2VOLUME

Nelle macchine termiche, il rendimento della palet-tatura non costituisce l’unico fattore di riduzione del-la potenza, ma vi sono anche altri tipi di perdite.

• Perdite per urto contro il vapore stagnante: nelleturbine ad azione con distributore parzializzato, uncondotto mobile, appena abbandonato l’arco diazione del distributore, non riceve altro fluido el’ultima aliquota di vapore vi ristagna fino a quandoil condotto non viene di nuovo investito dalflussouscente dal distributore che urta contro quello sta-gnante e produce la perdita suddetta.

• Perdite per sottoraffreddamento: si manifestanonelle zone di bassa pressione delle turbine; per po-ter giungere a una parziale condensazione, il vapo-re impiega un certo tempo che può essere superio-re alla rapida espansione; quindi, raggiunta rapida-mente la bassa pressione, esso, anziché presentareun titolo di umidità x, conserva ancora lo stato divapore saturo secco. In tale stato instabile il fluidoviene definito sottoraffreddato o soprasaturo: hauna temperatura minore e un’entalpia maggiore diquelle corrispondenti allo stato fisico che esso as-sumerebbe se non si manifestasse tale fenomeno eciò diminuisce il salto entalpico disponibile. Per ri-durre tale perdita si opera con vapore ad alto gradodi surriscaldamento o mediante espansione parzia-le e surriscaldamenti ripetuti.

• Perdite per umidità allo scarico: sono dovute alleparticelle liquide formatisi in seguito alla parzialecondensazione subita dal fluido al termine dell’e-spansione. Le particelle liquide, aventi una massamaggiore di quelle aeriformi subiscono maggior-mente l’azione della forza centrifuga, oltre che nuo-cere alle palette mobili. Queste perdite si possonoridurre contenendo il titolo a fine espansione a va-lori compresi fra 0,88 ÷ 0,9.

• Perdite per attrito dei dischi si manifesta nelle tur-bine ad azione e in quelle a reazione se queste ulti-me sono a struttura a dischi separati.

• Perdite per effetto ventilante si manifesta nelle tur-bine ad azione ma non ha luogo se il distributoreabbraccia tutta la circonferenza della motrice; al-trimenti, le palette dell’organo mobile si muovonoin un ambiente privo di vapore che per effetto del-la forza centrifuga viene spinto verso la periferia.

• Perdite per fughe di vapore che effluisce attraversogiochi fra parti fisse e parti mobili (in presenza diuna differenza di pressione); sono quasi nulle nelleturbine a salti di velocità, ma possono essere alte inuna motrice a salti di pressione o a reazione.

• Perdite esterne: sono dovute:

ad attriti meccanici,

all’energia assorbita dai macchinari ausiliari.

In analogia con le macchine idrauliche, anche le mac-chine termiche presentano un rendimento totale fun-zione di una catena di rendimenti parziali.

• Rendimento interno (comprende il rendimentodella palettatura e quello volumetrico) ηi

(0,75÷0,88): rapporto fra l’energia ceduta dal va-pore alla macchina e l’energia per essa disponibile;in riferimento alla figura A:

ηi = (30.1)

da cui la potenza interna della turbina è:

Pi = ηi · qmv · (h3 – h4) (30.9)

dove qmv è la portata massica di vapore e qmv · (h3 –h4) è la potenza teoricamente disponibile Pt.

• Rendimento meccanico ηm (0,96÷0,99): se Pi è lapotenza interna conferita alla macchina dal vaporee Pu la potenza utile resa all’albero della motrice, ilrendimento meccanico ηm e quello totale η sono:

ηm = (30.2) η = ηi · ηm (30.3)

Indicando con qmc la portata massica di combustibile,il rendimento globale dell’impianto, a meno delleperdite dovute al condensatore, alle pompe e alle tu-bazioni di collegamento, è dato da:

ηI = η · ηg · ηid = (30.12)

dove ηg è il rendimento del generatore e ηid il rendi-mento termico ideale del ciclo.

Il principale campo di applicazione delle turbine avapore è costituito dalle centrali termoelettriche. Nel-la progettazione di impianti di questa mole, vengonosfruttati tutti gli accorgimenti per rendere più alto

h3 – h4��h3 – h4

Pu�Pi

Pu�qmc · Pci

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CAPITOLO 30COMPLEMENTI

LEZI

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Capitolo 30

h3

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h49

p 2 = cost.

p 1 = c

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−h3 h4−

3

449

sFigura A

possibile il rendimento: vapore ad alta pressione, gra-di di surriscaldamento molto elevati, surriscaldamentiintermedi, condensazione del vapore a bassa tempe-ratura e preriscaldamento del condensato prima diinviarlo di nuovo in caldaia.

Consideriamo il prelievo (spillamenti) del vapore ne-cessario al preriscaldamento esclusivamente dal pun-to di vista relativo alla turbina; i prelievi sono effet-tuati in un punto della macchina ove le caratteristichedel vapore (ben determinate) siano tali da consentireil voluto effetto riscaldante. Fissando, ad esempio,una temperatura di 170 °C, si determina sul diagram-ma di Mollier il punto di incontro fra la linea dell’e-spansione reale e l’isotermica alla temperatura di170 °C, si ricavano dal grafico le altre caratteristichedel vapore (pressione, entalpia e volume specifico)necessarie per il calcolo del preriscaldatore. A se-conda del tipo di turbina lo stato fisico reale del va-pore si discosta più o meno da quello teorico previ-sto. È facile rispettare le previsioni in una turbina areazione, o nella zona a valle di una turbina mista,mentre non lo è nelle turbine ad azione. Una voltadeterminato lo stato fisico del fluido, si deve stabilireancora la quantità di vapore da prelevare (desumibi-le con un calcolo basato sullo scambio del calore).Talvolta si preleva il vapore sufficiente per ottenere ilpreriscaldamento voluto, facendolo condensare com-pletamente entro lo scambiatore; in questo caso loscambiatore è corredato da uno scaricatore di con-densa. Un’altra soluzione impiantistica si ottiene spil-lando una quantità di vapore superiore a quella ne-cessaria per operare il preriscaldamento parziale inun singolo scambiatore, il fluido scaldante esce dal-l’apparecchio dotato ancora di una certa entalpia chegli consente di passare direttamente a un altro preri-scaldatore. Gli spillamenti di vapore, oltre a consen-tire un efficace recupero del calore, giovano alla rea-lizzazione pratica della turbina in quanto sottraggonoalla macchina una certa aliquota del fluido nelle zonepiù basse ove il vapore, per il suo alto volume speci-fico, richiede ampi passaggi e costringe il progettista adimensionare le palette eccedendo in altezza conconseguente incremento delle sollecitazioni dovutealla forza centrifuga. Nelle grandi macchine si ricorreanche alla scomposizione della turbina in più corpi,conseguendo il vantaggio (a scapito della semplicitàcostruttiva) di ridurre al minimo la disuniformità didilatazioni dovuta al graduale decremento di tempe-ratura entro la macchina nel senso monte-valle. Siusa classificare i singoli corpi della turbina in:

• corpo di alta pressione (A.P.): quello che riceve ilvapore direttamente dalla motrice;

• corpo di bassa pressione (B.P.): quello che è in co-municazione con il condensatore;

• corpi di media pressione (M.P.): tutti quelli inter-medi.

Le forme e la disposizione dei vari corpi possono es-sere diverse e tanto più complesse quanto più alta è

la potenza erogata.

Nella propulsione navale si utilizza vapore a 40 ÷ 60bar prodotto da due o più generatori del tipo a tubid’acqua, corredati da un condensatore che consente ilrecupero quasi totale del condensato, condizione in-dispensabile sulle navi a causa della scarsità di acquapura. La turbina è suddivisa in due corpi (A.P. di tipomisto e B.P. completamente a reazione), ad alberiparalleli su ciascuno dei quali è calettata una ruotadentata che consente di ridurre il regime di rotazionedell’elica a un valore tollerabile. Le ruote sono a den-tatura bielicoidale per ridurre rumorosità e vibrazio-ni ed eliminare la spinta assiale tipica degli ingranag-gi a semplice elicoide. La turbina a B.P. porta alcunecorone di palette ad azione disposte in modo da ot-tenere l’inversione di marcia della macchina, svilup-pando una potenza ridotta.

In un grande stabilimento industriale il vapore pro-dotto dalla caldaia viene utilizzato per scopi diversioltre a quello principale di alimentazione della turbi-na. L’espansione del fluido entro la motrice sarà li-mitata a una pressione di scarico pari a quella richie-sta per l’utilizzazione nei servizi ausiliari (impianti arecupero). Poiché i servizi tecnologici dovrebberoutilizzare in ogni istante una quantità di vapore esat-tamente uguale a quella elaborata dalla turbina, cosaimprobabile, la turbina viene progettata in modo cheil suo consumo (nelle condizioni di massimo carico)sia uguale o leggermente inferiore alla massima ri-chiesta di vapore per uso tecnologico.

L’avviamento di una turbina a vapore non presentaproblemi se è stata fermata da breve tempo. Se la so-sta è prolungata, la motrice deve essere preventiva-mente riscaldata in modo lento e graduale in modoche le dilatazioni siano lente ed uniformi nelle varieparti della macchina. Si inizia con il porre in azionel’impianto di lubrificazione inserendo la pompa ausi-liaria (qualora quella principale sia azionata dallaturbina) ed escludendo temporaneamente i refrige-ranti dell’olio in modo che la temperatura del lubri-ficante non risulti inferiore (all’ingresso) a 32 °C. Siaprono opportune valvole di spurgo poste inferior-mente alla cassa della macchina per espellere l'even-tuale liquido condensato del precedente esercizio;poi si inietta saltuariamente vapore, in quantità limi-tata, ai manicotti di tenuta in modo da diffonderlolentamen’te entro l’involucro, riscaldandolo. Dopoun breve periodo di tempo, si inizia a far ruotare laturbina molto lentamente a mezzo di un apposito vi-ratore azionato da un motore indipendente e colle-gato all’albero della macchina con una riduzione aingranaggi (per uniformare le temperature nell’in-terno dell’involucro). A riscaldamento avanzato, siesclude il viratore e si prosegue la rotazione median-te vapore vivo, aprendo lievemente la valvola princi-pale di ammissione alla motrice. Ultimato il riscal-damento, per avviare la motrice si opera sulla valvolaprincipale del vapore.

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CAPITOLO 30COMPLEMENTI2

VOLUME

LEZION

I

Sintesi dei capitoli

2VOLUME

Per la condotta ci si limita in genere a controllare pe-riodicamente l’efflusso dell’olio lubrificante e la suatemperatura all’uscita dei cuscinetti per evitare dan-nosi surriscaldamenti.

Per quanto concerne la regolazione del momentomotore prodotto da una turbina, esso, a parità di nu-mero di giri al minuto, dipende esclusivamente dallapotenza erogata che può essere regolata agendo:

• sul salto entalpico disponibile (regolazione perstrozzamento) riducendo l’apertura della valvoladi manovra, posta sulla tubazione principale;

• sulla portata oraria di vapore qmv elaborata dallamacchina (regolazione per parzializzazione)escludendo qualche ugello che compone il distri-butore chiudendo una o più valvole apposita-mente previste.

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