Construcția Turbinei cu Abur

Introducere

În prezent, aproximativ 40% din consumul mondial de combustibil este folosit pentru producerea energiei elctrice în centrale termoelectrice clasice şi nucleare. Aceste transformări de energie se realizează preponderent cu ajutorul turbinelor cu abur datorita randamentului termic superior şi unui raport putere/greutate mai bun decat la motoarele cu abur. La moment cca. 86% din puterea electrică mondială e generată de centrale termo-electrice ce utilizează turbine cu abur.

1. Istoric

Utilizarea energiei aburului se atestă încă înaintea erei noastre. Primele concepţii de utilizare aburului o gasim la Arhimede (287...212 î.e.n.), el a imaginat un tun la care ghiuleaua ar fi trebuit să fie aruncată de presiunea aburului, Hero din Alexandria deja în anul 200 î.e.n. povesteşte despre turbina cu abur pe care ar fi construito, turbina lui (Fig1.1) consta dintr-o sferă goală, ce se rotea î jurul unei axe, datorită reacţiunii jeturilor de abur ce ieşeau cu viteză mare din sferă prin două ţevi înguste, cu capetele întoarse în sens contrar sensului de învîrtire. Din antichitate sunt cunocute şi eolipilele, rezervoare din bronz în formă de bust în care apa era supusă fierberii, iar aburul format ieşea cu viteă mare, printr-un orificiu îngust în atmosferă.

Evul mediu nu a adus nici un progres faţă de realizările şi

ideile antichităţii în ceia ce priveşte posbilitatea de utilizare a

energiei aburului.

Abia în anul 1629 învăţatul italian Giovanni de Branca propune

să se utilizeze energia cinetică a aburului produsă de o eolipită

într-o roată cu palete prin care aburul curgea radial. Dar roata lui a fost sortita pieriii datorita construcţiei defecte.

O utilizare la o scară mai largă a aburului a avut loc la începutul sec. XVIII-lea cînd apar primele maşini cu abur cu piston industriale, necătînd la acest lucru turbina cu abur se dezvoltă mult mai încet decît maşina cu abur cu piston, din cauza că turbina cu abur reprezenta pentru timpul dat o construcţie pretenţioasa şi tehologiile din acea vreme erau încă mult prea primitive.

Apariţia în industrie a turbinei cu abur se datoreşte muncii asidue a inginerului suedez Laval şi a englezului Ch. Parsons.

Turbina lui Laval era de tipul turbinelor cu acţiune, apare în 1883, era construită dintr-o roată cu palete asupra cărora acţionau mai multe jeturi de abur de viteză mare, viteză creată cu ajutorul unor ajutaje covergent-divergnte, cunoscute sub numele de ajuataje Laval. Turaţia turbinei Laval era de 500 rot/s, iar un reductor reducea turaţia la 50 rot/s. Necesitatea de a asigura un bun randament turbinei Laval impune folosirea unei viteze periferice mari, respectiv unor turaţii mari ceea ce face inevitabilă utilizarea reductorului de turaţie. Din cauza dificultăţilor tehnice de execuţie a unor astfel de reductoare pentru puteri mari turbina Laval este limită ca utilizare numai pentru puteri mici.

Turbina lui Parsons, de tipul turbinelor multietajate cu reacţiune, a apărut cu un an în urma turbinei construită de Laval. Pentru a obţine un randament bun şi la turaţii mai mici, Parsons a repartizat căderea totală de presiune pe mai multe trepte. Prima turbină Parsons era cu dublu flux: aburul intra în turbină la mijlocul carcasei şi străbătea, în cele două sensuri cîte 15 trepte. Puterea ei era de 7,5 kW, iar turaţia era încă foarte mare - 284 rot/s dar curînd Parsons a redus turaţia la valori convenabile. Spre deosebire de turbina Laval turbinele multietajate nu sunt limitate ca putere, astfel că au obţinut un larg domeni de utilizare.

Din acest moment procesul de dezvoltare a construcţiei cu abur ia un mare avînt. Apare turbina americanlui Curtis în 1896, cu utilizarea în trepte a energiei cinetice, apoi turbinele multietajate cu cţiune cunoscute şi su numele de turbine Rateau, iar ceva mai tîrziu, în 1912, apar în Suedia şi turbinele radiale fără palete în stator ale fraţilor Ljungström.

Turbina cu abur s-a răspîndit nu numai în instalaţii terestre, ci ocupă un loc însemnat şi ca maşină de forţă motoare, pentru propulsarea navelor.

Apariţia celor două tipuri principale de turbine: cu acţiune şi cu reacţiune, deosebite din punct de vedere constructiv, a avut ca rezultat specializarea fabricilor constructoare de turbine pentru unul din aceste două tipuri, specializare menţinută în general pînă în prezent.

Progrese mari realizate în domeniul construcţiei turbinelor cu abur au fot stimulate de creşterea continuă a consumului de energie ca urmare a dezvoltării rapide a marilor industrii, a marilor centre industriale şi a flotei de război, care cereau mereu motoare din ce în ce mai puternice.

Dezvoltarea turbinelor cu abur a mers mînă de mînă cu progresele realizate de studiul materialelor şi cu dezvoltarea şi perfcţiunarea construcţiilor de turbine. De asemenea construcţiile noi de turbine au creat probleme noi pentru tehnologie şi studiul materialelor.

În procesul de dezvoltare a turbinelor cu abur se remarcă patru perioade distincte, caracterizate prin orientarea diferită a construcţiei şi prin diferenţa dintre parametrii aburului proaspăt.

Perioada I (1883-1910) se întinde din momentul aparţiei primei turbine a lui de Laval pînă aproape de primul război mondial. Din cauza preţului ridicat al instalaţiilor de turbine se iveşte o puternică tendinţă de a ieftini constucţia, ceea ce are ca urmare executarea unor turbine cu număr redus de trepte, cu viteze mari de curgere a aburului, ceea ce a dus deseori la realizarea unor instalaţii mai puţin econome.

Materialele cunoscute în această perioada erau fonta pentru carcase şi în general, pentru piese turnate; oţelul carbon forjat, pentru rotoare şi pentru piese fojate de dimensiuni moderate; alama ca material pentru palete.

Deoarece aceste materiale mai ales fonta şi alama, nu rezistau la temperaturi mai mari, parametrii aburului nu treceau de 16 bar şi 300°C, puterea maximă realizată într-o singură unitate atins 6MW la 50 rot/s, 10MW la 25 rot/s şi 20MW la 16,6 rot/s.

Încă din ceastă perioadă turbina cu abur a ajuns un concurent serios al maşinii cu abur cu piston, remarcîndu-se prin calităţile sale excepţionale, ceea ce a impus folosirea lor în instalaţiile stabile de mare putere, precum şi la navele mari.

Perioada II (1910-1932) dezvoltarea turbinelor cu abur înainte şi în timpul primului război mondial suferă o oarecare stagnare, iar imediat după război, progrese mari realizate în acest domeniu permit executarea unor turbine de puteri uriaşe, care depăşesc cerinţele energetice ale vremei.

În general în această perioadă puterea agregatelor nu depăşea încă 25 MW, la

50-60 rot/s şi 100 MW la 25-30 rot/s, dar sa realizat un agregat de 208 MW (pe 3 linii de arbori). parametrii aburului nu depăşesc de obicei 90 bar şi 400ºC.

Perioada aceasta se caracterizează prin străduinţa fabricilor constructoare de a reduce consumul specific de căldură al turbinei, ceea ce se manifesta prin apariţiea turbinelor cu un număr mare de trepte, adeseori cu mai multe corpuri şi chear cu arbori pe mai multe linii, concomitent cu majorarea parametrilor aburului proaspăt.

Progresele mari realizate în această perioadă se datoresc în mare parte apariţiei oţelului turnat, utilizat pentru carcase, a oţelurilor aliate cu 5% nichel utilizate la confecţionarea paletelor, precun şi extinderii posibilităţilor de forjare la piesele mari.

Perioada III (1932-1946) se caracterizează prin tendinţa de îmbunătăţire la maximum al randamentului turbinei prin mărirea contunuă a parametrilor aburului, dar se pune accentul mai ales pe siguranţa de funcţionare a agregatului. în acest scop, construcţiile complicate sunt părăsite şi în locul lor apar turbinele rapide, de putere unitară mare, revenindu-se la construcţia cu arborii pe o singură linie şi cu un nuimăr minim de corpuri posibile. se realizează, de exemplu, turbine de 100 MW, la 50 rot/s, în două corpuri, dar pe osingură linie. apariţia oţelului inox în această perioadă, folosit la fabricaţia paletelor, a permis ridicarea parametrilor şi a siguranţei de funcţionare.

În privinţa puterii unitare se poate spune că în această perioadă posibilităţile constructive şi tehnologice ar fi permis realizarea unor turbine mai mari decît cereau necesităţile de atunci a energeticii. în general, puterea maximă a agregatelor energetice nu se recomandă să depăşească 5-10% din puterea instalată a reţelei electrice pe care o debitează agregatul, pentru ca puterea în rezerva disponibilă a reţelei să nu fie prea mare, deoarece puterea instalată a sistemelor energetice în general nu a depăşit în această perioadă 1000-1500 MW, puterea unitară maximă a agregatelor realizate nu a depăşit decît în cazuri izolate valoarea de 100-150MW.