INSTALATII DE PROPULSIE NAVALE CU TURBINE

1. Instalatii de propulsie navale cu turbine cu gaze

1.1 Generalitati

In domeniul naval au fost realizate instalatii de propulsie cu turbine cu gaze, STG, montate pe unele nave comerciale (metaniere, petroliere, nave de croaziera, portavioane, ), avand puteri de 15 80 MW, dotate cu EPR. Pe unele nave militare, astfel de instalatii s-au extins mai mult datorita avantajelor pe care le au :

masa redusa ; putere mare ; durata de timp redusa pentru punerea in functiune.

Turbinele cu gaze, folosite in prezent la propulsia navala, din punct de vedere constructiv,

sunt asemanatoare cu cele utilizate in aviatie.

Cele mai multe instalatii de propulsie navale cu turbine cu gaze folosite pentru propulsia navelor comerciale sunt cu doua trepte de comprimare, cu doua trepte de destindere, cu doua incalziri ale gazelor si recuperarea energiei din gazele arse. Sistemele de propulsie cu turbine cu gaze cu trei trepte de comprimare, cu racire intermediara, cu trei trepte de destindere si incalzire inaintea fiecarei trepte de destindere nu se mai intalnesc.

1.2. Instalatia de propulsie cu turbine cu gaze cu circuit deschis

Fluxul de aer si gaze este in succesiune, cu racire intermediara a aerului, incalzirea gazelor in trepte si recuperarea energiei din gazele arse, si este prezentata in fig, 1, iar in fig, 3 este prezentata in coordonate T s, ciclul de functionare al acestei instalatii de propulsie cu turbine cu gaze in circuit deschis.

Elementele componente ale acestei instalatii, prezentate in fig. 1, sunt :

1 elice cu pas reglabil ; 2 reductor de turatie cu roti dintate ; 3 camera de ardere ; 4 turbina cu gaze de inalta presiune; 5 camera de ardere; 6 turbina cu gaze de joasa presiune ; 7 compresor de aer ; 8 racitor de aer ; 9 compresor de aer ; 10 schimbator (recuperator) de caldura.

Aerul este aspirat de compresorul 7 si refulat pentru racire in racitorul 8, realizand comprimarea conform politropei 11-21 din diagrama T-s. Racirea in 8 este reprezentata prin evolutia 21-1, dupa care urmeaza a doua comprimare din compresorul 9, reprezentata prin politropa 1-2.

Compresorul 9 refuleaza aerul in schimbatorul de caldura 10, unde se incalzeste prin schimbul de caldura cu gazele arse, dupa evolutia 2-2r. Aerul incalzit patrunde in camera de ardere 3, unde prin arderea combustibilului se produce amestecul de gaze si aer, conform evolutiei 2r-31. Fluidul motor compus din gaze si aer patrunde in turbina 4 in care se destinde politropic dupa evolutia 31-41, urmata de incalzirea acestui amestec 41-3. Urmeaza destinderea 3-4, in turbina 6, dupa care gazele arse trec prin schimbatorul de caldura 10, unde cedeaza caldura pentru preincalzirea aerului, conform evolutiei 4-4r. Evolutia 4r-11 se realizeaza prin evacuarea gazelor arse si preluarea aerului din mediul inconjurator de compresorul 7.

La ciclul termic prezentat in fig. 3 nu au fost luate in considerare pierderile de presiune, datorate rezistentelor gazodinamice ale camerelor de ardere, racitorului de aer 8 si a schimbatorului de caldura 10.

1.3. Instalatia de propulsie cu turbine cu gaze cu circuit inchis

Schema acestei instalatii este prezentata in fig. 2. Elementele componente ale acestei instalatii sunt :

1 elice cu pas reglabil EPR ; 2 reductor de turatie cu roti dintate ; 3 schimbator de caldura (incalzitor) ; 4 turbina cu gaze de inalta presiune ; 5 schimbator de caldura (incalzitor) ; 6 turbina cu gaze de joasa presiune ; 7 compresor; 8 racitor ; 9 compresor; 10 schimbator (recuperator) de caldura ; 11 racitor.

Aceasta instalatie functioneaza similar cu instalatia de propulsie cu gaze cu ciclul deschis, cu precizarea ca in locul camerelor de ardere sunt introduse schimbatoare de caldura 3 si 4, in care fluidul motor este incalzit inainte de destinderea in turbine, iar la iesirea fluidului motor din schimbatorul de caldura 10, acesta trece prin racitorul 11, pentru a-i cobora temperatura, conform evolutiei 4r 11.

Instalatiile de propulsie cu turbine cu gaze cu circuit inchis sunt caracterizate prin circuitul continuu, inchis, al fluidului motor (in general aer sau un alt gaz) ; aceste sisteme, in comparatie cu cele cu circuit deschis, prezinta unele avantaje, cum ar fi :

dimensiuni de gabarit mai mici, la puteri egale, datorita maririi presiunii medii din sistem ; psibilitatea folosirii unor combustibili inferiori, intrucat paletele turbinei nu sunt supuse

coroziunii si eroziunii gazelor de ardere.

Ca dezavantaj al sistemelor cu circuit inchis trebuie mentionat costul ridicat al schimbatoarelor de caldura, datorita complexitatii acestora.

Fig. 3. Ciclul de functionare al instalatiei de propulsie cu turbine cu gaze in circuit deschis

2. Instalatii de propulsie navale combinate cu turbine cu abur si turbine cu gaze

Principalul mijloc de crestere a randamentului efectiv al ciclului real al sistemelor de propulsie cu turbine cu gaze STG consta in reducerea pierderilor de caldura, eliminata din ciclu prin gazele arse evacuate din turbina. In acest scop se aplica regenerarea, prin care o parte din caldura continuta in gazele arse se reintroduce in ciclu, prin incalzirea aerului inainte de intrarea acestuia in camera de ardere.

Aplicarea regenerarii insa, complica mult schema STG, care in acest caz nu mai poate folosi miscarea in echicurent a aerului si a gazelor.

Dupa cum se stie, miscarea in echicurent a aerului si a gazelor, permite obtinerea unei forme constructive moderne a corpului turboagregatului.

Pierderile de presiune ale fluidului motor pe traseul de curgere pot fi reduse la minim datorita intrarii si iesirii axiale a fluidului de lucru din turbomasini si a absentei pierderilor de presiune in tubulatura care uneste regeneratorul cu compresorul si cu camera de ardere.

Turbomasinile cu miscarea fluidului de lucru in echicurent sunt constructii compacte, cu mase si gabarite reduse si pot fi adaptate pentru a fi instalate la bord ca agregate navale. Asemenea masini se construiesc in serie mare pentru aeronave si din acest motiv sunt foarte convenabile.

Randamentul turbomotoarelor cu flux in schicurent al fluidului de lucru este mai redus decat al altor masini termice, iar marirea acestuia este dependenta de recuperarea caldurii continuta in gazele arse.

Recuperarea se poate face intr -un schimbator de caldura prin suprafata, inclus in schema altei instalatii termice, cu orice fuid de lucru. Caldura recuperata in schimbatorul de caldura poate fi folosita pentru generarea de abur. In acest caz schimbatorul de caldura este denumit cazan de recuperare de tip convectiv, amplasat pe canalul de gaze arse evacuate din turbina cu gaze.

Aburul obtinut in cazanul de recuperare este dirijat intr-o turbina care poate transmite puterea dezvoltata la propulsor (fig. 4) sau sa actioneze un compresor de aer al unei instalatii de turbine cu gaze (fig. 5).

Elementele componente din cele doua scheme, prezentate in fig. 4 si fig. 5, sunt urmatoarele:

1 propulsor de tip elice cu pas reglabil EPR; 2 reductor de turatie cu roti dintate ; 3 compresor de aer ; 4 camera de ardere ; 5 turbina cu gaze de inalta presiune ; 6 turbina cu gaze de joasa presiune pentru propulsia navei ; 7 cazan de abur cu recuperare ; 8 pompa de alimentare ; 9 schimbator de caldura gaze-apa ; 10 pompa de circulatie ; 11 dezaerator ; 12 turbina cu abur pentru propulsie, pentru schema din fig. 4, respectiv, pompa de antrenare a ventilatorului din prima treapta de compresie ; 13 condensator de abur ; 14 pompa de circulatie racire a condensatorului de abur ; 15 pompa de extractie condensat ; 16 compresor din prima treapta de compresie a aerului ; 17 schimbator de caldura aer apa.

3. Instalatia de propulsie cu turbine cu abur 3.1. Descrierea instalatiei

Instalatia de propulsie cu turbine cu abur din fig. 6, este compusa din : cazanul 1 in care se intoduce apa de alimentare cu temperatura ta si presiunea p0 si care produce vapori supraincalziti, cu presiunea p0 si temperatura t0, in schimbul caldurii primite din exterior (proces de ardere, reactie nucleara sau caldura continuta in gazele de ardere evacuate din motoarele cu ardere interna). Apa este incalzita in economizorul 2, apoi in tevile fierbatoare 3, dupa care in colectorul 4 vaporii se separa de apa si patrund in supraincalzitorul 6, unde se supraincalzesc ; Vaporii supraincalziti, prin conducta 8 ajung la valvula principala 9, dupa care pot patrunde in turbina de inalta presiune 10, pentru mers inainte, sau in turbina de mers inapoi 12, amplasata in acelasi corp cu turbina de joasa presiune pentru mers inainte.

Dupa ce sau destins in turbinele IP, MP si JP (10, 11 si 12) vaporii trec in condensatorul 13, unde se condenseaza, cedand caldura sursei reci (apei din afara bordului trimisa de pompa 16). Pompa 14 aspira apa din condensator si o refuleaza prin preincalzitorul 26 al ejectorului de aer 15, in dezaeratorul 17, in care este eliminat aerul din apa de alimentare. Cu pompa 18 apa este aspirata din dezaerator si este refulata prin preincalzitorul 19, apa se preincalzeste cu vaporii prelevati de la o priza situata intre turbina de inalta presiune si turbina de presiune medie.

Cazanul de vapori este alimentat cu combustibil lichid, transmis de pompa 20 prin filtrul 21, apoi prin preincalzitorul 22, filtrul fin 23 la pulverizatoarele de combustibil 24.

Un asemenea cazan poate fi alimentat si cu combustibil solid. Aerul necesar arderii combustibilului este trimis de ventilatorul 25, in preincalzitorul de aer 7 dupa care intra in focarul cazanului.

3.2. Ciclul teoretic al sistemului cu vapori

Ciclul termic cu vapori se realizeaza intr-un sistem format, in principal, din patru componente : cazanul 1, turbinele 2, condensatorul 3 si pompa 4, conform schemei simplificate reprezentata in fig. 7.

Ciclul teoretic Rankine al instalatiei cu vapori este cuprins intre doua izobare si doua izentrope (fig. 8)

Fig. 8. Ciclul Rankine reprezentat in diagramele T-s si i-s.

Fazele ciclului, conform ceelor 4 parti ale sistemului sunt:

incalzirea izobara 3-4-5-0, are loc in cazan ; incalzirea apei 3-4 se realizeaza partial in preicalzitoarele de apa si apoi in cazan, urmeaza fierberea 4-5, care are loc in cazan, iar

supraincalzirea 5-0 in supraincalzitor. In decursul incalzirii izobare se primeste caldura q1 = i0 ia , egala cu aria a-2-3-4-5-0-b-a;

b)

destinderea izentropa 0-1, in turbine; se produce lucrul mecanic lt = i0 i1t , reprezentat

prin aria 3-3-4-5-0-1-2-2-3. Intrucat destinderea se termina in zona umeda, pentru a nu

eroda paletele, umiditatea finala nu trebuie sa depaseasca 12-14% (x0.86);

c)

condensarea

izobara

1-2,

se realizeaza in condensator. Se cedeaza caldura reziduala

q2 = i1t ip , reprezentata in diagrama T-s prin aria a-2-1-b-a. In cazul ideal, punctual 2 se

afla pe curba lichidului, deci entalpia ip

este chiar entalpia de saturatie i la presiunea pc ;

d)

compresia izentropa 2-3, realizata in pompa ; in acest scop se consuma lucrul mecanic

lp = ia ip ,reprezentat in diagrama T-s prin aria 3 -3-2-2 -3 . Deoarece se comprima apa,

lucrul de pompare este foarte mic.

Randamentul termic al ciclului teoretic este :

l

l

p = i0

i1t

(ia ip )= aria(0123450)

t = l = t

q1

q1

i0

ia

aria(a3450ba)

Obisnuit, lucrul mecanic al pompelor se include in consumul serviciilor interne ale instalatiei cu turbine, iar pentru randamentul ciclului se foloseste expresia :

t =

l

=

i

0

i

1t

q1

i0 ia

3.3. Imbunatatirea randamentului termic

Metodele prin care se poate imbunatati randamentul termic al instalatiilor de turbine cu abur, sau cu gaze, se pot imparti in doua grupe :

metode sau procedee legate de alegerea caracteristicilor ciclului termic al instalatiei in care functioneaza turbina, metode prin care se urmareste in special imbunatatirea randamentului termic al ciclului t ;

metode legate de conceptia si executia diferitelor organe ale turbinei, prin care se tinde sa se imbunatateasca randamentul efectiv al turbinei e , prin micsorarea pierderilor ce au loc in turbina.

3.3.1. Influenta presiunii si a temperaturii initiale a aburului

Fig. 9. Variatia entalpiei aburului in functie de presiunea si temperatura initiala a aburului

La variatia presiunii initiale, prin mentinerea constanta a temperaturii initiale, rezulta :

- entalpia initiala i*0 a aburului creste

putin la inceput, dupa care scade continuu ;

- caderea termica H*t la inceput creste, iar dupa atingerea unei marimi Incepe sa scada ;

randametul termic al ciclului t , la inceput creste dupa care incepe sa scada ;

umiditatea aburului (1-x) creste continuu.

Fig. 10. Variatia enalpiei i*0 , caderii de entalpie H*t si randamentului termic t al aburului in functie de presiunea si temperatura initiala a aburului.

Cu cresterea temperaturii initiale, enalpia i*0 , caderea de entalpie H*t si randamentul termic t cresc iar

umiditatea scade (este limitata creterea temperaturii initiale a aburului din cauza fenomenului de fluaj).

3.3.2. Influenta presiunii finale

Presiunea finala la sfarsitul destinderii depinde de tipul turbinei (cu contrapresiune sau cu condensatie). La turbinele cu contrapresiune, presiunea aburului la iesirea din turbina este dependenta de marimea presiunii din reteaua de abur alimentata de turbina. La turbinele navale cu condensatie, presiunea finala se stabileste in functie de zona de navigatie (temperatura apei de racire). Astfel, pentru o temperatura medie a apei de racire de 15oC se admite o presiune finala de destindere de 4000 Pa, iar pentru 27oC, o presiune de 65007000 Pa.

Cu reducerea presiunii finale a aburului, cresc H*t si t . Cu reducerea presiunii finale a

aburului creste volumul specific al aburului, cresc sectiunile de curgere la ultimele trepte, iar turbina se scumpeste. Reducerea presiunii finale sub nivelul presiunii atmosferice, se obtine prin condensarea aburului evacuat in condensator. Dupa modul cum se realizeaza condensarea, condensatoarele pot fi prin amestec sau prin suprafata. In domeniul naval, datorita avantajelor pe care le au, sunt folosite condensatoarele prin suprafata. In fig. 12 este reprezentat un condensator de abur, iar in fig. 13 influenta presiunii de condensatie asupra randamentului termic al turbinei

Fig. 13. Influenta presiunii de condensatie asupra randamentului termic al turbinei.

In condensator se afla vapori in stare de saturatie, la temperatura respectiva si presiunea ps si aer, care patrunde prin neetansetati, sau este adus cu apa de adaus, la presiunea pa . Conform legii lui Dalton, presiunea din condensator va fi pc = ps + pa . Pentru a reduce presiunea din condensator trebuie micsorate cele doua presiuni partiale, ceea ce impune

racirea condensatorului extragerea continua a aerului care patrunde in condensator.

Influenta resupraincalzirii aburului

Randamentul ciclului Rankine poate fi imbunatatit prin resupraincalzirea aburului, care consta in supraincalzirea debitului total de abur dupa destinderea partiala 0 -1 in turbina si reintroducerea lui in turbina pentru a-si continua destinderea (0-1) pana la presiunea din condensator. Resupraincalzirea poate fi repetata de doua sau de mai multe ori.

Prin resupraincalzire, caderea de entalpie H*t creste si deci creste randamentul termic al

ciclului. Avantajul principal al resupraincalzirii consta in imbunatatirea randamentului intern al turbinei, ca urmare a reducerii umiditatii aburului.

In fig. 14 este prezentata schema termica simplificata a instalatiei de propulsie la care este introdusa resupraincalzirea aburului.

Fig. 15. Ciclul Rankine cu resupraincalzirea aburului

4. Preincalzirea apei de alimentare a cazanului

In fig. 16 este prezentata schema termica simplificata a instalatiei de propulsie la care este introdusa preincalzirea apei de alimentare a cazanului.

Fig. 17. Ciclul Rankine cu preincalzirea apei de alimentare

Daca D1 , D2 ,K, sunt debitele de abur preluate de la turbina,

iar i1 , i2 ,K, reprezinta

entalpiile corespunzatoare debitelor D1 , D2 ,K, atunci suma lucrurilor

mecanice interioare ale

fiecarei

parti a turbinei va fi : Li = D0 (i0 i1 )+ (D0 D1 )(i1 i2 )+ (D0

D1 D2 )(i2 i3 )+K,

unde D0

este debitul de abur introdus in turbina. Cadura introdusa in ciclu pentru a produce acest

L

. Notand cu H*t

lucru mecanic este Q = i*0 ia , iar randamentul termic interior ti = Qi

caderea de

entalpie, se obtine :

ti =

L

H*

= i t ,

i

t

H*t

i*0 ia

unde i =

L

este randamentul intern al turbinei iar t =

H*

, randamentul termic al ciclului.

i

t

H*t

i*0

ia

Pentru imbunatatirea randamentului termic al unei instalatii cu turbine cu condensatie se preincalzeste apa de alimentare a cazanului folosind in acest scop continutul de caldura al unui anumit debit de abur extras din unul sau mai multe puncte situate intre etajele turbinei.

Procedeul este cunoscut sub denumirea de carnotizarea ciclului Rankine, iar ciclul se numeste regenerativ. Imbunatatirea randamentului se explica prin recuperarea caldurii latente de vaporizare continuta in aburul extras, care altfel ar fi fost cedata apei de racire a condensatorului. Aburul preluat de la turbina intra in preincalzitorul P (fig. 16), cedeaza caldura cundensandu-se, dupa care condensatul este reintrodus in circuitul principal.

PDF to Word