Il lungo e il breve ultimo

La fila di pale dell'ultimo stadio (LSB) nella sezione di bassa pressione (LP) di una turbina a vapore è un elemento chiave del design della turbina perché definisce le prestazioni complessive, le dimensioni e il numero di involucri della macchina. Storicamente, gli sforzi per aumentare l’efficienza complessiva delle turbine si sono concentrati sulle sezioni ad alta e intermedia pressione (HP e IP). Negli ultimi anni, tuttavia, i produttori di turbine hanno iniziato a prendere di mira anche la sezione LP, che può produrre fino al 50% della potenza totale della turbina (Figura 1). Un modo per aumentare l'efficienza di quella sezione a determinati valori di pressione di scarico è allungare i suoi LSB. In questo modo si riduce il numero di moduli LP necessari o si aumenta la potenza erogata a pressioni del condensatore inferiori per lo stesso numero di moduli.

1. Il più grande contributore. La sezione a bassa pressione può rappresentare fino al 50% della potenza prodotta da una turbina a vapore su scala industriale. Per gentile concessione: Bechtel Power Corp.

La spinta ad allungare gli LSB viene non solo dai progettisti di grandi centrali elettriche a carbone, ma anche da sviluppatori di impianti a ciclo combinato relativamente più piccoli. Esistono differenze significative tra le turbine progettate per cicli combinati e per impianti a vapore convenzionali. Poiché i riscaldatori dell'acqua di alimentazione non vengono normalmente utilizzati nella progettazione termica di un ciclo di bottoming, per lo stesso flusso di vapore principale HP il flusso di vapore di scarico LP in un ciclo di bottoming può essere fino al 35% maggiore rispetto a quello di una turbina convenzionale di dimensioni comparabili. Inoltre, i progetti di impianti di fondo possono utilizzare la combustione nei condotti per compensare la riduzione della produzione della turbina a gas a temperature ambiente elevate o per i picchi di carico dell'impianto, quando ciò è economicamente giustificato. È diventato abbastanza comune negli Stati Uniti utilizzare massicce quantità di fuochi supplementari per quasi raddoppiare la potenza delle turbine a vapore.

Questo articolo esplora le caratteristiche fondamentali della moderna progettazione interdisciplinare (aerodinamica e meccanica) degli LSB, compreso il ruolo sempre crescente della complessa analisi fluidodinamica computazionale (CFD). Il nostro scopo è quello di indagare in che modo le prestazioni e l'operabilità delle turbine sono influenzate dall'attuale tendenza all'allungamento degli LSB. L'articolo si conclude con un caso di prova che delinea le opzioni reali disponibili nella scelta di un sistema LSB adatto.

Il design LSB convenzionale (afflusso subsonico sulla punta della pala rotante) raggiunge i limiti aerodinamicamente accettabili prima dei limiti meccanici della pala. Per ovviare a questa lacuna, i produttori di apparecchiature originali per turbine (OEM) hanno dedicato notevoli sforzi alla comprensione e al miglioramento della progettazione delle pale fisse e rotanti. Le modifiche rispetto ai limiti di progettazione tradizionali esistenti, come l'afflusso relativo supersonico sulla punta della pala rotante, sono state valutate durante approfondite prove analitiche e sperimentali per ottenere l'accettazione da parte degli utenti.

Solo un'analisi del flusso in fase 3D completamente sviluppata può fornire un profilo ottimale della pala in grado di ridurre al minimo le perdite dovute alle onde d'urto derivanti dal flusso supersonico. L’accuratezza della moderna analisi 3D come strumento di previsione è notevolmente migliorata: ora può tenere conto di flussi di condensazione non in equilibrio con diverse condizioni di umidità del vapore e variazioni di cambiamento di fase.

Per i grandi LSB LP, il numero di Mach di uscita relativo è un parametro di progettazione importante per valutare il raggio d'azione e le perdite di scarico. Più lunga è la pala, maggiore è il numero di Mach di uscita, a causa principalmente di un forte gradiente di pressione a metà stadio.

La Figura 2 mostra una tipica distribuzione della pressione statica e del numero di Mach. La bassa pressione al mozzo della pala rotante (Ps1) produce una bassa reazione di radice, che alla fine porta alla separazione del flusso all'interno della pala rotante. Il numero di Mach all'uscita della pala stazionaria (M1) ha un gradiente molto forte, aumentando i numeri di Mach in ingresso (Mw1) al mozzo e alla punta della pala rotante. L'alta pressione sulla punta produce alti valori assoluti dei numeri di Mach di uscita sul mozzo delle pale fisse e alti numeri di Mach di afflusso relativo sulla punta e sul mozzo della pala rotante, che innescano shock all'interno del passaggio del rotore.