Sturbine di squadra convertire energia cinetica/energia di pressione in energia meccanica; questi vengono utilizzati per la produzione di energia elettrica accoppiando la turbina ad un generatore.
L'efficienza pratica della turbina a vapore varia con le dimensioni, il tipo e le perdite per attrito della turbina. Sebbene il valore massimo raggiunga il 50% per una turbina da 1200 MW, le turbine piccole hanno un'efficienza inferiore. L'efficienza della turbina a vapore viene massimizzata espandendo il vapore in diversi stadi invece che in un unico stadio.
Le turbine a impulsi ea reazione sono due tipi di turbine a vapore; l'efficienza di queste turbine varia. La prossima sezione spiega l'equazione delle efficienze.
Formula di efficienza della turbina a vapore
Molti parametri controllano il vapore turbina efficienza. La turbina a vapore è dotata di ugello/statore e rotore. Quindi, l'efficienza di ciascun componente influisce efficienza della turbina.
La formula di base per il calcolo dell'efficienza della turbina è
Efficienza = Lavoro svolto sulla turbina/energia cinetica in ingresso del vapore
Innanzitutto, definiamo alcune delle efficienze.
Efficienza della lama
L'efficienza della lama è definita come, Il rapporto tra il lavoro svolto sulle pale diviso per l'energia cinetica in ingresso.
Efficienza degli ugelli
Ogni stadio della turbina ad impulsi è dotato di un ugello e di lame. Quindi, l'efficienza complessiva è influenzata dall'efficienza dell'ugello,
L'efficienza dell'ugello è definita come; il rapporto tra l'energia cinetica in uscita dall'ugello e la differenza tra le entalpie di ingresso e di uscita del vapore.
Efficienza del palco
L'efficienza complessiva della combinazione di ugello e stadio della lama è nota come efficienza dello stadio.
L'efficienza dello stadio si ottiene moltiplicando l'efficienza della lama per l'efficienza dell'ugello.
Efficienza isentropica
L'efficienza isoentropica è l'efficienza termodinamica. Questo è anche noto come l'efficienza della seconda legge della turbina.
L'efficienza isoentropica è il rapporto tra il lavoro effettivo prodotto nella turbina e il lavoro massimo possibile prodotto se si è verificato il processo isoentropico ideale.
Efficienza della turbina a impulsi
La turbina ad impulsi utilizza l'energia cinetica del vapore e la converte in energia meccanica. L'energia della pressione del vapore viene convertita in energia cinetica con l'aiuto di un ugello prima di entrare nelle pale del rotore nella turbina a impulsi.
L'efficienza finale di uno stadio, cioè un ugello e un set di pale della turbina a vapore a impulsi, è data come,
(1)
(2)
Dov'è l'efficienza della lama,
(3)
Dove, U è la velocità della lama, V1 è la velocità del vapore in ingresso dall'ugello e ΔVw è la differenza tra la componente del vortice della velocità di ingresso e di uscita
E l'efficienza dell'ugello è,
(4)
dove, h1 e h2 è rispettivamente l'entalpia di ingresso e di uscita del vapore.
Facciamo l'analisi dettagliata dell'efficienza dello stadio,
Di seguito è riportato il triangolo della velocità della turbina a impulsi.
Nella figura il vapore entra dall'alto ed esce dal basso.
Vr è la velocità relativa del vapore
V è la velocità assoluta del vapore
Vw è la componente del vortice della velocità del vapore e Vf è la componente del flusso della velocità del vapore.
U è la velocità della lama
è l'angolo della pala di guida e è l'angolo della lama
I suffissi 1 e 2 rappresentano rispettivamente l'ingresso e l'uscita.
Il componente vortice aiuta a ruotare la pala e il componente flusso aiuta il flusso di vapore sulla turbina. Quindi, viene creato un momento nella direzione di rotazione della lama a causa della differenza nella componente del vortice. Applicando la legge del momento della quantità di moto dà
(5)
la R1=r2=r per una turbina a impulsi.
Quindi,
(6)
Adesso,
(7)
(8)
(9)
Quindi l'efficienza finale della lama è
(10)
(11)
Sostituendo l'efficienza della pala e l'efficienza dell'ugello nell'equazione dell'efficienza dello stadio,
(12)
Ora scopriamo la Vw,
(13)
(14)
Dal triangolo della velocità,
(15)
(16)
Sostituendo questi danno,
(17)
(18)
Dove,
(19)
Applicazione di ΔVw sull'equazione dell'efficienza della pala,
(20)
Dal triangolo della velocità,
(21)
(22)
k è il rapporto delle velocità relative, per lame lisce perfette, k = 1 e altrimenti k è minore di 1.
Differenziazione dell'equazione di efficienza rispetto a U/V1 e l'uguaglianza a zero fornisce i criteri per la massima efficienza della turbina. U/V1 è noto come rapporto di velocità della lama.
Efficienza della turbina di reazione
Analizziamo l'efficienza della turbina a reazione analizzando le più comunemente usate La turbina a reazione di Parson.Il grado di reazione della turbina Parson è del 50%. Il rotore e lo statore sono simmetrici e i triangoli di velocità sono simili.
L'equazione dell'efficienza della pala finale della turbina di Parson è riportata di seguito,
(23)
La turbina a reazione utilizza la forza di reazione per generare la potenza. Il flusso di vapore sopra lo statore, lo statore stesso funge da ugello convergente. Il flusso al rotore è controllato da palette fisse note come statore. Nella turbina a impulsi la pressione rimane costante mentre il vapore scorre sul rotore, tuttavia, nella turbina a reazione la pressione diminuisce mentre il vapore scorre sul rotore.
Ricaviamo l'equazione dell'efficienza.
La figura mostra il triangolo della velocità della turbina a reazione di Parson.
Nella turbina a reazione, l'obiettivo primario è quello di conoscere l'energia totale fornita dal vapore.
Nel caso della turbina a reazione, l'energia viene fornita anche sotto forma di energia di pressione, in aggiunta all'energia cinetica. Pertanto, l'equazione dell'energia in ingresso include il termine per l'energia cinetica e l'energia di pressione. Il termine di energia di pressione può essere rappresentato con la variazione della velocità relativa totale.
Infine, l'energia totale in ingresso
Nella turbina a reazione, l'obiettivo primario è quello di conoscere l'energia totale fornita dal vapore.
Nel caso della turbina a reazione, l'energia viene fornita anche sotto forma di energia di pressione, in aggiunta all'energia cinetica. Pertanto, l'equazione dell'energia in ingresso include il termine per l'energia cinetica e l'energia di pressione. Il termine di energia di pressione può essere rappresentato con la variazione della velocità relativa totale.
Infine, l'energia totale in ingresso
(24)
Per la turbina di parson, V1 = Vr2, V2 = Vr1, a1=β2 e α2=β1
Applicando queste condizioni,
(25)
(26)
Dal triangolo della velocità in ingresso, applicando la regola del coseno,
(27)
Quindi, l'equazione dell'energia in ingresso diventa,
(28)
(29)
Il lavoro svolto è simile a quello di una turbina ad impulso,
(30)
(31)
(32)
(33)
Dove,
(34)
Quindi,
(35)
Finalmente, ,
(36)
Quindi l'equazione efficienza,
(37)
Condizione per la massima efficienza della turbina a vapore
È sempre meglio far funzionare la turbina nella massima efficienza.
Analizzando l'equazione di efficienza spiegata sopra, la variabile che possiamo cambiare è U/V1 , quindi differenziando l'equazione rispetto a U/V1 ed eguagliandolo a zero si ottiene la condizione per la massima efficienza.
Condizione per la massima efficienza della turbina a impulsi
L'equazione per la massima efficienza della turbina a impulsi è,
(38)
Ora, deriviamo l'equazione per la massima efficienza.
L'equazione dell'efficienza della pala della turbina a impulsi è,
(39)
Differenziandolo rispetto a , Per semplificazione prendiamo ρ = U/V1
Quindi,
(40)
L'equazione a zero dà,
(41)
(42)
Questa è la condizione per la massima efficienza.
Applicando questa condizione all'equazione dell'efficienza si ottiene la massima efficienza della pala.
(43)
(44)
Se le lame sono equiangolari, β1=β2, quindi c = 1, e per lame lisce k=1.
Infine, il rendimento massimo della turbina ad azione con pale lisce equiangolari è,
(45)
Condizione per la massima efficienza della turbina a reazione
L'equazione per la massima efficienza della turbina a reazione di Parson è,
(46)
Ora, deriviamo l'equazione.
L'equazione di efficienza della turbina a reazione di Parson è,
(47)
Prendiamo ρ =U/V1
Poi,
(48)
Differenziando questo rispetto a ρ
(49)
Equiparando l'equazione di cui sopra a zero rendimenti,
(50)
Applicando questo sull'equazione di efficienza si ottiene la massima efficienza,
(51)
Curva di efficienza della turbina a vapore
La curva tra e è la curva di efficienza.
La curva di efficienza per turbina ad impulso liscio equiangolare per α=20o è mostrato di seguito,
Tla curva di efficienza della turbina a reazione di Parson per α = 20o è mostrato di seguito,
Fattori che influenzano l'efficienza della turbina a vapore
Ora, possiamo facilmente eliminare i fattori che influenzano la turbina a vapore esaminando l'equazione dell'efficienza.
I fattori che influenzano la turbina a vapore,
- L'angolo della lama (α1)
- Velocità vapore in ingresso (V1)
- La levigatezza della pala della turbina (k)
- Angolo della lama sul rotore.
- La velocità della lama (U)
Efficienza termica della turbina a vapore
Le centrali a vapore sono basate sul ciclo Rankine. Quindi, l'efficienza dell'impianto è calcolata in base al ciclo Rankine
L'efficienza termica della centrale elettrica a turbina a vapore è definita come,
(52)
La figura mostra il ciclo Rankine ideale, dalla figura l'efficienza termica può essere calcolata come,
(53)
Come calcolare l'efficienza della turbina a vapore?
L'efficienza è il rapporto tra il lavoro ottenuto e il lavoro dato.
L'efficienza della turbina a vapore può essere calcolata misurando la quantità di lavoro prodotta dalla turbina alla quantità di energia fornita. L'energia fornita dipende dal vapore in ingresso e la potenza in uscita dipende dalla turbina.
L'equazione per calcolare l'efficienza della turbina è spiegata nelle sezioni precedenti.
In una centrale elettrica a vapore, calcoliamo l'efficienza calcolando il rapporto tra la quantità di elettricità prodotta e l'equivalente energetico del combustibile bruciato. L'efficienza dell'impianto a vapore dipende da ciascun componente, che include turbina a vapore, caldaia, pompa, generatore di elettricità, ecc.
Come migliorare l'efficienza della turbina a vapore?
I metodi per migliorare l'efficienza della turbina a vapore sono,
- Migliora il design delle pale delle turbine.
- Ridurre al minimo le perdite di attrito.
- Aumenta la velocità del vapore, ottenuta ottimizzando la temperatura e la pressione del vapore.
- Ridurre al minimo la perdita di vapore in turbina
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