O longo e o curto do último

A fileira de pás de último estágio (LSBs) na seção de baixa pressão (LP) de uma turbina a vapor é um elemento-chave do projeto da turbina porque define o desempenho geral, as dimensões e o número de carcaças da máquina. Historicamente, os esforços para aumentar a eficiência geral da turbina concentraram-se nas seções de alta e intermediária pressão (HP e IP). Nos últimos anos, entretanto, os fabricantes de turbinas também começaram a focar na seção LP, que pode produzir até 50% da potência total da turbina (Figura 1). Uma maneira de aumentar a eficiência dessa seção em determinados valores de pressão de escape é alongar seus LSBs. Fazer isso diminui o número de módulos LP necessários ou aumenta a saída de energia em pressões mais baixas do condensador para o mesmo número de módulos.

1. Maior contribuidor. A seção de baixa pressão pode representar até 50% da energia produzida por uma turbina a vapor de grande porte. Cortesia: Bechtel Power Corp.

O impulso para alongar os LSBs não vem apenas dos projetistas de grandes centrais elétricas movidas a carvão, mas também dos desenvolvedores de centrais de ciclo combinado relativamente menores. Existem diferenças significativas entre turbinas projetadas para ciclos combinados e para usinas a vapor convencionais. Como os aquecedores de água de alimentação normalmente não são usados ​​no projeto térmico de um ciclo de assentamento, para o mesmo fluxo de vapor principal de alta pressão, o fluxo de vapor de exaustão de LP em um ciclo de assentamento pode ser até 35% maior do que em uma turbina convencional de tamanho comparável. Além disso, os projetos de usinas de fundo podem utilizar a queima de dutos para compensar a redução na produção da turbina a gás em altas temperaturas ambientes ou para picos de carga da usina, quando isso for economicamente justificado. Tornou-se bastante comum nos EUA usar grandes quantidades de queima suplementar para quase dobrar a produção da turbina a vapor.

Este artigo explora as características fundamentais do projeto interdisciplinar (aerodinâmico e mecânico) moderno de LSB, incluindo o papel cada vez maior da análise complexa de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Nosso objetivo é investigar como o desempenho e a operabilidade da turbina são afetados pela tendência atual de alongamento dos LSBs. O artigo conclui com um caso de teste que delineia as opções reais disponíveis na seleção de um sistema LSB adequado.

O projeto LSB convencional (influxo subsônico na ponta da pá rotativa) atinge limites aerodinamicamente aceitáveis ​​mais cedo do que os limites mecânicos da pá. Para resolver esta deficiência, os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) de turbinas têm dedicado esforços consideráveis ​​para compreender e melhorar o projeto de pás estacionárias e rotativas. Mudanças nos limites do projeto tradicional existente, como o influxo relativo supersônico na ponta da lâmina rotativa, foram avaliadas durante extensos testes analíticos e experimentais para obter aceitação do usuário.

Somente uma análise de fluxo em estágio 3-D totalmente desenvolvida pode fornecer um perfil de pá ideal capaz de minimizar as perdas por ondas de choque resultantes do fluxo supersônico. A precisão da análise 3-D moderna como ferramenta de previsão melhorou enormemente – ela agora pode levar em conta fluxos de condensação fora do equilíbrio com diferentes condições de umidade do vapor e variações de mudança de fase.

Para grandes LSBs LP, o número Mach de saída relativo é um parâmetro de projeto importante para avaliar a faixa de operação e as perdas de exaustão. Quanto mais longa a lâmina, maior o número Mach de saída, devido principalmente a um forte gradiente de pressão no estágio intermediário.

A Figura 2 mostra uma distribuição típica de pressão estática e número Mach. A baixa pressão no centro da lâmina rotativa (Ps1) produz uma reação de raiz baixa, que eventualmente leva à separação do fluxo dentro da lâmina rotativa. O número Mach na saída da pá estacionária (M1) tem um gradiente muito forte, aumentando os números Mach de entrada (Mw1) no cubo e na ponta da pá rotativa. A alta pressão na ponta produz altos valores absolutos dos números Mach de saída no centro das palhetas estacionárias e altos números Mach relativos de entrada na ponta e no centro da pá rotativa, que desencadeiam choques dentro da passagem do rotor.