Turbine a vapore
Funzionamento delle turbine a vapore
Le turbine a vapore sono impiegate per ottenere energia meccanica dall'espansione del vapore.
Nelle moderne centrali termoelettriche si raggiungono con le turbine a vapore potenze anche di 1000 MW.
In tutte le turbine a vapore si distinguono due organi fondamentali: un organo fisso, detto distributore e un organo mobile detto girante.
Le condizioni di ammissione del vapore in turbina variano a seconda delle applicazioni e sono legate alla termodinamica del ciclo.
Le pressioni variano da pochi bar fino a valori ipercritici (350 bar), le temperature da condizioni di saturazione fino a 500÷600 °C e per un buon funzionamento della macchina è necessario verificare che il titolo del vapore allo scarico sia superiore a 0,95.
Le turbine a vapore possono essere classificate come segue:
1) turbine ad azione:
- monoruota (De Laval);
- a salti di velocità (Curtiss);
- a salti di pressione (Rateau);
2) turbine a reazione:
- Parsons;
3) turbine miste:
- ad azione e a reazione.
Principio di funzionamento delle turbine a vapore
Le turbine a vapore utilizzano l'energia cinetica che il vapore acquista espandendosi (totalmente o parzialmente) entro condotti fissi, sagomati in modo opportuno, costituenti il distributore.
Successivamente, il vapore, percorrendo i condotti mobili della girante, cede a questa la sua energia cinetica che viene trasformata in energia meccanica.
L'energia cinetica è legata al quadrato della velocità e questa a sua volta dipende dalla differenza di entalpia fra gli stati fisici che il vapore assume negli stati iniziale e finale.
Le turbine a vapore sfruttano pertanto il salto entalpico del vapore e possono essere suddivise in due categorie:
1) Turbine ad azione, nelle quali la caduta di pressione e quindi la caduta termodinamica si trasforma integralmente in energia cinetica nel distributore. Questa si trasforma successivamente in energia meccanica sulla girante;
2) Turbine a reazione, nelle quali solo una frazione della caduta termodinamica si trasforma in energia cinetica nel distributore, mentre la parte rimanente si trasforma lungo le pale della girante. Nella girante si ha la doppia trasformazione della residua energia termica in energia cinetica e dell'energia cinetica complessiva in energia meccanica.
Nelle turbine a reazione, la girante non si muove in un ambiente a pressione costante, come nelle turbine ad azione, in quanto l'espansione del vapore continua attraverso le pale della girante.
È evidente quindi che le turbine a vapore a reazione, analogamente alle turbine idrauliche a reazione, devono avere l'ammissione totale del vapore attorno a tutta la girante.
Una turbina a vapore (si veda immagine seguente) è costituita essenzialmente da una girante G calettata su un albero sostenuto dai supporti A1 e A2.
Turbina a vapore monoruotata.
La girante è provvista alla periferia di pale che ricevono un getto di vapore uscente da ugelli distributori D opportunamente disposti.
Gli organi di tenuta B1 e B2, impediscono al vapore di uscire dalla carcassa.
Scorrendo sulla superficie curva delle pale, il getto di vapore devia dalla sua direzione primitiva ed esercita, per inerzia, una pressione sulle pale.
La risultante di queste pressioni determina il momento motore sull'albero della girante.
Il vapore proveniente dal generatore è nello stato fisico 1 (p1, v1, T1): questa condizione di stato fisico che sul diagramma di Mollier è indicato dall'entalpia h1 rappresenta lo stato fisico del vapore all'ingresso della turbina.
Nella turbina si ha una espansione adiabatica del vapore fino allo stato fisico 2, al quale corrisponde l'entalpia h2.
La caduta di entalpia o salto entalpico (h1-h2) rappresenta il cosiddetto salto motore sfruttato dalla turbina.
Nel caso delle turbine ad azione si ha la completa trasformazione di questo salto entalpico in energia cinetica nel distributore: infatti all'ingresso vi è la pressione p1 di caldaia mentre all'uscita dello stesso vi è la pressione p2 dell'ambiente in cui si muove la girante.
Tale differenza di pressione determina la trasformazione del salto entalpico in energia cinetica, che successivamente sulle pale della girante è trasformata in energia meccanica.
Nel caso delle turbine a reazione, il vapore non si espande completamente nel distributore fino alla pressione p2 di scarico, ma solamente fino a una pressione intermedia p' e continua la sua espansione attraverso i condotti mobili della girante.
Il distributore della turbina a reazione è pertanto dimensionato in modo da trasformare in energia cinetica solo una parte dell'energia disponibile per effetto delle condizioni del vapore.
La sezione complessiva dei condotti del distributore, misurata all'efflusso, corrisponde in base all'equazione della portata a quel valore della velocità che è determinato dalla frazione (h1-h') dell'intero salto entalpico disponibile.
La frazione rimanente (h'-h2) si trasforma poi in energia cinetica lungo le pale della girante, costruite in modo tale da permettere l'ulteriore completa espansione del vapore con conseguente aumento della velocità. Come già esposto, la girante si muove in un ambiente a pressione decrescente.
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