turbine a vapore - universita' di firenze

UNIVERSITA’ DI FIRENZEFacoltà di Ingegneria

Pag. 1 Turbine a vapore

Dipartimento di Energetica “S.Stecco”Sezione di Macchine, corso di Macchine A-L, AA 2003-2004, Prof. Andrea Arnone

è Versione: 1.10.00

è Ultimo aggiornamento: 2 Ottobre 2003

è Realizzato da: Arnone, Rubechini

Turbine a vapore




èCaratteristiche del vapore

èCampi di applicazione

èCaratteristiche costruttive

èTipologia di turbine

èEsempi

è Lavoro e salti entalpici

èTipologia di stadi

èTurbina monostadio

èTurbine multistadio

èSoluzioni costruttive

èRegolazione

Indice




Caratteristiche del vapore - 1

Parametri critici dell'acqua

(IAPWS)

§ Tc = 647.096 K

§ pc = 22.064 MPa

§ ρc = 322 kg m-3

• impianti subcritici

• impianti supercritici




Caratteristiche del vapore - 2

ZONA DI INTERESSE PERLE TURBINE A VAPORE




Il compito di una turbina a vapore è quello di trasformare in energia meccanica l’energia contenuta nel vapor d’acqua sotto forma di energia termica e di pressione.

• Impianti termoelettrici: le turbine a vapore sono largamente utilizzate negli impianti

termoelettrici per produrre grandi potenze (150 ÷ 1200 MW).

Caratteristiche degli impianti modulari ENEL

subcritico

supercritico

Campi di applicazione - 1




Campi di applicazione - 2

Tendenza circa le condizioni del vapore negli impianti termoelettrici in Giappone

• Impianti termoelettrici (segue)




Campi di applicazione - 3• Impianti termonucleari: impianti subcritici con grandi portate (1200 ÷ 1600 MW).

• Impianti di generazione per stabilimenti industriali: turbine fino a 150 MW sono spesso

utilizzate per alimentare stabilimenti industriali in zone dove la rete non è presente o è insufficiente a

soddisfare il fabbisogno elettrico.

• Impianti di cogenerazione: cicli tradizionali o combinati per la produzione di energia e calore, nei

quali la turbina è collegata ad un alternatore e, contemporaneamente, spillamenti di vapore sono usati

per alimentare reti di riscaldamento o fornire vapore di processo.

• Azionamenti di pompe e compressori: turbine a vapore sono spesso utilizzate per azionare

pompe di alimentazione, compressori o soffianti in tutti i casi in cui le macchine motrice e operatrice

richiedano la stessa velocità di rotazione.

• Propulsione marina: turbine a condensazione collegate alle eliche tramite riduttori.

Principali produttori

• Potenze < 1500 MW: Westinghouse, ABB, Brown Boveri, Alstom, Elliott, AEG-Kanis, Dresser Rand.

• Potenze > 1500 MW: GE, Toshiba, Mitsubishi, Siemens.




Tranne casi particolari, le turbine a vapore sono macchine con molti stadi, in modo tale da limitare le velocità periferiche e le dimensioni degli organi in rapporto alla potenza prodotta.

Caratteristiche costruttive - 1




Si utilizzano diversi corpi di turbina: AP, MP, BP

• per motivi strutturali legati alla dilatazione termica, alla rigidezza dell'albero e al bilanciamento delle spinte assiali.

• per motivi fluidodinamici legati alla tipologia delle palettature e alla variazione di volume specifico.

Le dimensioni tipiche dei componenti sono superiori rispetto a quelle delle turbine a gas.


Esempi di

statore e rotore

di una turbina

di bassa

pressione





Gli stadi di bassa pressione (BP) sono caratterizzati da forti variazioni di densità e presentano pertanto uno sviluppo tridimensionale accentuato. Le pale degli ultimi stadi hanno elevati rapporti altezza/corda (aspect ratio).

Vista di un corpo di bassa pressione

Gli stadi di alta pressione (AP) elaborano vapore ad alta densità e presentano geometrie tipicamente assiali. Le pale hanno scarso sviluppo tridimensionale.

Vista di un corpo di alta pressione





Gli elementi meccanici che costituiscono ogni stadio devono essere realizzati in modo tale da minimizzare tutte le possibili fonti di perdita.

Il vapore che trafila attraverso le tenute fra organi fissi e mobili causa una perdita di rendimento in quanto non contribuisce allo scambio energetico.

In uno stadio AP, oltre il 30%delle perdite di stadio puòessere costituito dalle perdite per trafilamento (leakage); fra queste, la più rilevante è la perdita per tip leakage (∼20% )

Stadio di turbina a vapore (AP)




Tipologia di turbine

• Contropressione

• Condensazione

• Risurriscaldamento e condensazione

Salti entalpici ridotti ma elevato contenuto termico in uscita. Il

vapore in uscita è disponibile come vapore di processo o per

servizi (es.: cogenerazione). Nei modelli con spillamenti, il

vapore di processo è disponibile a diverse pressioni.

Elevato salto entalpico. Il vapore in uscita viene condensato in

acqua e inviato nuovamente al generatore. Nei modelli con

spillamenti, il vapore estratto può essere utilizzato come

vapore di processo o rinviato in turbina secondo le esigenze.

Soluzione per grandi potenze, ampiamente sfruttata negli

impianti termoelettrici. Con uno o più alberi, con o senza

estrazioni.




Esempi - 1

TURBINA A CONTROPRESSIONE

Potenza

25 MW

Pressione in ingresso

11.3 MPa

Temperatura in ingresso

538 ºC

Pressione allo scarico

1.27 MPa




Esempi - 2

TURBINA A CONTROPRESSIONE CON SPILLAMENTI

Potenza

35 MW


5.9 MPa


440 ºC

Pressione di spillamento

1.23/0.69 MPa

Pressione allo scarico

0.27 MPa




Esempi - 3

TURBINA A CONDENSAZIONE

Potenza

38 MW


2.9 MPa


390 ºC

Pressione in uscita

5.07 kPa




Esempi - 4

TURBINA A CONDENSAZIONE A DOPPIO FLUSSO

Potenza

100 MW


8.6 MPa


510 ºC

Temperatura di risurriscaldamento

538 ºC

Pressione in uscita

8.0 kPa




Esempi - 5

TURBINA A CONDENSAZIONE CON SPILLAMENTI

Potenza

300 MW


10 MPa


538 ºC


538 ºC


1.18/0.59 MPa

Pressione in uscita

6.0 kPa




Esempi - 6

Potenza

149 MW


16.6 MPa


566 ºC


538 ºC


3.5/0.69 MPa

Pressione in uscita

5.07 kPa

TURBINA A RISURRISCALDAMENTO CON SPILLAMENTI




Esempi - 7

Potenza

200 MW


12.7 MPa


538 ºC


538 ºC

Pressione in uscita

8.63 kPa

TURBINA A RISURRISCALDAMENTO CON DIFFUSORE ASSIALE




Esempi - 8

Potenza

300 MW


13.9 MPa


535 ºC


535 ºC


0.25 MPa

Pressione in uscita

6.27 kPa

TURBINA A RISURRISCALDAMENTO A DOPPIO FLUSSO CON SPILLAMENTI




Esempi - 9

Potenza

500 MW


16.6 MPa


538 ºC


538 ºC

Pressione in uscita

10.2 kPa

TURBINA A RISURRISCALDAMENTO A DOPPIO FLUSSO




Esempi - 10

Potenza

15 MW

TURBINA A CONDENSAZIONE PER PROPULSIONE NAVALE

A causa delle velocità di rotazione ottimali tipiche della

turbina (~ 3000 rpm) e dell’elica (~ 100÷500 rpm) si rende

necessario un accoppiamento tramite riduttore.




Lavoro e salti entalpici

e l’equazione dell’energia scritta trascurando lo scambio termico:

( ) 2211 ϑϑϑ cucuucL −=∆=

Ricordando l’espressione del lavoro L compiuto dal fluido in una turbina:

si ottengono le seguenti espressioni per i salti entalpici smaltiti nello statore e nel rotore:

( )20

210 2

10 cch?h S −=∆⇒= ( ) ( )2

122

22

21 2

121

wwuuhR −+−=∆

2/2/2/2/ 21

211

22

2220 uwhuwhLh −+=−+⇒=∆

Per una turbina assiale o, in generale, quando le variazioni di raggio siano trascurabili, si nota come il salto entalpico sia legato alla variazione di velocità relativa (espansione):

( )21

222

1cost wwhru R −=∆⇒=Ω=

STATORE ROTORE




STADI AD AZIONE - (R = 0)

Il salto entalpico del vapore viene smaltito interamente nello statore. Nel rotore avviene solo la conversione di energia cinetica in meccanica (a pressione costante).

Per una turbina assiale ad azione risulta: w1 = w2

Dall’equazione dell’energia si ricava la potenza trasmessa al rotore:

Tipologia di stadi - 1

2

22

21 cc

mP−

⋅= &

Triangoli di velocità per uno stadio ad azione

Gli stadi ad azione sono caratterizzati da elevate velocità in uscita dallo statore. Se ∆hS è il salto entalpico dello stadio (uguale al salto statorico), la velocità in uscita dallo statore varrà (c1 >> c0): Shc ∆≅ 21

Lo statore assume l’aspetto di un vero e proprio ugello, mentre il rotore ha una forma tipicamente simmetrica (w1 = w2).




STADI A REAZIONE - (R > 0)

Il salto entalpico di stadio viene ripartito fra statore e rotore, e la conformazione delle pale statoriche e rotoriche è simile. Diversamente dal caso ad azione, il vapore continua ad espandere anche attraverso la schiera rotorica.

Tipologia di stadi - 2

Triangoli di velocità per uno stadio a reazione

Rispetto ad uno stadio ad azione, a parità di salto entalpico di stadio, il vapore subisce una minore escursione di velocità assoluta.

Considerando ad esempio il caso con R = 0.5:

∆hS = ∆hR = ∆hSTADIO/2

Risulta che la velocità in uscita dallo statore è inferiore di un fattore .

La potenza trasmessa al rotore vale (caso assiale):

2

( ) ( )[ ]21

22

22

212

1wwccmP −+−⋅= &




La prima turbina mai realizzata è stata ideata dall’ingegnere svedese Carl G. P. de Laval nel 1888: si tratta di una turbina a vapore monostadio ad azione.

Turbina monostadio

21

2sin 1

1

≅=α

cu

Turbina di

de Laval

Disponendo di un solo stadio conviene ridurre al minimo l’energia cinetica allo scarico (l’energia residua viene persa):

α1 → 90º ; α2 = 0º

Ne conseguono i valori ottimali del cosiddetto “rapporto cinetico fondamentale” (u/c1):

1sin 11

≅= αcu

AZIONE REAZIONE (R=0.5)

Triangoli di velocità ottimizzati per un singolo

stadio ad azione (sopra) e a reazione (sotto)




Turbine multistadioLa condizione che vincola il rapporto u/c a determinati valori è finalizzata a minimizzare l'energia cinetica residua nell'ipotesi che essa venga dispersa.

Tale criterio è valido per macchine monostadio, ma in generale, dati i grandi salti entalpici in gioco, le turbine a vapore sono macchine multistadio e le singole schiere sono progettate con criteri diversi.

Considerando valori realistici di inizio/fine espansione, osserviamo che non è possibile smaltire in un solo stadio il salto entalpico disponibile in un impianto motore termico; infatti:

• 1 kg di vapore che espanda adiab. da 5 MPa e 500 ºC fino a 5 kPa libera circa 1300 kJ

• In uno stadio di turbina la velocità periferica u è limitata da motivi strutturali a circa 200 m/s

⇒ per un singolo stadio ad azione con u/c=1/2 risulterà :

Tale salto entalpico potrà essere circa doppio per uno stadio finale BP di grande diametro (con R variabile), ma occorrerà comunque frazionare il salto complessivo utilizzando più stadi in cascata, con possibilità di molteplici soluzioni costruttive.

kJ/kg)(

h 802

2200 2

0 ≅⋅

≅∆




Soluzioni costruttive - 1RUOTA A SALTI DI VELOCITA (Curtis)

Un cospicuo salto entalpico (anche ≅ 1200 kJ in 4 salti) viene ottenuto sfruttando l’energia cinetica residua in uscita dal rotore, adottando rapporti u/c molto inferiori rispetto a quelli di massimo rendimento per il singolo stadio.

Nello statore del primo stadio (distributore) il vapore subisce la completa espansione fino alla minima pressione (scarico). Impegna una prima schiera rotorica con velocità periferica limitata, e la abbandona con una velocità assoluta ancora molto rilevante per immettersi in una schiera statorica (deviatore) che ha il solo compito di deviare il vapore per avviarlo verso il rotore successivo.

Spesso posta all’inizio del corpo AP, a valle dell’apparato di regolazione, assorbe una parte notevole del salto entalpico complessivo limitando il numero degli stadi successivi e permettendo per la loro realizzazione l’uso di materiali meno pregiati (grazie al drastico abbassamento di p, T). Basso rendimento, ma ingombri ridotti e possibilità di parzializzazione.




Soluzioni costruttive - 2RUOTA A SALTI DI PRESSIONE (Rateau)

Il salto entalpico viene frazionato disponendo più stadi elementari ad azione in cascata, ciascuno dei quali può essere progettato seguendo il criterio del massimo rendimento.

Per corpi di alta pressione, in cui il volume specifico del vapore subisce variazioni modeste, la successione degli stadi può essere immaginata come esatta ripetizione di un unico stadio, con triangoli di velocità fissati.

Per corpi di media e bassa pressione la variazione di volume specifico comporta modifiche geometriche rilevanti fra gli stadi.

In generale le soluzioni ad azione (Curtis, Rateau) sono maggiormente impiegate nei corpi AP, per motivi connessi alla regolazione, al rendimento della macchina (recupero termodinamico), e per motivi strutturali. Dal punto di vista costruttivo, gli stadi ad azione presentano struttura “a dischi”.




Soluzioni costruttive - 3SUCCESSIONE DI STADI A REAZIONE (Parsons)

Il rendimento di uno stadio a reazione è maggiore di quello di uno stadio ad azione, e, in generale, meno sensibile alle variazioni rispetto alle condizioni di progetto.

Osservando che, parità di velocità periferica u, uno stadio a reazione con R = 0.5 smaltisce un salto entalpico pari alla metà di quello di uno stadio ad azione, si comprende l’esigenza di utilizzare un maggior numero di stadi volendo adottare la soluzione a reazione senza eccessive velocitàperiferiche.

Gli stadi a reazione sono in genere impiegati nei corpi di MP e BP, dove non presentano problemi legati alla regolazione e sfruttano il recupero termodinamico grazie al più elevato rendimento (conviene inserire in coda gli stadi a rendimento maggiore). Dal punto di vista costruttivo, la soluzione caratteristica prevede un rotore “a tamburo” (leggero e con elevata rigidezza flessionale) inserito in una cassa alla cui superficie interna sono fissate le pale statoriche.




Soluzioni costruttive - 4

APBP

In testa è posizionata una ruota Curtis, con la tipica struttura a dischi. Il corpo di bassa pressione

impiega stadi a reazione. Il rotore di bassa pressione, a tamburo, è costituito da elementi saldati

ESEMPIO DI SOLUZIONE CON STADI MISTI (Brown Boveri)




Regolazione - 1

La regolazione di una turbina consiste nell’adeguamento della potenza fornita a quella richiesta dall’utilizzatore.

Per variare la potenza ( ) si agisce direttamente sulla portata o sul salto entalpico totale.

Ogni intervento su uno dei due parametri comporta la variazione dell’altro, oltre ad alterare anche il rendimento di turbina.

Si possono tuttavia individuare due criteri distinti di regolazione:

Ø la LAMINAZIONE agisce direttamente sul salto entalpico

Ø la PARZIALIZZAZIONE agisce direttamente sulla portata di vapore

0hmP ∆⋅⋅= &η




Regolazione - 2LAMINAZIONE

Si realizza introducendo una valvola regolabile nella condotta del vapore a monte del corpo AP. Il vapore viene laminato (trasformazione isoentalpica), abbassando la pressione totale in ingresso alla turbina. In seguito allo strozzamento si ottiene non soltanto una diminuzione del salto entalpico complessivo, ma anche una diminuzione di portata .( )0Pm ∝&

Dal momento che la velocità periferica deve rimanere invariata per adattarsi a quella richiesta del carico (alternatore), le variazioni di velocità legate alla variazione di portata si traducono in alterazioni dei triangoli di velocità e quindi del rendimento.

D’altra parte, un vantaggio di questo tipo di regolazione consiste nella caratteristica di lasciare praticamente invariata la temperatura a valle della prima corona di ugelli, preservando il rotore da sollecitazioni termiche anche in caso di improvvise variazioni di carico.




Regolazione - 3

Si realizza limitando l’ammissione del vapore solo ad alcuni settori del primo distributore. I condotti del settore di distribuzione sono divisi in gruppi, e ciascun gruppo viene alimentato attraverso una propria valvola per mezzo della quale può precludersi o limitarsi l’ammissione del vapore.

Anche in questo caso la riduzione di portata induce variazioni dei triangoli di velocità ed altera la ripartizione del salto entalpico fra i vari stadi (aumenta il salto del primo stadio). Rispetto alla degradazione energetica associata alla laminazione, in questo caso il calo di rendimento èparzialmente compensato dal maggior salto sfruttato dall’elemento di testa.

In generale la regolazione per parzializzazione è da preferire a quella per laminazione.

Svantaggi

• può essere effettuata solo se gli stadi in testa sono ad azione (richiede ∆p nullo nel rotore).• alla variazione del ∆p del primo stadio possono accompagnarsi (brusche) sollecitazioni ∆T.• contrariamente alla regolazione per laminazione, è discontinua.

PARZIALIZZAZIONE

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