 225 g/CPh; - turaţia turbinelor 7 040 rot./min.; - coeficient de recuperare — 77%. Pentru îmbunătăţirea randamentului instalaţiilor de bază folosite pe nave s-au conceput şi se utilizează motoare realizate cu turbine cu generatoare de gaze sub forma motoarelor cu pistoane libere, în afara faptului că aceste motoare au un randament bun, utilizarea lor este recomandată şi de faptul că temperatura gazelor arse este mai scăzută, ceea ce simplifică mult construcţia rotorului şi a paletelor turbinei. Motorul unei astfel de

24

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

instalaţii are doua turbine cu gaze, alimentate cu gazele de evacuare furnizate de şase motoare cu pistoane libere. Principalele caracteristici ale motoarelor sunt: puterea 3 000

4

5

1

8

6 3

7

Spre elice 2

Figura 6. l - compresor de joasă presiune; 2 - răcitor; 3 - compresor de înaltă presiune; 4 - recuperator; 5 - cameră de ardere;6 - turbină de înaltă presiune;7 - turbină de joasă presiune; 8 – reductor.

CP; temperatura gazelor 440 - 450°C; presiunea gazelor 3 bar/cm2; consum specific de combustibil 187 g/CPh. Turbina cu gaze are o construcţie specială; ea este prevăzută în acelaşi bloc cu 6 etaje de mers înainte şi două etaje de mers înapoi. In funcţie de necesităţi, printr-o comandă simplă, se închide traiectul gazelor spre turbina de mers înainte şi se deschide traiectul de antrenare a turbinei de mers înapoi (la mersul înapoi puterea motorului este de l 000 CP). Generatoarele de gaze arse funcţionează după ciclul motoarelor cu aprindere prin comprimare în doi timpi. Numărul de generatoare de gaze (motoare cu pistoane libere) aflate în funcţionare este determinat de puterea cerută pentru deplasarea navei. Din cele prezentate se pot trage următoarele concluzii cu privire la perspectivele utilizării turbinelor cu gaze în domeniul navelor maritime şi fluviale. Motoarele realizate după schemele cele mai simple (cu un singur arbore şi fără recuperare de căldură), deşi prezintă avantaje deosebite din punctul de vedere al construcţiei, gabaritului, greutăţii, pornirii şi punerii imediate în sarcină, nu pot fi utilizate cu succes pentru tracţiune, deoarece au caracteristici nefavorabile de funcţionare. Cu toate acestea, ele se folosesc pe scară largă în grupurile de forţă auxiliare (de pe nave maritime) care trebuie puse

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice25

rapid în funcţiune şi lucrează cu intermitenţă, aşa cum este cazul grupurilor electrogene. Turbinele cu gaze cu un singur arbore şi cu recuperare de căldură pot fi utilizate ca instalaţii de forţă pentru tracţiune, numai dacă transmisia maşinilor este electrică; în acest caz turbina antrenează un generator electric, iar propulsia este asigurată cu ajutorul unor motoare electrice care au o foarte bună caracteristică de tracţiune. Sub această formă turbina cu gaze este folosită deja cu succes in domeniul tracţiunii navale. Turbinele cu gaze cu doi arbori şi fără recuperare de căldură prezintă avantaje remarcabile din punct de vedere constructiv, permit obţinerea unor puteri mari la dimensiuni de gabarit şi greutăţi reduse, pot fi pornite uşor şi puse imediat în sarcină şi au o bună caracteristică de tracţiune; cu toate aceste avantaje, ele au încă un randament scăzut şi funcţionează neeconomic la sarcini parţiale. Din această cauză, turbinele cu gaze cu doi arbori se utilizează doar ca instalaţii de forţaj pe diferite tipuri de nave militare şi maşini amfibii, unde sunt folosite la sarcina maximă. Turbinele cu gaze cu doi arbori şi cu recuperare de căldură nu prezintă principalul dezavantaj al turbinelor amintite mai sus (economicitate redusă), dar sunt într-o oarecare măsură mai complicate. Prin perfecţionările aduse elementelor de bază ale motorului (aparat director reglabil pentru turbină şi chiar pentru compresor, recuperator regenerativ şi altele) s-a ajuns ca economicitatea acestor tipuri de motoare să fie superioară motoarelor termice. Cum turbinele cu gaze prezintă şi avantajul că pot funcţiona cu orice fel de combustibil lichid, rezultă că această soluţie prezintă un interes practic pentru folosirea lor pe sisteme militare şi maşini de luptă, pe locomotive şi pe navele maritime. Turbinele cu gaze cu ciclu complex de funcţionare (cu comprimarea aerului în mai multe trepte şi răcirea lui intermediară, precum şi cu destinderea gazelor în mai multe trepte cu aporturi suplimentare de căldură) au un consum de combustibil apropiat de cel motoarelor cu aprindere prin comprimare. Cu toate că la această soluţie se pierde şi mai mult din avantajul simplităţii constructive, motoarele realizate sunt totuşi mai simple decât motoarele cu aprindere prin comprimare. Din această cauză se consideră că prin folosirea ciclului complex de funcţionare turbina cu gaze de acest tip poate deveni un competitor serios al motoarelor clasice. Turbinele cu gaze care utilizează drept generator de gaze arse motoarele cu pistoane libere se bucură de o serie de avantaje. Astfel, ele au randamente ridicate, comparabile cu acelea ale motoarelor cu aprindere prin comprimare şi, ceea ce este deosebit de important, îşi păstrează aceste randamente chiar şi pe timpul funcţionării la sarcini parţiale. De asemenea, ele nu impun folosirea unor materiale prea pretenţioase pentru construcţia paletelor turbinei. Cu toate acestea, este de reţinut faptul că instalaţia se complică foarte mult. Utilizarea prafului de cărbune drept combustibil pentru funcţionarea turbinei cu gaze prezintă incontestabil interes practic. Cu toate că în prezent pentru realizarea turbinelor care lucrează cu combustibilul solid (praf de cărbune) se mai întâmpină unele greutăţi constructive, specialiştii apreciază că ele vor putea fi înlăturate, creându-se astfel posibilitatea extinderii substanţiale a turbinelor cu gaze in domeniul transporturilor navale.

26

Corneliu Moroianu – Sisteme navale de propulsie cu abur şi gaze

Stadiul actual de dezvoltare a diferitelor tipuri de turbine cu gaze şi perspectivele de îmbunătăţire a caracteristicilor de funcţionare permit să se aprecieze că într-un viitor apropiat ele vor căpăta o extindere şi mai mare, şi în unele situaţii vor fi de neînlocuit. Turbina cu gaze în circuit închis (fig. 7 ) foloseşte drept agent motor fie aerul sub presiune, încălzit într-un schimbător de căldură de suprafaţă c de la gazele obţinute prin arderea cărbunelui într-un focar, fie heliul folosit ca mediu de răcire al unui reactor de înaltă temperatură. Gazul evacuat din turbină este trecut printr-un recuperator b, unde cedează căldura lui gazului refulat de compresorul axial a, antrenat de turbina d. înainte de a fi aspirat de compresor gazul este răcit cu apă într-un schimbător de căldură e.

Figura 7. Turbina cu gaze în circuit închis.

Turbina funcţionând în circuit închis, presiunea minimă din circuit (în conducta de aspiraţie a compresorului) se poate menţine la o valoare mai ridicată ca cea atmosferică, ceea ce duce la ridicarea presiunii medii din întregul circuit şi deci la micşorarea debitelor volumice de gaz, la micşorarea secţiunilor de curgere şi la îmbunătăţirea coeficienţilor de trecere a căldurii din schimbătoarele de căldură. Agregatele turbină - compresor se pot executa într-un singur corp, sau în mai multe corpuri. Ele se pot monta cu arborii pe una sau mai multe linii. Turbinele cu heliu asigură o transformare deosebit de avantajoasă a energiei primare în energie termică şi electrică, randamentul lor termic efectiv putând depăşi 80%. Se aşteaptă ca în viitorul apropiat turbinele cu heliu utilizate în CNE să atingă o putere de 1000 MW. Spre deosebire de turbinele cu abur, la care modificarea regimului de funcţionare în procesul de reglare se obţine prin varierea debitului agentului motor şi a căderii de entalpie disponibilă cu ajutorul ventilelor de admisie, debitul de abur al cazanului adaptându-se în anumite limite după debitul consumat le turbină, la turbinele cu gaze, la care nu există posibilitatea de acumulare a agentului motor, reglarea nu se face prin ventile de admisie, ci prin modificarea fluxului de căldură introdus în circuit. Turbinele cu gaze trebuie să fie prevăzute cu un sistem de reglare, cu o instalaţie de ungere, o instalaţie de alimentare cu combustibil şi cu m circuit de răcire. La acestea se adaugă, evident, aparatele de măsurare şi control necesare supravegherii bunei funcţionari a întregii instalaţii.

Principiul de funcţionare al turbomaşinilor termice27