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Turbina a vapore Ljungström
1928



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Note Storiche

La turbina Ljungström deve il suo nome agli ingegneri svedesi Birger e Fredrik Ljungström che la brevettarono nel 1908. Questo tipo di turbina fu prodotto dalla S.T.A.L. (Svenska Turbinfabriks Aktienbolaget Ljungström) da essi fondata nel 1913 e da altre aziende estere su licenza, come ad esempio l'Ansaldo in Italia. La sua particolarità è quella di essere una turbina a vapore multistadio radiale, centrifuga e birotativa. Essa è costituita da due dischi affacciati, di adatta configurazione, collegati a due alberi indipendenti controrotanti. Ai dischi sono collegate corone di pale ed il vapore, introdotto nel vano centrale tramite alberi cavi, attraversa le palettature disposte sui due dischi in ordinata successione dirigendosi verso la periferia.
La configurazione delle palette è quella tipica di una turbina completamente a reazione: i due dischi ruotano, con la medesima velocità angolare, in senso opposto e ciascuna corona di pale funziona da distributore per la corona successiva (quella più esterna). Ai due alberi controrotanti della turbina sono collegati due alternatori uguali, connessi in parallelo per garantire il sincronismo dei due rotori.
In una turbina centrifuga si presenta l’inconveniente che in ogni palettatura rotorica il lavoro delle forze centrifughe sul fluido è negativo e questo comporta un ammanco di potenza fornita. Tuttavia tale ammanco, funzione della differenza tra raggio massimo e minimo dei dischi, non è eccessivo ed è di gran lunga compensato dalla facilità di smaltimento della portata. Il progressivo aumento del diametro medio concorre, insieme all’incremento della lunghezza assiale delle palette, a determinare l’aumento di sezione opportuno al passaggio del vapore che si va espandendo, nel suo percorso verso l’esterno della turbina.
In ciascuna corona di una turbina Ljungström si svolgono le trasformazioni di energia che nelle ordinarie turbine a reazione richiedono, per la stessa aliquota di salto entalpico “Δh”, una corona distributrice fissa ed una mobile. A parità di velocità angolare ω (quindi anche di sollecitazioni centrifughe), la velocità periferica relativa di ciascuna corona rispetto a quella che la precede o segue è il doppio della velocità che si ha a pari raggio medio in una turbina con distributori fissi. Ciò implica che nella turbina Ljungström ciascuna corona può sviluppare, per unità di massa di vapore, un lavoro idealmente doppio (quindi complessivamente il quadruplo, considerando due corone) di quello che a parità di velocità angolare ω e pari raggio medio viene sviluppato in uno stadio di una ordinaria turbina a reazione, costituito da due serie di palettature consecutive (una fissa e l’altra rotante) che elabori una equivalente aliquota del salto entalpico totale “Δh”.
Di conseguenza, per data potenza, la massa e le dimensioni di una turbina Ljungström risultano notevolmente inferiori rispetto alle turbine tradizionali. Tuttavia, poiché non è possibile superare determinate velocità periferiche per motivi legati alla resistenza strutturale delle giranti, esiste un limite al numero degli stadi di espansione applicabili in una turbina Ljungström ed in molti casi gli ultimi stadi (più esterni) sono di tipo assiale, come nelle turbine tradizionali. Ciò comporta un limite alla potenza massima ottenibile a meno di non ricorrere a schemi complessi con varie turbine Ljungstom in serie o con disposizione mista radiale ed assiale.
Le turbine birotative hanno trovato maggiore impiego negli impianti fissi per la produzione di energia elettrica con alcune applicazioni anche in ambito ferroviario dato il loro favorevole rapporto massa/potenza.
Il limite al numero degli stadi radiali, la necessità di adottare due macchine elettriche e la crescente richiesta di turbine più potenti hanno determinato, a partire dalla fine degli anni ’50, il declino delle turbine birotative in favore di quelle di tipo tradizionale.

Bibliografia: Carmelo Caputo, Le turbomacchine volume II, casa editrice Masson, 1997


Scheda tecnica

CostruttoreS.T.A.L. (Svenska Turbinfabriks Aktienbolaget Ljungström), Stoccolma e Finspång, Svezia 1928
Tipo7500/8500 kW - Blading R 30 S 65 - 48/175 A. Numero di serie 448
Descrizioneturbina a vapore radiale centrifuga birotativa (tipo Ljungström) con l'ultimo stadio di espansione di tipo assiale, impiegata per la generazione di energia elettrica in un impianto fisso; diametro est. dei rotori 170 mm
Sistema di alimentazionea vapore surriscaldato, con pressione massima di 14 bar
Temperature ciclotemp. vapore: normale 350 °C, massima 380 °C / temp. normale a valle del condensatore: 28 °C, massima 32 °C
Potenza massima9100 kW a 3000 giri/minuto (potenza massima continua con valvole di sovraccarico aperte)
Sistema di regolazioneuna valvola principale di alimentazione del vapore;
Sistema di lubrificazioneuna pompa ad ingranaggi, azionata da uno dei rotori mediante vite senza fine, per la mandata dell'olio ai cuscinetti di banco della turbina ed al regolatore di giri. Sistema di raffreddamento dell'olio lubrificante
Sistema di avviamentotipo idraulico (a olio), con pompa azionata da una piccola turbina a vapore
Condensatoreuna camera di condensazione orizzontale, posta al di sotto della turbina, avente una superficie di 800 m² con 2990 tubi di ottone (L=4650 mm, D=19 mm, d=17mm)
Raffreddamento condensatorecon acqua di mare, sistema di ricircolo con pompa centrifuga, portata 450 litri/secondo, prevalenza 10 m, motore. elettr. da 135 CV a 1470 giri/minuto
Pompa estraz. condensatocentrifuga, prevalenza tot. 30 m, motore elettr. da 23,9 CV a 1440 giri/minuto
Alternatoredue alternatori trifase accoppiati in parallelo, costruzione STAL, tipo G 65/128 D, 10700 kVA, 11000 V, freq. 50 Hz, fattore di potenza 0,7
Rendimento alternatore0,95 a 7500 kW con fattore di potenza pari a 0,7


Applicazioni

Produzione di energia elettrica per la rete di consumo urbana presso la centrale di via A.Volta, Palermo (fondata nel 1898, dismessa nel 1952), dotata di due turbine a vapore: una Ljungström-STAL dal 1928 ed una Zoelly di costruzione Escher Wyss da 5450 kW dal 1922.

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