Cap. VI ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE TURBINELOR CU GAZE

6.1. Turbina cu gaze. Elemente constructive.Turbina cu gaze este construit din urmtoarele mecanisme i piese principale componente:a) postamentul (placa de baz)b) statorul (partea fix) coninnd: ajutajele; paletele directoare; diafragmele; labirinii de etanare; lagre (paliere) radiale; lagre (paliere) axiale - de mpingere.c) rotorul cu paletele mobile;d) compresoarele de nalt si joas presiune;e) camerele de ardere;f) regulatorul de turaie;g) circuitul de ungere;h) circuitul de rcire;i) recuperatoarele de cldur;j) rcitoarele de aer.

Figura 6.1. Seciune prin turbina cu gaze LM 2500.

6.2. Compresorul Necesar alimentrii cu aer a instalaiei la presiunea corespunztoare funcionrii acesteia, este de tipul turbocompresor, acionat de ctre turbina de gaze prin cuplare direct sau prin intermediul unor multiplicatoare de turaie.Compresoarele axiale n care circulaia aerului este aproximativ paralel cu axa mainii, construite din 6-14 trepte i avnd randament de aproape 85% se utilizeaz n unitile energetice de baz. Dei la randamente mai sczute (75%) datorit construciei mai simple i dimensiunilor mai reduse, compresoarele centrifuge, al cror randament este mai puin influenat de variaia debitului sau a sarcinii instalaiei (avnd curbe caracteristice mai aplatizate), se utilizeaz la turbine cu gaze n instalaii care lucreaz n regim variabil, fiind construite din 1-3 trepte.

Figura 6.2. Compresorului axial.a - seciune longitudinal : b - seciune circular prin paletele primului etajPrincipiul de funcionare a compresorului axial poate fi urmrit pe schema din fig. 2, n care este prezentat o seciune longitudinal printr-un compresor axial cu XIV etaje (a), precum i o seciune circular desfurat a etajului I i a paletelor de dirijare a aerului (b). Prin antrenarea rotorului aerul aflat ntre paletele acestuia va fi pus n micare i se va scurge n lungul aripioarelor, mrindu-i continuu viteza i presiunea. Ca urmare, presiunea din faa paletelor rotorului se reduce, ceea ce d posibilitatea ca aerul s fie aspirat n compresor. O dat ieit din paletele rotorului, aerul intr n aparatul director unde, datorit transformrii energiei cinetice n energie potenial, presiunea continu s creasc; din aparatul director aerul este aspirat n etajul urmtor al compresorului. Deoarece procesul de scurgere a gazelor n canale divergente i curbate conduce foarte uor la dezlipirea contactului dintre aer i palet i la apariia de turbioane care consum o mare cantitate de energie, paletele nu pot fi curbate prea mult, iar variaia seciunii acestora nu trebuie s depeasc anumite valori. Evident, acest lucru limiteaz creterea presiunii pe etaj ( k = 1,151,3), ceea ce impune sporirea numrului de etaje la 1015. n plus, funcionarea compresorului axial este deosebit de sensibil la modificarea regimului de lucru. Cum rezult din fig. 2 a, seciunea de scurgere a aerului prin compresor se reduce (deoarece pe msur ce este comprimat aerul i micoreaz volumul specific). Valoarea seciunii de scurgere este astfel aleas, nct s asigure condiiile optime de funcionare a compresorului la regimul de calcul. Cnd compresorul funcioneaz la o turaie mai mic presiunea scade, iar volumul specific crete. ntruct seciunea de trecere rmne neschimbat, se modific condiiile de scurgere n toate etajele compresorului, ceea ce creeaz posibilitatea apariiei fenomenului de pompaj, caracterizat prin instabilitatea funcionrii compresorului, prin pulsaii ale debitului, prin vibraii ale paletelor rotorului, statorului i ale carcasei. Pentru a mpiedica apariia pompajului, unele compresoare sunt prevzute cu dispozitive de evacuare a unei cantiti de aer dintre etajele intermediare, care intr n funciune cnd compresorul lucreaz la turaii reduse.Compresorul centrifugal (fig 6.3) se compune dintr-o carcas (1) n care se rotete un rotor cu palete (2), un difuzor (3) i canalizaiile de evacuare spre camerele de ardere. Prin antrenarea rotorului aerul dintre palete este refulat ctre periferie de fora centrifug; concomitent, presiunea i viteza de scurgere a aerului cresc. La ieirea din rotor, aerul este comprimat pn la presiunea p i are energia cinetic corespunztoare vitezei de ieire. Din rotor aerul intr n difuzorul compresorului, ntruct seciunea de trecere prin difuzor crete continuu, viteza de scurgere a aerului se reduce, iar parte din energia sa cinetic se transform n energie potenial (presiunea crete n continuare). S-au construit compresoare al cror difuzor nu are palete. Cu toate acestea, i la compresoarele de acest tip are loc o reducere a vitezei de scurgere a aerului i o cretere a presiunii, ce-i drept mai mic, ntruct apar pierderi prin turbulen.Partea principal a compresorului centrifugal o constituie rotorul, care are rolul de a transmite aerului energia mecanic primit de la turbin. Din punct de vedere constructiv, compresorul centrifugal poate fi deschis (fig.6.4,a), seminchis (fig.6.4,b) sau nchis (fig. 6.4,c). In majoritatea cazurilor se ntrebuineaz compresorul seminchis, care este relativ simplu i are randament de funcionare bun. Obinuit, la compresorul centrifugal admisia aerului se face dintr-o singur parte. S-au construit i compresoare centrifugale la care admisia se face prin ambele pri ; aceast soluie constructiv se adopt de regul cnd se impun debite mari de aer.Dup modul de curbare a paletelor rotorului, acestea se mpart n compresoare cu paletele curbate napoi (fig.6.4,d), cu palete radiale (fig.6.4,e) i cu palete curbate nainte (fig. 6.4,f). Primele dou tipuri sunt cele mai rspndite, ntruct asigur randamente ridicate. Pentru mbuntirea condiiilor de admisie a aerului, n majoritatea cazurilor rotorul este prevzut cu un anterotor, care are rolul de a dirija aerul fr ocuri pe timpul trecerii sale de la scurgerea axial la scurgerea radial.

Figura 6.3. Compresor centrifugal1 - carcasa ; 2 - rotorul ; 3 - difuzorul.

n comparaie cu compresorul axial, compresorul centrifugal prezint avantajul c are o mare stabilitate pe timpul funcionrii (pericolul apariiei pompajului este mai redus) i permite obinerea unor rapoarte de comprimare mult mai ridicate pe etaj (n = 4,5-6). Reglarea compresorului se face pe de o parte pentru a-i mbunti funcionarea pe timpul ct acesta lucreaz n afara regimului de calcul, iar, pe de alt parte, pentru a mpiedica apariia pompajului. De obicei, reglarea se efectueaz prin evacuarea unor cantiti de aer din etajele intermediare i cu ajutorul aparatului director cu palete rotative. Prima metod, a crei necesitate a fost subliniat, se folosete pentru reglarea compresoarelor axiale; cea de-a doua se utilizeaz pentru reglarea ambelor tipuri de compresoare (ndeosebi a celor centrifugale).Factorii care influeneaz randamentul compresorului sunt aceiai care afecteaz i randamentul turbinei (frecarea aerului de palete i canalizaiile de conducere, turbioanele care apar la trecerea din reeaua de palete a statorului n aceea a rotorului i invers, turbioanele dintre cele dou reele de palete, pierderile mecanice, ca urmare a frecrii rotorului n aer, precum i pierderile prin frecri din lagrele de susinere. Randamentul total al compresoarelor utilizate la construcia turbinelor cu gaze este cuprins ntre 0,75 i 0,90. excesul att de mare de aer creeaz instabilitate. De aceea pentru a stabiliza combustia este necesar organizarea special a camerei de ardere. Astfel, aerul care intr n camera de ardere se mparte n dou curente. O parte (1525% din cantitatea total) se trimite ntr-o zon a camerei de ardere unde are loc combustia propriu-zis i unde se ating temperaturile de l5001900C ; acest curent de aer se numete i aer primar. Cealalt parte, denumit i aer secundar, are rolul de a rci pereii camerei de ardere propriu-zise i de a cobor temperatura produselor de ardere (cu care se amestec) pn la valoarea admis de turbin.

a)d)

b) e)

c) f)Fig. 6.4. Tipuri de compresoare centrifugale a - compresor centrifugal cu rotor deschis; b - compresor centrifugal cu rotor semideschis, c - compresor centrifugal cu rotor nchis: d - rotor cu palete curbate napoi; e - rotor cu palete radiale: f - rotor cu palete curbate nainte.

O alt particularitate a procesului de ardere din turbinele cu gaze este aceea c viteza de scurgere a aerului n camera de ardere atinge valori foarte mari (uneori de 120 m/s). Obinuit, arderea n cureni de aer att de puternici este foarte greu de realizat. De aceea camera de ardere propriu-zis este astfel organizat nct, pe de o parte, n ea viteza aerului s nu depeasc 80 m/s, iar, pe de alt parte, s favorizeze formarea amestecului dintre combustibilul injectat i aer, vaporizarea i arderea combustibilului.Din particularitile procesului de ardere rezult unele condiii de care trebuie s se in seama la construcia camerelor de ardere ale turbinelor cu gaze. Astfel, camerele de ardere trebuie s permit ca:- arderea s se fac complet i stabil la toate regimurile de funcionare ;- la ieirea din camera de ardere gazele s aib temperatura uniform i s nu depeasc valoarea maxim stabilit;- pierderile de presiune s fie minime; - pornirea s se fac rapid i fr greutate.In funcie de puterea motorului i de destinaia sa se utilizeaz mai multe tipuri de camere de ardere. Se deosebesc astfel : camere individuale de ardere, camere de ardere bloc i camere de ardere inelare.6.3 Camera de ardereEste partea din instalaie n care energia chimic a combustibilului se transform n energie termic a gazelor rezultate din ardere, a cror temperatur se reduce prin amestecarea cu aer suplimentar introdus pn la valoarea necesar alimentrii turbinei.Scheme de camere de ardere i elementele principale de construcieCea mai simpl schem de camer de ardere este ilustrat n figura 6.5,a, aerul ce ptrunde n camer se mparte n dou pri primar i secundar. Aerul primar care trece prin sistemul de direcionare 1 se turbioneaz i ajunge n camera de ardere unde produce oxidarea combustibilului ce ptrunde prin injectorul 3. Combustibilul care se aprinde este introdus prin dispozitivul de aprindere 2. Aerul secundar trece prin zona tubular dintre tubul de flacr 4 i corpul de rezisten 5 i este folosit pentru rcirea tubului de flacr la sfritul camerei cu ajutorul amestectorului 6. Aerul secundar se amestec cu produsele de ardere sczndu-le temperatura.

Figura 6.5. Seciune prin camera de ardere a unui sistem de turbin cu gaze

Sistemul de direcionare a aerului Este folosit pentru distribuirea aerului primar prin spaiul de ardere a camerei, precum i turbionarea acestuia cu scopul obinerii unui amestec aer-combustibil cat mai omogen, pentru ndeplinirea condiiilor unei flcri stabilizate. Cele mai rspndite S D A sunt cele cu palete de turbionare (registre) ce sunt echipate cu palete drepte sau profilate(figura 6.6.a,b,c,d).

Figura 6.6. Sisteme de direcionare ale aerului pentru camera de ardere.Fluxul axial ce trece prin palei cu viteza pal i schimba direcia cu un unghi o, se rsucete i mai departe se deplaseaz pe o traiectorie spiralat. Datorit forei centrifuge se ajunge la un nsemnat gradient radial de presiune i vitez care mbuntesc gradul de turbionare a fluxului si, implicit, obinerea unui amestec mai omogen (figura 6.5 b,c). Pe msura naintrii fluxului n interiorul camerei de ardere, presiunea n seciunea transversal se egaleaz, lucru ce conduce n zona axial l la o cdere de presiune care produce o curgere invers a produselor de ardere. n privina cldurii cedat rdcini flcrii de ctre produsele de ardere, acestea realizeaz aprinderea continua a amestecului proaspt combustibil-aer. In acest felul sistemul de turbionare cu palei ndeplinete rolul nu numai de turbionare dar i de stabilizare a flcrii. Sistemului de turbionare cu palei se caracterizeaz prin unghiul de direcionare a fluxului o raportul dreg/Dreglimea registrului h si numrul paletelor z.n funcie de posibilitile de dispunere a paletelor, dispozitivele de turbionare se mpart n: semiconice, conice, cilindrice i combinate (fig. 6.6. a,b,c). n practic, o mare rspndire o au dispozitivele de turbionare etajate (fig. 6.6. d), care se compun din sisteme cu registre i conuri de trecere. n asemenea dispozitive aerul necesar arderii ptrunde secvenial sau printr-un flux paralel, ceea ce, n coroborare cu dispunerea dispozitivelor de turbionare i cu registrele vecine, conduce la un amestec omogen i o pulverizare mai bun a combustibilului.n afar de dispozitivele de turbionare cu palei, se folosesc i dispozitive de direcionare a aerului cu admisie tangeniala a acestuia (fig. 6.7.a) precum i dispozitive de direcionare a aerului de tip stratificat ce se bazeaz pe producerea n zona amestecului primar a unui mod de turbionare ce asigur amestecarea combustibilului cu aerul (fig. 6.7.a,II).

d)Figura 6.7. Dispozitive de direcionare ale aerului n camera de ardere.Se mai folosesc ca dispozitive de direcionare ale aerului, cele cu admisie inelar a acestuia (fig. 6.7.b) n care aerul intr prin conducta unghiular cu despritor, precum i cele cu admisia aerului prin perete perforate (fig. 6.7c).Adesea se ntlnesc dispozitive de direcionare a aerului mixte, n care se folosesc i dispozitive de turbionare cu palei i cele cu admisie stratificat a aerului (fig. 6.7. d) Dispozitivele de injecie sunt destinate introducerii combustibilului n camerele de ardere, pulverizrii lui n particule cu diametre ct mai mici i dispunerea omogen a acestuia n volumul tubului de flacr. n cazul folosirii combustibilului uor se adopt sisteme mecanice sau pneumatice de diferite tipuri. Pentru turbinele cu gaze navale se folosesc cu predilecie injectoare centrale.Tubul de flacr - delimiteaz zona de ardere i este unul din cele mai solicitate componente ale camerei de ardere, deoarece el primete fluxul cel mai mare de cldur.

Figura 6.8. Soluii constructive ale camerei si tubului de flacr n vederea obinerii unei rciri ct mai eficiente a acestuia. Durata de funcionare al tubului de flacr depinde de timpul de funcionare al camerei de ardere i de aceea pentru prelungirea timpului de exploatare se acord o deosebit atenie construciei acestuia. Sunt necesare metode i forme de construcie care s asigure rcirea efectiva a acestuia precum posibilitatea de dilatare termic.Asigurarea rcirii se face prin adoptarea de soluii constructive adecvate. Astfel pentru unele camere de ardere tubul de flacr este construit din virole cilindrice n exteriorul crora, n canalul inelar, se deplaseaz aerul de rcire (fig. 6.8,a). n aceasta situaie suprafaa interioara a tubului de flacr primete cldura de la flacra produs prin arderea combustibilului pe cale convectiv i prin intermediul radiaiei termice. Aerul de rcire circul pe partea exterioar peretelui tubului de flacr. Pot fi utilizate scheme constructive cu sisteme prevzute cu deschideri (fig. 6.8,b) sau fante inelare (fig. 6.8,c). O alt posibilitate este utilizarea mai multor virole, n cazul acesta denumindu-se tub de flacr telescopic (fig. 6.8,d). O variant a acestui tip constructiv este tubul de flacr cu dispunere n solzi, constituit din conuri ntreptrunse (fig. 6.8,e). sau tubul de flacr telescopic cu aripioare longitudinale i transversale(fig. 6.8,f). Pe scar larg la turbinele cu gaze navale se utilizeaz camere de ardere cu rcire interioar convectiv a tubului de flacr prin rsucirea aerului secundar (fig. 6.8,g). Rsucirea aerului de rcire se face cu ajutorul unor registre speciale montate la nceputul tubului. Avantajul unei asemenea construcii const n faptul c tubul de flacr, pe toat lungimea lui, este protejat de atingerea cu flacra produs prin arderea combustibilului, transferul de cldur de la perete tubului la fluxul rsucit fiind ridicat.Necesitatea scderii temperaturii metalului din care este construit camera de ardere a dus la apariia tuburilor de flacr extrem de simple n construcie. Necesitatea utilizrii celor dou modaliti efective de rcire - cu jet i prin turbionare a adus cu sine necesitatea construciei unui tub de flacr cu perete dublu, artat n figura 6.8.h. Nu toate construciile de tuburi de flacr sunt agreate de sistemele de propulsie navale; de exemplu schemele cu dispunerea n solzi precum i cele cu perei dubli au o construcie complicat i o greutate mare. Camera de ardere poate fi protejat de supranclzire cptuind interiorul cu material ignifug. Materialele ignifuge, dup cum se tie, pot s reziste la temperaturi foarte nalte (pn la 1700 K), dar cptuirea tubului de flacr are o fiabilitate destul de mic datorit tensiunilor termice generate de modificrile frecvente de temperatur.

Dispozitivul de aprindereEste destinat aprinderii combustibilului n camera de ardere n momentul pornirii instalaiei. Pentru aprinderea amestecului carburant este folosit un dispozitiv electric de aprindere sau pentru sistemele mai vechi cu flacr deschis. Cel mai utilizat este cel cu aprindere electric. Aceste dispozitive produc ntre electrozi un arc electric cu temperatura de 10000-15000 K care aprinde combustibilul de pornire, iar acesta pe cel principal.

Dispozitivul de stabilizareEste destinat asigurrii stabilitii procesului de ardere. Aceasta se face pe calea ridicrii locale a temperaturii la baza flcrii i micorarea vitezei de micare a fluidelor de lucru.

Figura 6.9

Pentru mrirea transmiterii cldurii la baza flcrii, se folosete curgerea convectiv invers (circulaie invers) a produselor de ardere. O asemenea curgere se poate obine prin micarea jetului rsucit (fig. 6.5,b,c), instalarea n jet a corpurilor cu o aerodinamic sczut (fig. 6.9,a), care produc turbioane n zona tubului de ardere sau prin instalrea unor trepte ataate pereilor (fig. 6.9, b).AmestectorulAsigur amestecarea aerului secundar cu produsele de ardere pentru obinerea unei temperaturi cerute la finele camerei. Cele mai rspndite amestectoare sunt cele cu orificii profilate de o anumit form peste care trece jetul de produse de ardere. (amestectoare cu guri (fig. 6.10.a). n camerele de ardere cu un diametru prea mare pentru obinerea fluxului aerului secundar se adopt amestectoare cu palete (fig. 6.10.b). n aceste camere turbionarea fluxului periferic este fcut de ctre paleii amestectorului i este direcionat spre zona central unde ntlnete produsele de ardere.

Figura 6.10

Clasificarea camerelor de ardere

Clasificarea camerelor de ardere se poate face dup:a - tipul de combustibil folosit:- camere de ardere pentru combustibil uor (benzina, cherosen, motorina) n dou variante cu injectarea combustibilului uor n zona de ardere i cu alimentarea n spaiul de ardere cu combustibil vaporizat;- camere pentru combustibil greu;- camere pentru combustibil solid;- camere pentru arderea gazelor naturale i GPL; b - destinaie: camere de ardere principale (de propulsie); camere de ardere ajuttoare pentru turbogeneratoare.c - caracteristica de micare a aerului i gazelor: - echicurent (fig.6.11,a);- contracurent (fig. 6.11,b);- camere unghiulare de ardere (fig. 6.11,c)

Figura 6.11

d- posibilitatea mpririi fluxului de aer n primar i secundar- camere cu divizare mecanic (fig. 6.12,a);- camere cu divizare aerodinamic a aerului (fig.6.12,a)

e- felul soluiei constructive:- camere de ardere tubulare individuale (fig. 6.13.);

Figura 6.12- camer de ardere inelar (fig. 6.14. ); - camere de ardere tubulare bloc (fig. 6.15.); - camere de ardere tubular inelare (fig. 6.16.).

Figura 6.13. Schema instalaiei de turbin cu gaze cu camer de ardere individual.

Figura 6.14. Schema instalaiei de turbin cu gaze cu camer de ardere inelar.

Figura 6.15. Schema instalaiei de turbin cu gaze cu camere de ardere tubulare.

Figura 6.16. Schema instalaiei de turbin cu gaze cu camere de ardere tubular inelare.Performantele unei camere de ardere pot fi exprimate prin:- randamentul transformrii energiei chimice a combustibilului n creterea de entalpie a produselor arderii. Din cauza nenumratelor interdependene a proceselor fizice (curgere 3D cu zone bifazice si cureni de ntoarcere, cu schimb de masa si transfer de cldur), care influeneaz desfurarea arderii elaborarea unui model complet al acesteia. pe baza cruia camera de ardere s poat fi configurat i dimensionata sau caracteristicile acesteia s poat fi evaluate cantitativ nu exista pana n prezent. Proiectanii combin succesiv i alternativ cercetarea experimental cu cea teoretic. Sunt folosite metode de calcul numerice cum e de exemplu codul comercial CFDS-FLOW3D care poate trata curgeri tridimensionale vscoase i turbulente (ecuaii Reynolds). Cercetrile experimentale se efectueaz pe modele transparente, aplicnd analogia hidraulic, sau pe elemente (sectoare) de camere reale n condiii de exploatare folosind velocimetria laser-Doppler .- cderea presiunii (totale) a fluidului aer - gaze de ardere la trecerea prin camera de ardere, care depinde de caracteristicile curgerii vscoase prin orificiile i fantele pentru introducerea aerului n tubul de foc precum i de variaia densitii mediului care trece prin tubul de foc, cauzate de procesul de ardere. Condiiile pe care trebuie s le satisfac o camer de ardere sunt urmtoarele:- s asigure o ardere complet i stabil la toate regimurile de funcionare ale turbinei i s realizeze temperatura prescris pentru gazele rezultate. Condiia este destul de greu de realizat, din cauza excesului mare de aer cu care funcioneaz instalaiile de turbine cu gaze, raportul dintre debitul de aer i debitul de combustibil fiind adeseori foarte mare: (60/1320/1). De aceea aerul se introduce treptat, la nceput se introduce o cantitate relativ mic de aer, numit aer primar, att ct s asigure arderea cu un factor de excedent de aer de 1,1...l,5 (aproximativ 20-30%). Ulterior pentru omogenizarea amestecului dintre combustibil i aer se introduce aerul secundar, care, prin turbioanele pe care le provoac, realizeaz un amestec mai intim ntre cele dou medii. La sfrit se introduce aerul teriar, pentru rcirea gazelor pn la temperatura dorit. Repartiia orificiilor de introducere a aerului teriar trebuie astfel realizat nct distribuia temperaturii gazului la ieirea din camera de ardere s fie ct mai uniform pe seciune pentru a evita supranclziri locale ale primei trepte sau ale carcasei turbinei;- s permit o aprindere uoar i sigur; - s nu provoace depuneri de funingine, pentru a se evita ancrasarea reelelor de palete ale turbinei.- s aib o ncrcare termic mare, la un volum mic. Valorile realizate au atins (3,5...35) MW/m3 n cazul turbinelor staionare i 120 MW/m3 n cazul turboreactoarelor;- s aib o mas mic i un pre de cost redus; - s aib un randament ridicat. Prin randamentul camerei de ardere se nelege raportul dintre cldura cedat gazelor de un kg de combustibil i puterea calorific inferioar a combustibilului. Randamentul astfel definit este de (94...99,5)% sau chiar mai mare;- s aib pierderi de presiune mici. Trebuie observat c, n camerele de ardere foarte compacte, de tipul celor folosite de aviaie, nu se realizeaz o ardere complet. De aceea consumul de combustibil se va aprecia mai mare cu circa 5%

Figura 6.16. Camera de ardere.

6.3.1. Construcia camerelor de ardere a turbinelor cu gaze navale.6.3.1. 1. Construcia camerei.

n practica construirii turbinelor cu gaze navale s-au urmrit dou direcii: prima vizeaz elaborarea instalaiilor navale speciale, iar a doua se bazeaz pe posibilitatea de adaptare la cerinele maritime ale turbinelor cu gaze cu diferite distincii (n special cele folosite n aviaie).

Figura 6.18. Schema camerei de ardere a unei instalaii de turbine cu gaze de 960 kW.

Camerele de ardere ale unei astfel de turbine care lucreaz pe baza unui ciclu simplu deschis cu regenerarea cldurii, este ilustrata n fig 6.18. Camera de ardere este dispus in colectorul inferior al regeneratorului, ndeplinind rolul de rigidizare a corpului i este calculat pentru funcionarea pe combustibil marin greu cu temperatura gazelor de ardere la ieire de 873 K. Din evile 2 ale regeneratorului aerul ptrunde n spaiul circular dintre corpul 4 i virola 3, unde se mparte n dou fluxuri. Aerul primar prin sistemul de directoare al acestuia, echipat cu paletele radiale 9, ptrunde n zona de ardere. n partea central a dispozitivului de direcionare a aerului se gsete duza principal (injectorul) de pulverizare 10 i duza de pornire 11, cu ajutorul creia se injecteaz combustibil uor. Aprinderea combustibilului uor pentru pornire se face cu aprinztorul electric 12. Aerul secundar din spaiul circular dintre corp i tubul de flacr ptrunde prin orificiile virolei n zona amestecului secundar 5 unde rcete produsele rezultate prin arderea combustibilului pn la temperatura cerut. Din zona 5 amestecul de gaze i aer se ndreapt prin difuzorul 5 spre turbin. Virola interioar 1 delimiteaz zona camerei de ardere. Pentru camera de ardere exista posibilitatea rotaiei axiale i radiale a tubului de flacr datorit dilatrii termice a acestuia. Deplasarea radial se face cu ajutorul bolurilor glisante 6 i 8, iar cea axial pe seama jocului dintre virolele tubului de flacr i partea frontala a difuzorului. Pentru scurgerea combustibilului ajuns n camer datorit eventuale lansri nereuite sau ncetrii accidentale a arderii, camera este prevzut cu racordul de drenaj 7.Camerele descrise au lucrat n cadrul instalaiei de turbine cu gaze mai mult de 20000 ore, dintre care peste 6700 ore pe combustibil greu [2].

Figura 6.20. Schema unei camere de ardere pentru o instalaie de 4050 kW.

n figura 6.20 este prezentat schema unei camere de ardere pentru o instalaie de 4050 kW,(5500 CP). Aerul ptrunde n camera prin dou racorduri circulare 14 n spaiul dintre tubul flcrii 9 i corpul camerei 20. Aerul primar se deplaseaz n jos i ajunge n dispozitivul de direcionare a aerului constituit din sistemul de turbionare 1. Cele patru registre ale sistemului direcioneaz fluxurile de aer ntr-o singura direcie, care pe lng amestecarea combustibilului cu aerul mai realizeaz i o uniformizare a temperaturii tubului de flacr. n cmaa dispozitivului de turbionare se instaleaz duzele 2, avnd curgere invers, permind reglarea consumului de combustibil n intervalul 8.100[%]. La trecerea instalaiei din regim de sarcin maxim la jumtate, consumul de combustibil scade, presiunea gazelor rezultate prin ardere scade i ea de la kPa pn la kPa. Camera este proiectat pentru arderea combustibilului marin greu care este injectat n zonele de lucru ale instalaiei. n timpul pornirii prin duza central este injectat combustibil uor care este aprins de aprinztorul electric 12. Dup aprindere, aprinztorul, cu ajutorul aparatului hidraulic 3, se retrage din camer. Pentru o astfel de camer de ardere este prevzut un mecanism de schimbare a duzelor fr oprirea instalaiei.Tubul de flacr este alctuit din trei virole cilindrice 7, 8 i 9. Primele dou virole delimiteaz zona de ardere precum i fundul 4 cu plcutele ceramice 6. Virola 9 aparine zonei secundare de amestec i are trei rnduri de orificii. n prima parte a camerei este situat conul de aduciune i racordul ce duce la turbin. n locul de mbinare a conului cu virola 9, conul are o prelungire longitudinal pe nveliul de capt.Corpul de rezisten al camerei este compus din partea cilindrica 5 i 17, capacul de fund 21 i capacul superior 11. Flanele de mpreunare ale prilor cilindrice sunt prevzute cu nervuri interioare pe care, cu ajutorul suporilor (braelor n consol) este instalat tubul de flacr. n felul acesta este asigurat centrarea tubului de flacr i posibilitatea de dilatare termic. Pe partea inferioara a camerei sunt instalate duzele pentru pulverizarea combustibilului, precum i valvula de drenare 13. Pe partea cilindric a corpului camerei i a capacului superior sunt prevzute dou vizoare 16 pentru vizualizarea flcrii n timpul arderii. n camer sunt instalate i dou sesizoare pentru vizualizare flcrii din camera de ardere. Corpul camerei de ardere este suspendat de racordul turbinei de nalt presiune. Pentru diminuarea greutii camerei, aceasta este prevzut cu un sistem de contragreuti 18. Camera 10 poate gira pe patru direcii cu penele 19 dispuse pe flana corpului de rezisten.

In regimul de sarcin maxim temperatura aerului de ardere la intrare este de 550 [K], iar temperatura gazelor dup camer este de 923 [K]. Consumul de combustibil este de 1650 kg/h, coeficientul de exces de aer = 9. Camera a funcionat mai mult de 5000 ore, randamentul termic s-a situat ntre 9798[%] iar, pierderile de presiune nu au depit 2 [%]In figura 6.21 este ilustrat una din cele dou camere de ardere cilindrice conectate n paralel ce echipeaz sistemul naval de propulsie cu turbinele de gaze RM-60.Aceast instalaie produce 3970 kW i a fost proiectat de firma Rolls-Royce. Camera de ardere n echicurent este construit n conducta de legtur dintre regenerator i turbina cu gaze. n centrul prii principale este dispus dispozitivul de turbionare cu palete 10 i discul 11, fixat pe conul sistemului de turbionare 7. n cmaa dispozitivului de turbionare este instalat sistemul de pulverizare a combustibilului 8, ce poate regla cantitatea de combustibil injectat ntre 10 i 100[%].Tubul de flacr al camerei este constituit din virolele 15 al cror diametru se mrete n direcia fluxului de aer. Pe borduri sunt practicate orificii (n prima virol dou rnduri de orificii, iar n urmtoarele cte un rnd) prin care ptrunde n interiorul tubului de flacr aerul secundar realizndu-se astfel

Figura 6.21. Camera de ardere a sistemul de propulsie cu turbinele de gaze navale RM-60.

rcirea acestuia.n partea principal a camerei de ardere tubul de flacr este susinut de conul 6, care este ntrit pe corpul de rezisten 14 cu ajutorul conului de etanare 5. n raionul dispozitivului de turbionare, virola tubului de flacr prezint sectorul profilat 9. Canalele practicate n disc i sectorul profilat sunt folosite pentru mrirea vitezei locale a aerului care duce la intensificarea procesului de rcire a discului.Aerul primar ptrunde n zona de ardere prin dispozitivul de turbionare cu palete 7 i conul tubului de flacr 6. Aerul secundar intr prin spaiul circular din jurul tubului de flacr i corpul de rezisten. O parte din aerul secundar intr n zona de ardere prin orificiile 13 folosite pentru ardere, o alt parte trece prin amestectorul cu guri 16 reducnd temperatura produselor de ardere.Corpul camerei de ardere este dotat cu vizorul 3, conductele de drenaj 12 i 17 precum i compensatorul 2 i virola 1 sudat n cteva locuri pe conturul suprafeei interioare care d posibilitatea dilatri termice a tubului de flacr n cazul curgeri minime ale aerului de rcire.Pentru aprinderea inial a combustibilului este instalat dispozitivul de aprindere cu flacr 5. Schema dispozitivului de pornire este ilustrat n figura 6.22. Duza de pornire 1 cu electrovalvula 2 i aprinztorul electric 3 sunt dispuse ntr-un singur corp 4. Partea inferioar a corpului ce intr n camera sudat de tubul de flacr 5 are un rnd de orificii prin care ptrunde aerul n duza de pornire i aprinztor. n momentul pornirii se deschide electrovalvula i combustibilul de pornire se aprinde n urma trecerii prin aprinztorul electric. In felul acesta, n corpul aprinztorului apare o flacr de pornire care ptrunde

Figura 6.22. Dispozitivul de aprindere al camerei de ardere pentru sistemul de propulsie cu turbinele de gaze navale RM-60.

prin orificiu n tubul de flacr, aprinznd combustibilul principal. Dup aprindere valvula 2 se nchide i dispozitivul de aprindere se deconecteaz.Camera a fost proiectat s funcioneze cu combustibil diesel uor. Coeficientul de exces de aer la sarcin nominal ajunge la 4,65 cu un consum de combustibil de 800 kg/h.

Figura 6.23. Schema camerei de ardere cilindrice in echicurent utilizat la sistemul de turbine cu gaze GTY-6.

n figura 6.23 este ilustrat schema unei camere de ardere cilindrice n echicurent utilizat la sistemul de turbine cu gaze GTY-6. Particularitatea acestei camere este unghiul de intrare al aerului realizat de dispozitivul de dirijare 1 care imprim acestuia o micare turbionar pentru mrirea randamentului de ardere, precum i compensatorul lenticular 2 care asigura dilatarea longitudinal a tubului de flacr.Caracteristica camerei de ardere EL-60A a firmei English Electric o constitue faptul c este proiectat s funcioneze cu randament ridicat de ardere pentru toate regimurile de funcionare ale propulsorului naval. n componena instalaiei intr 6 camere de ardere individuale (patru n grupul compresor i dou n cel propulsor), destinate a lucra pe combustibil uor (motorina) la o temperatura a gazelor dup camera de ardere de 980 [K]. Construcia unei astfel de camere este ilustrat n figura 6.24. Dispozitivul de dirijare a

Figura 6.24. Schema camerei de ardere utilizat pentru sistemul de turbin cu gaze EL-60A.

aerului este compus din registrul cu aripioare 1 (montat n poriunea tronconic a camerei din cmaa cilindric 2), interiorul conului 3 i partea exterioara a conului 4. n partea final sunt practicate dou rnduri de orificii deschiderile 7, folosite pentru a alimenta cu aer de rcire interiorul conului. Construcia camerei se termin cu tubul de flacr 5. Un asemenea tub de flacr este compus dintr-un numr mare de virole montate ntr-o

Figura 6.25. Ecranul camerei de ardere pentru sistemul de turbin cu gaze EL-60A.

construcie compact. Pentru dozarea aerului de rcire ctre tubul de flacr se monteaz ecranul 6 avnd un numr considerabil de deschideri cu diametrul mic fig. 9.25. O astfel de construcie asigur o bun rcire a tubului focar mrind astfel fiabilitatea camerei. Camera poate lucra n condiii de siguran cel puin 40000 h.Un alt sistem constructiv de intensificare a rcirii tubului de flacr utilizat la camerele de ardere ale turbinelor cu gaze navale G6 al firmei AEG i L51C al aceleiai firme este prezentat in figura 6.26 La ambele motoare sunt utilizate camere secionate de ardere compuse din ase camere n echicurent dispuse n jurul axului rotorului. Tubul de

Figura 6.26. Sistemul de camere secionate de ardere utilizat la turbinele cu gaze navale G6 i L51C al firmei AEG.

flacr al unei astfel de camere este compus din 3 virole una conic 3 i dou cilindrice 2 i 1. Primele dou virole se gsesc n zona de temperatur ridicat avnd pe partea exterioara profile longitudinale (nervuri). De asemeni, tot pentru intensificarea rcirii virolelor, pe suprafaa lor sunt practicate deschideri (orificii) i tieturi (fante) care dau posibilitatea distribuiei radiale a cldurii din tubul de flacr. Virola 1, neavnd suprafaa exterioara profilat, se rcete pe partea exterioara datorit micrii aerului n conul inelar. Pe partea inelar ea este rcit de aerul care ptrunde n camera inelar n dreptul virolelor 1 i 2. Interesant este sistemul de dirijare a aerului aferent camerei compus din discul 4 fixat pe cmaa presgarniturii 5 n care este montat corpul cilindric 6. n acest fel n camer se asigur aerodinamica flcrii n sensul de curgere al aerului care ptrunde prin orificii. Iniierea arderii n camer este realizat de electoaprinztorul 7 care n timpul pornirii se deplaseaz n zona de ardere prin orificiul 10. Aprinztoarele sunt instalate n dou seciuni. Combustibilul aprins ajunge n celelalte blocuri prin intermediul racordurilor 8 pe care sunt montate sisteme de compensare a dilatrilor termice 9. Compensatoarele sunt instalate i pe corpul de rezistent al camerelor.Camerele secionate de ardere se pot dispune nu numai n jurul axului rotorului dar i n jurul compresorului sau chiar n spaiul de legtur dinspre compresor i turbin. Ultima variant de construcie a camerelor secionate de ardere este folosit la sistemul TG-20. Alegerea camerei secionate pentru aceast instalaie este destul de uoar prin comparare cu camerele individuale de ardere prezentate anterior.

Figura 6.27 Dispunerea camerelor de ardere pentru sistemul de turbine cu gaze TG-20.

Camera de ardere a sistemului TG-20 (fig.6.27) cu flux vertical n echicurent cuprinde ase tuburi de flacr 3 dispuse n corpul principal 1. ntre tuburile de flacr i corpul camerei sunt montate ecranele 2. Partea de nceput a tubului de flacr este alctuit din dou conuri 8, prevzute cu orificii de ptrundere a aerului i aripioare profilate pentru rcire. Adaptarea sistemului constructiv cu profile (aripioare) a permis scderea temperaturii de funcionare n zona de intrare n tubul de flacr cu 100 [K]. Sistemul de direcionare a aerului camerei aste alctuit din dispozitivul

de turbionare cu aripioare curbate la 70 grade fa de axa camerei. Aerul primar trece prin dispozitivul de turbionare i prin dou rnduri de orificii 6 i 5 practicate n a doua i a patra virol a tubului. Prin dispozitivul de turbionare ptrunde aproximativ 40% din aerul primar, iar prin primul i al doilea rnd de orificii cte 30%. Coeficientul de exces de aer pentru aerul primar la sarcini pariale este iar valoarea coeficientului excesului de aer nominal este . Aerul secundar ptrunde n spaiul dintre tubul de flacr i ecran amestecndu-se cu gazele produse prin arderea combustibilului, reducnd astfel temperatura celui din urm pan la 1023[K]. Un astfel de sistem asigur un grad de neuniformitate a amestecului gaze-aer rece n seciunea tubului de flacr de pan la 10%. n seciunea de ieire din camera de ardere aceast neuniformitate scade pan la 4%. Fiecare tub de flacr se fixeaz de corpul de rezisten prin intermediul a trei boluri 7. Bolurile sunt construite astfel nct s permit dilatarea radial a tubului de flacr. Dilatrile longitudinale ale tubului pot avea loc n ambele sensuri ale bolurilor de fixare. Partea final a camerei de ardere se poate dilata graie suportului glisant 4.Camera a fost proiectat pentru funcionarea pe combustibil marin greu. Pornirea camerei se face pe combustibil marin uor (motorin). Pentru pornire se folosete dispozitivul de pornire ilustrat n detaliu n figura .4. Asemenea dispozitive de pornire sunt instalate numai n trei din totalul tuburilor de flacr ale turbinei. Pentru alimentarea de baz cu combustibil n fiecare tub de flacr camera este echipat cu injectoarele de lucru 10, a cror schem este ilustrat n figura 9.28. Debitul injectoarelor cu dou circuite este de pan la 250 [kg/h]. Primul circuit este folosit la pornire n gol i ncepnd cu sarcina minim lucreaz ambele circuite. Injectoarele de lucru au dou sisteme independente de combustibil: unul pentru funcionarea cu combustibil uor, altul pentru combustibil marin greu. Pentru regimurile de pornire i de oprire se folosete combustibil uor, iar n regim de lucru se folosete combustibil greu. Trecerea de la combustibil uor la greu se face brusc prin acionarea valvulei cu patru ci (fr amestec prealabil).

Folosirea combustibilului marin greu necesit o nclzire a acestuia i o pregtire, care consta n separare i tratare. O astfel de camer a lucrat n instalaia TG-20 mai mult de 10000 h, din care cea mai mare parte pe combustibil greu. Randamentul termic al camerei la regim nominal a fost de 99 [%], iar la mers n gol 98[%]. Pierderile de presiune din camera de ardere pentru regimul de sarcin nominal a fost apreciat la 2.5[%]. Presiunea maxima a gazelor la ieirea din camer a fost de [kPa], iar solicitarea termic a camerei de ardere a fost apreciat n teste la valoarea de 14.85. O construcie originala a camerei de ardere este ntlnit la turbina cu gaze a firmei franceze TURBOMEKA folosit pentru antrenarea grupurilor electrogene redat n figura 6.29. Camera de ardere circular a acestui motor este dispus intre compensatorul central 1 i axul turbinei 9. Aerul din compensator ptrunde prin spaiul 7 unde se mparte n cteva fluxuri. O parte din aerul primar ajunge n spaiu l dintre camera de ardere i

Figura 6.28. Schema injectoarele de lucru pentru sistemul de turbine cu gaze TG -20.

Figura 6.29. Camera de ardere circular.a) schem de principiu; b) vedere de ansamblu.compresor i prin orificiile 11 ptrunde n zona de ardere 5. O alt[ parte a aerului primar trece peste primele palete ale primului etaj al turbinei 8 i prin orificiile 10, de asemenea, ajung n camera de ardere.n parte periferic a pereilor camerei de ardere sunt practicate, de asemenea, orificii. O parte din ele (orificiile 2) sunt folosite pentru admisia aerului primar folosit pentru ardere, iar o alt parte (deschiderea 6 i orificiul 4) pentru introducerea aerului secundar.Alimentarea cu combustibil are loc n urmtoarele faze. Combustibilul de joas presiune ptrunde prin conducta 13, dispus n interiorul arborelui, n discul 12 care prezint opt deschideri (orificii) radiale ce se rotesc mpreun cu rotorul. Datorit forei centrifuge generat de rotaia discului, combustibilul pulverizeaz. Cantitatea de combustibil introdus depinde de numrul de rotaii pe secund. Experiena a artat ca pentru o funcionare normal a camerei de ardere este necesar o turaie a discului de 6000 rot/min. Turaia arborelui este de 10000 rot/min la mers n gol i 35000 rot/min la sarcina nominal astfel nct turaia acoper alimentarea cu combustibil n toate regimurile de funcionare a instalaiei. Pentru pornirea motorului este prevzut instalaia special 3 constituit din injector de pornire i dispozitiv de aprindere.Un model de camer de ardere cilindric este ilustrat n figura 6.30. Asemenea camere de ardere i-au gsit ntrebuinarea in turbine cu gaze de aviaie. Spaiul camerei

Figura 6.30. Camera de ardere cilindric a turbinei cu gaze de aviaie GTD.

Figura 6.31. Tuburile de flacr ale turbinei cu gaze de aviaie GTD

de ardere este delimitat de carcasa 4 i interiorul 6 de construcie sudat, ntre care se gsete tubul de flacr. Acesta nglobeaz constructiv zece dispozitive de introducere ale aerului 2 (fig.6.31) cu sisteme de turbionare cu palete 1. O parte a aerului primar ptrunde prin dispozitivul de turbionare, iar alt parte prin orificiile de introducere ale aerului. Pentru asigurarea posibilitii de dilatare radial n locul de mbinare a virolei tubului de flacr cu dispozitivul de introducere a aerului 2 sunt practicate fante longitudinale. Amestecul secundar n camerele de ardere se realizeaz cu ajutorul ajutajelor de amestec 5.n figura 6.32 este ilustrat construcia camerei de ardere GT-700-5 proiectat pentru funcionarea unei instalaii de turbine cu gaze cu gaze naturale. Dup cum au artat cercetrile, n camerele de ardere ale turbinelor cu gaze se pot arde cu succes i combustibilii cu densitate mic n aceiai msur ca un combustibil marin greu. Diferena dintre aceste camere este relevant la sistemul de admisie al aerului principal pentru combustie, alctuit din dou dispozitive consecutive de turbionare cu palete 1 i 2. Admisia aerodinamic a fluxului de aer secundar de combustie i amestec se realizeaz cu ajutorul registrului 3 i a amestectorului cu palete 4.

Figura 6.32. Camera de ardere a turbinei GT 700-5 alimentate cu gaze naturale.

Figura 6.33. Arztorul camerei de ardere a turbinei GT 700-5 alimentate cu gaze naturale.

wwwa)

h

hhxw0jwwjwwwb)

c)

a)

B

B

b)

c)

a)

Admisia

a

Evacuarea