Domande e Risposte Sistemi Energetici

CONFRONTO TRA STADIO A REAZIONE E AD AZIONE

Supponiamo che due macchine, una a reazione, l’altra ad azione lavorino entrambe nella condizione di massimo

lavoro scambiato e quindi massimo rendimento.

1

2 2

= = , = 2 ; = = 1 , =

cos 2 cos

1 1 1 1

Se i due stadi erogano lo stesso lavoro

2 2

= ⇒ 2 = ⇒ =

√2

cos

1 2

1 1 1

⇒ = cos ⇒ = ⇒ =

1 1 1 1 1

2 √2 √2 √2

Le perdite sono proporzionali al quadrato della velocità 2

2

Le perdite statoriche per azione sono date da ⋉

1

1

⇒ = =2

2

2

Le perdite statoriche per reazione sono date da ⋉

1

1

Le perdite statoriche ad azione sono 2 volte le perdite statoriche a reazione.

Poiché nello stadio a reazione le perdite nella girante e nello statore si possono assumere uguali, le perdite nello

statore dello stadio ad azione sono già pari alle perdite totali dello stadio a reazione.

= 2 = + =

<

Si può affermare che quindi lo stadio a reazione è anche il più efficiente.

48

Schema e principio di funzionamento della turbina di De Laval ad azione semplice. Limiti della turbina di De Laval al

salto entalpico massimo smaltibile. Turbina a due salti di velocità, schema e principio di funzionamento. Triangoli di

velocità nelle due giranti e raddrizzatore. Valutazione del lavoro, del lavoro massimo. Turbina a due salti di velocità:

rendimento total to static. Confronto con il rendimento di una turbina ad azione semplice.

C’è un unico stadio statore-rotore. Il fluido passa da uno statore, una serie di palettamenti fissi dove espande.

La girante è calettata sull’albero, che poggia su dei cuscinetti, sulla quale sono montate una serie di pale a 360° che

costituiscono i canali parlari, i quali sono investiti da fluido che cede la propria energia cinetica mediante il

trasferimento di quantità di moto alla pala.

Le tenute labirinto sono delle tenute meccanico-fluidodinamiche realizzate creando soprattutto delle forti cadute di

pressione accidentali, per fare in modo che, il fluido incontrando una serie di ostruzioni come dischi montati

sull’albero che si vanno ad insinuare all’interno di pale fisse attaccate alla cassa a modi pettine, non abbia energia

sufficiente per uscire. Il vapore incontra un percorso tortuoso, crea delle perdite accidentali molto consistenti, così

che il vapore non ha energia sufficiente per uscire e andare verso l’esterno della macchina.

Viene aperta la valvola di ammissione. Il vapore viene mandato da ogni valvola che ha accesso ad una porzione

d’arco di ammissione nello statore. All’interno di ciascuna porzione ci sono diversi distributori.

Se una valvola rimane chiusa, tutti i distributori che dipendono da essa, non sono alimentati da vapore.

La parzializzazione è il gioco delle valvole che mediante l’apertura e chiusura comandata, fa confluire la portata di

80° ÷ 100°.

vapore in un certo numero di statori, o meglio ugelli. Gli ugelli sono distribuiti su un arco intorno ai

Normalmente si fa in modo che a piena potenza si abbia la massima ammissione di vapore, e dunque tutte le valvole

sono alzate, mentre quando è richiesta meno potenza ne vengono chiuse alcune.

L’operazione di parzializzazione è in genere accompagnata dallo strozzamento, una fase dove la valvola è un po’

aperta, un po’ chiusa, e il vapore che entra viene strozzato, in modo da poter regolare la potenza a piacere. Infatti, se

venissero gestite con un’apertura e chiusura istantanea, si avrebbe una regolazione della potenza a gradini.

La regolazione dell’ingresso del vapore è mista per parzializzazione e strozzamento, normalmente non viene mai

fatta la parzializzazione pura. Siccome lo statore è confinato in un arco,

il rotore non è sempre affacciato allo

statore.

In quegli intervalli di tempo dove sono

affacciati il rotore è viene invaso da

vapore, poi mentre ruota segue in

intervallo dove non vede più vapore.

Successivamente torna ad affacciarsi ai

distributori ed è nuovamente invaso.

Questo modo di operare è possibile solo

per il fatto che la turbina di De Laval è ad

azione, che per definizione ha una

differenza di pressione tra monte e valle

del rotore è nulla. Siccome il vapore

intrappolato nel canale parlare del rotore

non sente la differenza di pressione tra

monte e valle, non ci sono problemi.

Al contrario il rotore di una macchina a reazione, sente e determina una differenza di pressione tra monte e valle.

Questa impostazione non si potrebbe usare perché si innescherebbero dei moti fluidodinamici vorticosi, quando il

vapore non inonda il canale parlare rotorico, che generano delle perdite fluidodinamiche, e quindi un abbassamento

del rendimento. In una macchina a reazione, l’arco di ammissione dello statore deve essere esclusivamente a 360°.

Per questo motivo non si regola: o lavora a pieno carico, o non lavora. 49

La turbina di De Laval ha il vantaggio di essere molto semplice e permette la regolazione, cioè l’ammissione sull’arco

ristretto comandabile attraverso l’apertura e chiusura delle valvole. Ha un ruolo fondamentale per regolare l’intera

potenza dell’impianto.

Il suo grosso limite è che ha delle prestazioni inferiori ad uno stadio a reazione.

Il limite del salto entalpico si riferisce al fatto che questa macchina non riesce a gestire dei salti entalpici molto

/,

grandi, ma al massimo qualche centinaia di mentre dal diagramma di Mollier si può vedere che salto

1300 ÷ 1400 /.

entalpico di un ciclo vapore è nell’ordine dei

C’è un ordine di grandezza di differenza.

la velocità della girante la profondità

lo spessore la densità del metallo con cui è costruita

il raggio 360°,

La ruota è a quindi imponiamo l’equilibrio delle forze, ad

esempio, per la direzione verticale. La somma delle due forze

deve essere uguale e contraria alla forza centrifuga che viene a

generarsi. 2

= ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙

La componente verticale della forza centrifuga

2

= ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ sin

La somma di tutte le forze nella direzione verticale deve uguagliare le due forze nell’altra direzione.

2 2 2 2 2 2

∫ ∙ ∙ ∙ ∙ sin = ∙ ∙ ∙ ∫ sin = ∙ ∙ ∙ ∫ − cos = 2 ∙ ∙ ∙ = 2

0 0 0

2 2

⇒ = = ⇒ =

∙

Lo stato tensionale va con il quadrato della velocità di trascinamento. 6 2

≅ 200 ∙ 10 /

Dato lo stato tensionale ammissibile massimo per i materiali, nell’ordine di

≅ 7000

La densità dei materiali è intorno a 2

≅ 340 /

Quindi la velocità di trascinamento non può superare

= 2 ≅ 260 /.

Di conseguenza ne risente anche il lavoro

(ℎ, )

Dal diagramma dello stadio a reazione trovo che il lavoro dell’espansione complessiva di un gruppo vapore è

= ℎ − ℎ

dato dal salto entalpico .

0 2

Dal diagramma di Mollier dell’acqua il fluido di lavoro,

( = 180 ; = 500°; ℎ = 780 /),

nel punto d’inizio espansione ( = 0.05 ; ; ℎ = 460 /).

mentre nel punto di fine espansione

ℎ = 320 / = 320 ∙ 4.18 = 1338 /.

Quindi il salto entalpico

C’è una grossa differenza tra quello che la turbina può erogare e ciò che mette a disposizione il vapore.

La potenza può essere valutata in un punto qualsiasi perché la porattain massa è sempre la stessa

All’uscita dello statore, che è anche l’ingresso del rotore ̇

= ∙ ̇ = ∙ ∙

1 1

̇

La portata volumetrica 1

: diametro a cui ci si mette all’interno della ruota

ℎ: altezza del palettamento

: coefficiente di ingombro. Tiene conto dello spessore delle pale che va a decurtare la superficie utile 50

Tenendo conto del fatto che solo la componente assiale da un contributo alla portata volumetrica

ℎ

̇ 2

= ∙ ∙ 2 ∙ ℎ ∙ sin = ∙ ∙ ∙ ℎ ∙ sin = ∙ ∙ ∙ ∙ sin

1 1 1 1 1 1 1

sin

1

{ = ⇒ = cos = cos ∙ ⇒ sin = ∙ tan }

1 1 1 1 1 1 1

cos sin

1 1 1

ℎ

̇ 2

= ∙ ∙ ∙ ∙ tan

1 1

′ ′

2 ∙ ∙ 60 ∙

{ = ∙ = ∙ = ∙ = ∙ ⇒ = }

2 60 2 60 ∙ ′

2 2 3

60 ∙ ℎ 60 1 ℎ

̇

= ∙ ( ) ∙ ∙ ∙ tan = ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ tan

1 1 1

′ ′2

∙

L’espressione analitica della portata volumetrica all’uscita dello statore, oltre alle costanti, dipende da:

1

=

che è fissato perché il lavoro massimo si ottiene con .

2

′ che è fissato perché la velocità di rotazione dell’albero, che è collegato all’alternatore, il quale è collegato alla rete

50

elettrica, dipende dalla frequenza di rete che è e dal numero di polarizzazioni secondo la formula. In Europa è

′

= 3000 /.

intorno ai

ℎ che è fissato perché è un rapporto costruttivo-proget