1. Treapta Curtis: construcţie, performanţe, utilizare.

Treapta Curtis este alcătuită dintr-un şir de ajutaje convergent-divergente urmat de două până la patru şiruri de palete mobile montate pe acelaşi disc; între şirurile de palete mobile sunt intercalate palete fixe (redresoare), care readuc aburul în palete sub un unghi favorabil. Treapta a fost inventată în anul 1897 de către americanul C.G. Curtis, ca treaptă cu acţiune. Astăzi, pentru a asigura o uşoară creştere a randamentului, treapta se construieşte cu reacţiune scăzută. Gradul total de reacţiune, ( ) 0,150 ÷= ρ , se distribuie progresiv crescător pe paletele mobile şi fixe. În acest caz raportul optim de viteze ia forma generală:

Căderea de entalpie pe treaptă este foarte mare, fiind proporţională cu pătratul numărului de palete mobile 2 iH tr ≈ . Prin destinderea în ajutajele convergent - divergente viteza aburului creşte foarte mult, Mach = 2-3, iar apoi scade în trepte în paletele mobile (de aici denumirea trepte de viteze). Din păcate însă pe măsură ce creşte numărul paletelor mobile şi în consecinţă căderea pe treaptă, randamentul scade, fapt arătat în (fig.1.6). Din acest motiv cea mai utilizată este treapta cu două rânduri de palete mobil. Pentru această treaptă căderea de entalpie este de circa ( )kJ/kg 360160 ÷=trH , excepţional până la 500 kJ/kg, randamentul intern fiind ( ) 0,620,50 ÷=i η . Puterea maximă care se poate obţine cu o turbină cu o treaptă Curtis este de circa 3 MW, fiind utilizată atât pentru antrenarea de generatoare electrice, cât şi a altor maşini.

Treapta Curtis este utilizată îndeosebi ca treaptă de reglare la turbinele cu abur cu puteri mici şi medii, până în 200 MW. De asemenea utilizând una sau mai multe trepte Curtis, se pot construi turbine ieftine, cu gabarit redus, elastice în exploatare, dar cu randament coborât.

2. Turbine cu abur cu mai multe trepte: tipuri constructive, caracteristici funcţionale şi constructive.

Majoritatea turbinelor existente astăzi sunt turbine axiale cu mai multe trepte, în două soluţii constructive majore:

- turbine cu acţiune şi reacţiune redusă (turbine cu rotor cu discuri)

- turbine cu reacţiune ridicată (turbine cu rotor tambur).

Diferenţele constructive esenţiale între cele două tipuri de turbine constau în forma rotorului şi modul de fixare al ajutajelor şi paletelor.

La turbina cu rotor cu discuri paletele sunt prinse la periferia discurilor rotorului, iar ajutajele sunt fixate în pereţi statorici despărţitori numiţi diafragme. Turbina cu reacţiune ridicată are rotorul de forma unui corp de revoluţie tronconic sau cilindric, nu mit tambur, pe a cărui suprafaţă continuă sunt prinse paletele; ajutajele sunt prinse direct în stator.

Ambele tipuri constructive de turbine prezintă avantaje şi dezavantaje. Astfel turbinele cu reacţiune şi rotor tambur au randamentul uşor mai bun, dar au un număr mai mare de trepte şi necesită o precizie de fabricaţie mai mare. În actualul stadiu de dezvoltare a turbinelor cu abur diferenţele de eficienţă şi de cost dintre cele două tipuri constructive s-au atenuat, opţiunea pentru unul sau altul dintre ele fiind legată mai mult de tradiţie, reflectată în experienţa şi procesul tehnologic de fabricaţie.

3. Turbine cu abur cu treaptă de reglare; necesitatea treptei de reglare, consecinţele utilizării treptei Curtis ca treaptă de reglare.

Turbine cu treaptă de reglare Ori de câte ori admisia este parţială sau reglarea se face prin admisie (acţionarea succesivă a ventilelor de reglare şi astfel punerea succesiv în funcţiune a sectoarelor de admisie) se impune construcţia turbinei cu treaptă de reglare. Treapta de reglare este prima treaptă a turbinei, care preia şocurile date de admisia parţială, şocuri mecanice şi termice date de neuniformitatea parametrilor şi a debitului de abur. Starea de solicitări în paletele treptei de reglare este intensă şi variabilă, fiind puternic supuse la oboseală; în consecinţă construcţia lor este robustă, având o lăţime mai mare decât a paletelor obişnuite. Pentru ca aceste neuniformităţi să nu se propage şi la celelalte trepte ale turbinei, după treapta de reglare se prevede un spaţiu mai larg, numit cameră de reglare, în care debitul de abur şi parametrii acestuia se uniformizează pe circumferinţă, admisia în prima treaptă de presiune fiind totală. Treapta de reglare poate fi de tip Rateau, cu un singur rând de palete mobile, sau Curtis, cu mai multe şiruri de palete mobile, obişnuit două. Utilizarea treptei de reglare de tip Rateau aduce avantajul unui randament mai bun, dar datorită căderii mici de entalpie pe treaptă, creşte numărul de trepte al turbinei.

În concluzie utilizarea treptei de reglare Curtis conduce la o turbină mai ieftină, de gabarit redus, mai uşoară, elastică în exploatare. Principalul dezavantaj îl constituie randamentul scăzut care, în condiţiile în care o mare parte din căderea totală de entalpie este prelucrată în această treaptă, afectează negativ randamentul întregii turbine. Din acest motiv treapta Curtis este utilizată ca treaptă de reglare numai la turbinele de puteri mici şi mijlocii.

4. Caracteristicile turbinelor cu rotor tambur.

Turbinele cu rotor tambur sunt turbine cu grad mare de reacţiune de la prima până la ultima treaptă. În cazul în care toate treptele au gradul de reacţiune 0,5 = ρ profilele ajutajelor şi paletelor sunt identice. Ajutajele sunt denumite palete statorice şi sunt fixate direct în stator, denumit stator paletat. Gradul mare de reacţiune duce la scăderea căderii de entalpie pe treaptă şi în consecinţă turbinele cu rotor tambur au un număr mare de trepte, aproape dublu, faţă de turbinele cu rotor cu discuri. Curgerea în palete se face sub efectul diferenţei de presiune, situaţie în care pierderile de energie în treaptă datorate scăpărilor de fluid peste vârful paletelor, atât statorice cât şi rotorice, sunt considerabil mai mari. Pe ansamblu însă aceste turbine au un randament uşor mai ridicat. Datorită destinderii aburului în palete diferenţa de presiune între secţiunea de intrare şi de ieşire din palete este mare şi ca urmare asupra lor se exercită o forţă de presiune considerabilă. Pentru a diminua această forţă de presiune s-au luat o serie de măsuri: în primul râd s-a renunţat la discuri, apoi s-a prevăzut un piston de echilibrare, iar

când este posibil curgerea se organizează în fluxuri opuse. Pistonul de echilibrare este un element constructiv specific turbinelor cu reacţiune, dar şi altor turbomaşini (compresoare, pompe, suflante), fiind destinat diminuării forţei axiale care acţionează asupra rotorului, orientată dinspre intrarea spre ieşirea din turbină. El constă într-o zonă de diametru mare a rotorului, prevăzută cu un număr mare de trepte de labirinţi, în care presiunea fluidului de lucru scade. Astfel pe feţele frontale ale pistonului acţionează presiuni mult diferite, care produc o forţă axială de sens opus forţei axiale normale. Pentru a asigura existenţa diferenţei de presiune în orice condiţii de funcţionare, esenţială pentru siguranţa lagărului axial şi implicit a turbinei, zona de presiune coborâtă a pistonului se leagă printr-o conductă la o regiune de joasă presiune a turbinei, de obicei la o priză sau chiar la evacuare. Rotorul tambur are forma de trunchi de con, cilindrică sau combinaţii ale celor două forme; de cele mai multe ori pentru a nu creşte exagerat diametrul mediu al ultimelor trepte, partea finală a rotorului, dinspre evacuare, este de formă cilindrică. Turbinele cu reacţiune au obligatoriu admisie totală. În cazul în care este necesară prevederea unei trepte de reglare, acesta va fi o treaptă cu acţiune sau reacţiune redusă de tip Rateau (fig. 1.14) sau Curtis.

5. Palete lungi: necesitatea utilizării paletelor lungi, limite, necesitatea profilării spaţiale, forma profilelor în lungul paletei, variaţia gradului de reacţiune în lungul paletelor, lungimi maxime de palete

Paleta lungă este un element constructiv esenţial al turbinelor moderne cu abur de mare putere. Necesitatea unor secţiuni mari de curgere la ieşirea din turbină impune utilizarea unor palete cât mai lungi, plasate la diametre medii cât mai mari. Dacă lungimea minimă a unei palete trebuie să fie de circa (8 ÷ 10) mm, valoare impusă de necesitatea de a menţine pierderile de energie în limite acceptabile, în schimb lungimea maximă este dependentă de rezistenţa materialului. Pentru a menţine starea de solicitări mecanice, indusă de forţa centrifugă şi de forţa de impuls a fluidului de lucru, în limite admisibile, paletele a căror lungime depăşeşte circa 20% din diametrul mediu trebuie subţiate spre vârf (fig. 1.22). Chiar şi în condiţiile subţierii paletei, pentru a nu depăşi eforturile admisibile raportul l/d este limitat la maxim (0,33 ÷0,42).

Răsucirea paletei (profilarea spaţială) se explică dacă ţinem seama de două aspecte: - curgerea radială pronunţată; - variaţia vitezei periferice în lungul paletei; La paletele scurte curgerea poate fi considerată plan paralelă şi ca urmare parametrii fluxului de fluid rămân neschimbaţi de la baza la vârful paletei. În cazul paletelor lungi curgerea trebuie tratată tridimensional, şi pentru ca fluidul să nu fie centrifugat se pune condiţia de echilibru radial. Această condiţie duce la necesitatea creşterii gradului de reacţiune de la baza spre vârful paletei. Datorită variaţiei gradului de reacţiune în lungul paletei destinderea în ajutaje este inegală, fiind mai mare în secţiunea de bază; ca urmare în palete apare o diferenţă statică de presiune orientată de la vârf spre bază (fig. 1.23). Între forţele de presiune şi forţele centrifuge se stabileşte un echilibru radial, care se opune centrifugării fluidului. Fluidul de lucru este menţinut astfel în canalul dintre palete, diminuând pierderile prin scăpări de debit peste vârful paletelor. Dar gradul de reacţiune nu este singura mărime variabilă în lungul paletelor. Variaţia vitezei periferice atrage după sine o schimbare a diagramei de viteze, cu modificarea raportului optim de viteze şi a formei profilului. În concluzie paletele lungi sunt subţiate spre vârf şi răsucite spaţial; profilul paletelor lungi variază de la

bază spre vârf astfel: profil de acţiune la bază, de reacţiune la mijloc şi de aripă portantă la vârf (fig. 1.24).

6. Puterea maximă pe flux la turbinele cu abur: limite, puterea maximă pe flux, căi de creştere a puterii maxime pe flux, turbine cu fluxuri multiple.

Puterea maximă care se poate obţine în cazul unei turbine cu abur cu condensaţie cu un singur flux este determinată de parametrii geometrici şi cinematici ai ultimei trepte. Limitativă pentru puterea turbinei este secţiunea de evacuare din turbină, respectiv secţiunea de ieşire din ultima treaptă. În continuare mărimile referitoare la această secţiune, la diametrul mediu, vor fi notate după cerinţe cu indicele inferior 2 (ieşire din treaptă) sau c (condensator). Puterea turbinei se poate exprima funcţie de debitul de abur evacuat la condensator cu relaţia:

Puterea pe flux

Înlocuind relaţiile (1.27) şi (1.25) în (1.26) se obţine expresia puterii pe flux:

Căi de creştere a puterii maxime pe flux

a) reducerea turaţiei Scăderea turaţiei de la 3000 rot/min la 1500 rot/min este soluţia cea mai eficientă de creştere a puterii pe flux. Soluţia este utilizată îndeosebi la turbinele nucleare cu puteri mai mari de 700 MW cu observaţia că limita la care trebuie micşorată turaţia a crescut astăzi la circa 1000 MW. Reducerea turaţiei are însă şi consecinţe negative: scăderea căderii de entalpie pe treaptă şi creşterea numărului de trepte, creşterea gabaritului turbinei şi a greutăţii acesteia (diametrul mediu al treptelor creşte în raportul 1,7 iar volumul turbinei creşte de 3÷4 ori).

b) Înlocuirea materialului ultimei palete Paletele ultimei trepte se fabrică în mod obişnuit din oţel inoxidabil, înalt aliat cu crom, a cărui densitate este de circa 7600 kg/m3, iar efortul admisibil la tracţiune ( )MPa 540450 ÷=at σ . Înlocuirea oţelului inoxidabil cu un aliaj de titan a cărui densitate este mult mai mică (circa 4500 kg/m3) a făcut posibilă creşterea lungimii paletelor 1200 mm, la turaţia de 3000 rot/min. Creşterea lungimii paletelor este însoţită însă de numeroase probleme legate de profilare, de comportarea la vibraţii, de creşterea solicitărilor la încovoiere sub acţiune forţei de impuls a aburului şi de comportarea la eroziune.

c) Modificarea parametrilor ciclului termic Utilizarea unui circuit regenerativ dezvoltat, pe lângă efectul pozitiv asupra randamentului ciclului termic, permite creşterea puterii pe flux a turbinei. Evident vor creşte complexitatea şi costul instalaţiei. Reducerea volumului specific la condensator prin creşterea

presiunii de condensare prezintă două implicaţii negative majore: scăderea randamentului termic al ciclului termic şi creşterea solicitării la încovoiere a paletelor datorită creşterii debitului de abur pe flux.

d) Creşterea vitezei la evacuare În condiţiile în care rămâne mai mică decât viteza sunetului, o creştere a vitezei la evacuare care să ducă la creşterea de 1,5 ori a pierderilor cu energia cinetică duce la o creştere a puterii pe flux de 1,22 ori şi la o scădere a randamentului instalaţiilor clasice cu 0,7 % şi al instalaţiilor nucleare cu 0,3 % . Creşterea vitezei peste viteza sunetului nu este recomandată deoarece duce la pierderi suplimentare de energie, o parte din destinderea aburului efectuându-se în afara ultimei trepte fără a produce efect util.

e) Utilizarea de palete Baumann Paletele inventate de K. Baumann reprezintă o soluţie constructivă aplicată la ultimele 2 treapte ale turbinei, prin care fluxul de abur se separă printr-o suprafaţă cilindrică intermediară, între secţiunile de bază şi vârf (fig. 1.28). Pe lângă problemele legate de dimensionarea paletelor ultimei trepte, soluţia Baumann rezolvă şi problema reducerii umidităţii. Astfel, debitul de abur bogat în umiditate care circulă prin zona periferică este evacuat la condensator, iar debitul care circulă prin zona centrală se destinde mai departe în ultima treaptă. Puterea turbinei poate creşte de până la 1,5 ori , dar pierderile cu energia cinetică la evacuare se dublează. În acelaşi timp apar dificultăţi legate de tehnologia de fabricaţie a paletelor şi de comportarea acestora la vibraţii.

Soluţia pentru a obţine puteri mari este de a construi turbinele cu abur cu fluxuri multiple la evacuare. Pentru o bună echilibrare axială numărul acestor fluxuri, respectiv al secţiunilor de evacuare, trebuie să fie par fiind realizate cu corpuri de joasă presiune dublu flux. Sunt soluţii însă de echilibrare axială şi pentru un număr impar de secţiuni de evacuare, prin dispunerea raţională a fluxurilor celorlalte corpuri ale turbinei.

7. Efectele temperaturii asupra materialelor utilizate la fabricarea turbinelor termice;

Regimul de temperaturi în turbină

Temperatura scade în lungul turbinei corespunzător destinderii fluidului de lucru. Temperaturile maxime se înregistrează în regiunea de intrare şi la primele trepte.

Influenţa asupra caracteristicilor mecanice ale materialelor

Temperaturile ridicate reduc caracteristicile mecanice ale materialelor. Spre ex. pentru oţeluri efortul de curgere şi modulul de elasticitate scad continuu cu temperatura, rezistenţa la rupere creşte uşor până la 240 C, apoi scade iar peste 450 0C scade puternic.

8. Explicati fenomenele de fluaj si de relaxare a materialelor;

Fenomenul de fluaj constă în deformarea plastică lentă în timp a pieselor metalice supuse la solicitări mecanice continui şi la temperaturi ridicate. Fenomenul de fluaj se explică prin recristalizarea materialeor. La temperaturi scăzute, sub acţiunea eforturilor mecanice cristalele metalice se desfac şi

alunecă unele pe altele până când sfărâmăturile de cristale împiedică alunecarea acţionând ca nişte pene între planurile de alunecare. La creşterea temperaturii atomii îşi măresc mobilitatea şi se reface reţeaua cristalină, iar alunecarea cristalelor nu mai este împiedicată. Ca urmare, la temperaturi mai mari decât limita de recristalizare deformarea plastică a materialului continuă, fenomen cunoscut sub denumirea de fluaj.

Relaxarea

Relaxarea este scăderea în timp a eforturilor dintr-o piesă, ca o consecinţă a fluajului. De ex. relaxarea elementelor de asamblare, respectiv a şuruburilor sau a prezoanelor. Slăbirea strângerilor se datorează deformării plastice a elementelor de strângere ca urmare a fluajului. Pe măsură ce creşte alungirea elementelor de strângere (asamblare) efortul mecanic scade şi fluajul se diminuează, deformarea devenind stabilă la o anumită valoare. În urma relaxării materialului forţa de strângere scade şi etanşarea se pierde.

9. De ce este necesară încălzirea progresivă a turbinelor cu abur la pornire şi răcirea lentă la oprire;

Incalzirea progresiva a turbinelor cu abur la pornire si racirea lenta la oprire se realizeaza pentru a diminua aparitia fenomenul de “oboseala” termica.

Tensiunile termice depind esenţial de diferenţele de temperatură din masa piesei, între suprafeţele interioară şi exterioară (ex. carcasa, corpul ventilelor) sau dintre suprafaţa piesei şi fibra sa medie (ex. rotorul, paletele), de grosimea materialului şi de caracteristicile termice ale acestuia.

10. Explicati diferenta dintre timpul de pornire al unei turbine cu abur si al unei turbine cu gaze;