Curs9 Turbine

8/16/2019 Curs9 Turbine

1/7

Curs 9 Instalaţii şi Echipamente Termoenergetice Navale

177

10.8. Comportarea turbinei cu gaze la variaţii de regim

10.8.1. Consideraţii generale

Regimul de funcţionare al turbinei în decursul procesului de exploatare seabate deseori de la regimul pentru care a fost proiectată. Variaţia puterii, presiunii,temperaturii gazelor de ardere la intrarea în turbină şi a turaţiei produc modificări ale proceselor termodinamice, fapt ce provoacă modificări de randament şi de consumspecific ale turbinei. Din aceste considerente, cunoaşterea comportării turbinelor încondiţii de exploatare este necesară atât pentru exploatare, cât şi pentru proiectare.

Prin reglarea turbinelor se înţelege asigurarea la cupla turbinei, în fiecareregim permanent de funcţionare, a unei puteri egale cu puterea consumată de maşina

antrenată şi realizarea unui regim de funcţionare care să asigure mărimilor reglatevaloarea lor de consemn [9].Principial, reglarea turbinei se poate realiza manual sau automat dar, întrucât

condiţiile care se impun perturbaţiilor admisibile care apar în timpul trecerii de la unregim la altul sunt severe, reglarea turbinei se realizează, prioritar, automat.

Totalitatea dispozitivelor prin care se realizează reglarea automată formeazăsistemul de reglaj al turbinei. Sistemul de reglaj este prevăzut cu un număr desesizoare denumite regulatoare, egal cu numărul mărimilor ce trebuiesc reglate, caresesizează direct sau indirect abaterea mărimii reglate de la valoarea de consemn şi dauun impuls de comandă pentru restabilirea valorii lor.

După natura mărimilor reglate, regulatoarele se clasifică astfel [9]: regulatoare de turaţie, care au rolul de a menţine constantă turaţia turbinei,

indiferent de încărcarea ei; regulatoare de debit, care au rolul de a menţine constant debitul de

combustibil introdus în camera de ardere; regulatoare de presiune, care au rolul de a menţine constantă presiunea

medie a gazelor din circuit; regulatoare de putere, care au rolul de a menţine constantă puterea

turbinei.

10.8.1. Reglarea turaţiei turbinei

Pentru reglarea turaţiei turbinei se folosesc regulatoare centrifugale,hidrodinamice sau electronice.

Regulatorul centrifugal constă dintr -un mecanism ce execută o mişcare derotaţie, cu o turaţie proporţională cu turaţia turbinei şi care are două greutăţi, legate laun sistem de pârghii,un resort şi un manşon care se poate deplasa în lungul axuluiregulatorului, transmiţând comanda la organul de reglare.

Regulatorul hidrodinamic se bazează pe variaţia presiunii uleiului în circuitulde reglaj sub influenţa modificărilor de turaţie ale unui element al regulatorului, ce seroteşte proporţional cu turaţia turbinei.

Regulatorul electronic constă dintr -un generator de curent alternativ defrecvenţă mare (1 MHz), cuplat cu rotorul turbinei, a cărui tensiune şi frecvenţă se


2/7


178

compară cu o tensiune şi o frecvenţă de consum. În urma comparării, apar impulsurielectrice care sunt trecute printr-un amplificator şi se transmit organului reglat cetransformă impulsul electric într -o mărime mecanică.

Pentru a cunoaşte comportarea sistemului dereglaj a turaţiei în condiţiile defuncţionare în regim permanent, precum şi în condiţiile de trecere de la un regim laaltul, este necesar să se cunoască caracteristicile statice şi dinamice de reglaj.

Caracteristica statică de reglaj este curba ce reprezintă variaţia mărimiireglate (turaţia), funcţie de puterea turbinei, în condiţii de echilibru stabil.

Caracteristica statică de reglaj poate fi trasată din faza de proiectare, astfel[9]:

se determină caracteristica statică a regulatorului de turaţie, adică cursa z amufei funcţie de turaţia n, pentru poziţiile extreme 1 şi 2 ale sincronizatorului (v. fig.10.14, a);

se trasează caracteristica statică a mecanismului de transmisie, adică unghiul (cursa) ξ al servomotorului funcţie de cursa z a mufei regulatorului de turaţie(v. fig. 10.14, b);

se trasează caracteristica organelor de distribuţie, adică puterea P (la cuplăsau la borne) funcţie de unghiul (cursa) ξ al servomotorului (v. fig. 10.14, c);

în baza celor trei caracteristici trasate anterior, rezultă caracteristica staticăa sistemului de reglaj (v. fig. 10.14, d ).

Fig. 10.14


3/7


179

10.8.2. Sisteme de reglaj ale turbinei cu gaz

Din punct de vedere al modului de transmitere a mişcării, de la organul deimpuls la organul de comandă, sistemele de reglaj ale turbinei cu gaze se împart,astfel:

sistem de reglaj cu transmitere directă; sistem de reglaj cu transmitere indirectă. Spre deosebire de turbinele cu abur, la care sistemele de reglaj trebuie să pună

în mişcare valvule grele de dimensiuni mari şi care funcţionează la diferenţeînsemnate de presiune, la turbinele cu gaze sistemele de reglaj pun în mişcare pieseuşoare (organe de laminare sau ace pentru reglarea cantităţii de combustibil), pentrudeplasarea cărora sunt necesare forţe mici.

La sistemele de reglaj cu transmitere directă, regulatorul de turaţie pune înmişcare un organ de laminare de pe tubulatura de combustibil sau chiar acul injectorului, modificând cantitatea de combustibil introdusă în camera de ardere,astfel încât turaţia agregatului să rămână constantă (v. fig. 10.15).

Fig. 10.15

Semnificaţia notaţiilor din fig. 10.15 este următoarea: 1 – turbina cu gaze; 2 – compresor; 3 – generator de curent; 4 – motor de pornire; 5 – cameră de ardere; 6 – regulator de turaţie; 7 – acul injectorului de combustibil; 8 – tubulatura pentrurefularea aerului din compresor; 9 – tubulatura de alimentare cu gaze a turbinei; 10 – tubulatura de combustibil.

În prezent, acest sistem de reglaj se foloseşte la instalaţiile cu turbine de gazecu un singur arbore şi de putere redusă, sistemul realizând procese de reglare în care predomină modificările calitative.

La instalaţiile de turbine cu gaze cu două linii de arbori se folosesc sisteme dereglaj prin care turbina principală este menţinută la turaţia necesară pentru acţionarea


4/7


180

maşinii antrenate, turaţia turbinei cuplate la compresor fiind reglată la valoareacorespunzătoare debitului de aer necesar pentru realizarea puterii cerute.

Sistemul de reglaj utilizat în cazul instalaţiilor de turbine cu gaze cu două liniide arbori, permite procese de reglare în care predomină modificările cantitative, fapt pentru care aceste sisteme sunt preferate în instalaţiile importante, care trebuie să prezinte indici de exploatare optimi.

În fig. 10.16 este reprezentată schema sistemului de reglaj cu transmitereindirectă pentru turbina de gaze cu o singură linie de arbori.

Fig. 10.16

Semnificaţia notaţiilor din fig. 10.16 este următoarea: 1 – turbina cu gaze; 2 – compresor; 3 – generator de curent; 4 – motor de pornire; 5 – cameră de ardere; 6 – regulator de turaţie; 7 – acul injectorului de combustibil; 8 – servomotor; 9 – organ delaminare pe circuitul de ulei; 10 – pompă de ulei; 11 – rezervor de ulei; 12 – tubulatura pentru refularea aerului din compresor; 13 – tubulatura de alimentare cugaze a turbinei; 14 – tubulatura de combustibil; 15 – tubulatura de ulei sub presiune.

10.8.3. Metode de reglare a turbinei cu gaze

a) Reglarea turbinei cu gaze în circuit deschis

Modificarea puterii turbinei se obţine, uzual, prin variaţia debitului injectat încamera de ardere, ceea ce produce modificarea temperaturii gazelor de ardere laintrarea în turbină. Odată cu temperatura, se modifică şi repartiţia presiunilor şi acăderilor de entalpie pe treaptă.

La sarcini parţiale, temperatura gazelor de ardere la intrarea în turbină scademult, ceea ce provoacă micşorarea randamentului termic al ciclului de funcţionare.


5/7


181

Reglarea prin reducerea căderii de entalpie se poate obţine prin laminareaaerului la intrarea în camera de ardere. Procedeul este neeconomic, fapt pentru care seutilizează doar ca mijloc auxiliar pentru a asigura funcţionarea turbinei în anumiteregimuri.

Reglarea prin admisie nu se utilizează datorită debitelor volumice mari, carenecesită valvule de dimensiuni mari şi, deci, nu se asigură o etanşare corespunzătoare.

Reglarea prin modificarea debitului de combustibil introdus în camera deardere conduce la modificarea turaţiei compresorului, ceea ce produce variaţiadebitului de aer şi a presiunii de refulare a compresorului. Pentru îmbunătăţirearandamentului termic efectiv, la sarcini parţiale, se preferă utilizarea mai multor liniide arbori.

La reglarea turbinelor cu gaze se mai impun unele condiţii suplimentare, cum

ar fi: evitarea intrării în pompaj a compresorului, la sarcini parţiale; evitareasupraîncălzirii treptelor de joasă presiune ale turbinei, la scăderile bruşte de sarcină. În fig. 10.17 sunt reprezentate două scheme de reglare a turbinei cu gaze, în

circuit deschis: reglare cu valvulă de descărcare a aerului în atmosferă şi cu valvulăde ocolire a camerei de ardere (fig. 10.17, a); reglare cu ventil by-pass descurtcircuitare a părţii de joasă presiune (fig. 10.17, b).

a) b)Fig. 10.17

Pentru evitarea intrării în pompaj, se recurge la menţinerea debituluicompresorului de joasă presiune deasupra debitului critic de pompaj (fig. 10.17, a), prin reducerea excedentului de aer fie prin suflare direct în atmosferă (valvula V 1), fie

prin insuflarea aerului în treapta intermediară a turbinei (valvula V 2).Pentru micşorarea debitului de aer se mai utilizează palete directoare

reglabile, montate pe una dintre treptele turbinei, ceea ce permite o reglare cu pierderimai mici la sarcini parţiale.

Evitarea pompajului prin laminarea aerului în tubulatura de aspiraţie esteneeconomică în cazul compresoarelor axiale.

Reducerea puterii efective a turbinei cu gaze se poate obţine şi cu ajutorulunui ventil by-pass (fig. 10.17, b), care permite ca o parte din gazele de ardere săocolească turbina de joasă presiune, cuplată la maşina antrenată.


6/7


182

b) Reglarea turbinei cu gaze în circuit închis

Modificarea regimului de funcţionare se obţine, de regulă, printr -o reglarecombinată, respectiv prin presiune alunecătoare (pentru variaţiile lente de sarcină) şi

prin by-pass (pentru variaţii rapide de sarcină). Reglarea prin presiune alunecătoare se obţine prin modificarea densităţii

medii a gazelor de ardere din circuit, realizată prin modificarea cantităţii de gaze deardere aflate în circuit la un moment dat fie prin introducerea de gaze suplimentaredintr-un rezervor de gaze comprimate, fie prin evacuarea unei cantităţi de gaze deardere din circuit, într-un rezervor de joasă presiune (fig. 10.18).

Fig. 10.18

Semnificaţia notaţiilor din fig. 10.18 este următoarea: 1 – compresor principal; 2 – recuperator de căldură; 3 – cameră de ardere; 4 – turbină auxiliară; 5 –

schimbător de căldură;6

– rezervor de gaze comprimate;7 – rezervor de gaze de joasă presiune; 8 – compresor auxiliar.

Operaţia permite o trecere rapidă la sarcini parţiale dar, întrucât procesul esteînsoţit de o scădere accentuată a randamentului, metoda se foloseşte numai atât câteste necesar ca reglarea să adapteze puterea disponibilă a turbinei la puterea cerută demaşina de lucru.

Reglarea prin by-pass, utilizată la căderile bruşte de sarcină, se obţine prinscurtcircuitarea tubulaturii de refulare a compresorului şi a tubulaturii de ieşire dinturbină, prin valvula V 4 sau V 5, ocolind cu o parte din debitul gazelor de ardere,camera de ardere, turbina şi, eventual, recuperatorul de căldură.


7/7


183

Domeniul puterilor sistemelor de turbine cu gaze obţinut până în prezent estecuprins în intervalul (5000 ... 80000) kW.

În fig. 10.19 este reprezentată schema de principiu a unei instalaţii de propulsie cu turbine cu gaze. Semnificaţia notaţiilor din figură este următoarea: 1, 2 – compresor de aer; 3 – turbina de înaltă presiune; 4 – turbina de joasă presiune; 5 – camera de ardere; 6 , 7 – schimbător de căldură.

Fig. 10.19

Documents

Curs9 Turbine