PROF: ING GREGORIO BERMUDEZMATERIA : GENERACION DE POTENCIA TURBINAS DE VAPOR. Es una turbomaquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en una condición de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente es aprovechada por un generador para producir electricidad. (se expande) aumentando así su velocidad.TURBINAS DE VAPOR. una turbina de vapor posee mas de un conjunto tobera-alabe (o etapa). Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y si esta. para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Al pasar por las toberas de la turbina. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los alabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre el mismo. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. . se reduce la presión del vapor. la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerza centrifuga muy grande causando fallas en la unidad. Por lo general. El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada y salida a la turbina. se convierte en energía cinética en un numero muy reducido de etapas. 4-5 Transferencia de calor desde le fluido de trabajo a presión constante en el condensador. 2-3 Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión constante 3-4 Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina. 1-2 Proceso de bombeo adiabático y reversible. a final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE VAPOR: El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como ciclo Rankine. Cuatro procesos se distinguen en un ciclo Rankine ideal. . Diagrama de T-S del ciclo termodinámico de las turbinas de vapor. El área comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido al fluido de trabajo. mientras que el área comprendida por lo puntos a-1-4b-a representa el calor transferido desde el sistema. el calor transferido y el trabajo pueden representarse por areas en el diagrama. .PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE VAPOR: Si los cambios en la energía cinética y potencial (presión y temperatura) del fluido de trabajo no son considerados. Esquema del ciclo básico de las turbinas de vapor. El trabajo neto realizado esta representado por el área comprendida por los puntos 1-23-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo. el rotor esta compuesto por una serie de coronas de alabes. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con el. Los elementos principales de una turbina de vapor son: ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: ROTOR: es un elemento móvil del sistema. . uno por cada escalonamiento de la turbina. Dado que la turbina esta dividida en un cierto numero de escalonamientos. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. ESTATOR: el estator esta constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor. el estator esta formado por una serie de coronas de alabes. correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina. ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: . Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor.ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: TOBERAS: el vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. . VAPOR.Por la dirección del flujo de vapor en interior de la turbina. AXIALES: La circulación de Vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.TIPOS DE TURBINAS DE 1. .. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: RADIALES: La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. el Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimientos de las corriente de vapor dentro del cuerpo de la turbina. TURBINA AXIAL: Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan. . Se define grado de reacción de una turbomaquina a la reacción. R= h rotor ht escalonamiento Es decir a la disminución de entalpia en el rotor dividida por la disminución de entalpia total (entalpia mas energía cinética especifica) en el escalonamiento.TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. 2.Por su mecanismo de funcionamiento.. disminuyendo la entalpia. En el rotor. . Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad que es debida a la fricción. Atendiendo a esto se tienen los tres casos característicos siguientes: TURBINA AXIAL DE ACCION CON ENTALPIA CONSTANTE EN ROTOR: La entalpia es constante en el rotor y se produce una expansión en el estator con aumento de la velocidad del gas. sin embargo. la velocidad relativa es constante. TURBINA RADIALES.TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: en el estator se produce una expansión aumentando la velocidad. TURBINA AXIAL DE REACCION: La expansión se produce en estator y en el rotor con una disminución de entalpia en el estator debido a la expansión y un aumento de la velocidad. En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión. En el rotor también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. 3. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado. .Según el salto térmico se le separa en: TURBINAS DE CONDENSACION: Son la de mayor tamaño. En la turbina de extracción/ condensación. obteniendo así. generalmente con calidad mayor al 90% a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador. Las turbinas de condensación se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador..TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida. vapor al proceso a varias presiones. utilizadas en centrales térmicas. y en las instalaciones de desalinización.TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. plantas de papel y pulpa. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías. como torres de enfriamiento. Descargan el vapor a una presión aun elevada. La turbina de contrapresión son mas ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. En las turbinas de contrapresión la principal característica es que el vapor. donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. cuando sale de la turbina. se envía directamente al proceso sin necesidad de contar con un condensador y equipo periférico. TURBINA DE CONTRAPRESION: Se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. . para ser utilizada en procesos industriales. cuyo aprovechamiento es vital para la optimización del ciclo. El caudal y la velocidad de vapor en el anillo de escape dependen de la cantidad de vapor producido en la caldera de recuperación y de la presión de escape. Por ejemplo. y con ellos la velocidad en el anillo de escape de la turbina de vapor. pero esencialmente critico en las aplicaciones de ciclo combinados. a temperaturas inferiores a la de diseño. tanto la potencia de la turbina de gas como la producción de vapor en la caldera de recuperación superan ampliamente el punto de diseño del ciclo. TURBINA DE ESCAPE LIBRE: TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. El dimensionamiento del escape de una turbina de vapor es siempre muy importante. El efecto contrario se produce cuando la temperatura de ambiente es alta. el caudal de gases de la turbina y la producción de vapor en la caldera de recuperación disminuyen considerablemente. En este caso. El diseño de la turbina de vapor y la filosofía de control de la planta deberá tener en cuenta todas estas variaciones para mantener la presión y la velocidad en el anillo de escape dentro de los límites razonables. . El vapor que abandona el escape de la turbina de baja presión hacia el condensador contiene una considerable cantidad de energía cinética. las turbinas de impulso constan de una o varias etapas y cada una de ellas están constituidas por un estator y un rotor. Etapas de impulso. Dependiendo del diseño. Las toberas están dispuestas de tal forma que entreguen el fluido a los alabes móviles con un ángulo definido. Dependiendo de su diseño. se produce un cambio en la dirección del flujo que es aprovechado para hacer girar el rotor. o sea que además de cambiar la dirección del flujo aumentan su velocidad. . el estator de las etapas sucesivas pueden estar constituido por alabes fijos que cambian la dirección del flujo para entregarlo con el ángulo adecuado al siguiente grupo de alabes móviles o por alabes fijos que actúen como toberas. El flujo a través de los alabes de la etapa de impulso se producen de tal forma que su presión es prácticamente la misma a la entrada y a la salida de los alabes.TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. La primera etapa de las turbinas de impulso consta de un estator conformado por un conjunto de toberas en las cuales la alta presión y baja velocidad del flujo de la entrada se transforma en baja presión y alta presión de salida. TURBINA DE ACCION DE IMPULSO: Esta turbina aprovecha la energía cinética del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) para producir trabajo. Sin embargo. TURBINA DE REACCION: TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. su expansión ocurre en los alabes fijos y en los alabes móviles. Las turbinas de reacción aprovechan la energía del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) pero a diferencia de las turbinas de impulso. por lo que se dice que es de admisión total. haciendo que el fluido incremente su velocidad relativa con respecto a los alabes mientras que la presión y entalpia disminuyen la energía producida por el cambio en el momento de los gases. Etapas de reacción: La etapa de una turbina de reacción esta constituida por un juego de alabes fijos o toberas y un juego de alabes móviles. entra al conjunto de alabes móviles cuyos canales tienen también forma de tobera. El flujo de gases o vapor que entra en los alabes fijos de una etapa de reacción lo hace a través de toda su circunferencia. El flujo que sale de estos. ocurre una caída de presión en los alabes móviles que están dispuestos en forma de toberas. es absorbida por los alabes móviles y transmitida al eje en forma de trabajo útil. En los alabes fijos. . Sin embargo. el fluido es acelerado mientras que su presión y entalpia disminuyen debido a la disposición de tobera de los canales formados por cada par de alabes. pasa a la segunda corona de directrices y de aquí a la segunda de giratorias continuando el giro del tambor y el recorrido del vapor de uno a otro extremo de la turbina. haciendo girar el tambor. su misión es guiar o dirigir el vapor sobre las giratorias. . lleva también otra serie de paletas análogas a los tambor. porque fijada a la envuelta. de altura. por reacción. El vapor entra por el extremo de la envuelta de menor diámetro y atravesando la primera corona de paleta-guía. el vapor obra por acción y desde las giratorias a las directrices. guías o directrices. llamadas paletas fijas. actúa sobre la primera de paletas giratorias. Desde las coronas de paletas-guías a las giratorias. TURBINAS MIXTAS: TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. Este tipo de turbina también se le conoce como turbina de acción y reacción porque en el eje lleva montado un tambor y en el van colocadas varias serie de paletas. Además. alturas y separaciones distintas de las paletas. debido a los diferentes diámetros de la envuelta. el vapor se va expandiendo a medida que recorre la turbina. forma e inclinación variable. de aquí la denominación de turbinas de acción y reacción. producidos por el contacto permanente entre el fluido y las partes móviles o estacionarias de las turbinas. El rendimiento o eficiencia de una turbina se define como el RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR: cociente entre la energía producida por la misma y la energía disponible. con L1: el trabajo mecánico entregado al eje por las ruedas móviles. Este fenómeno se ve representado en un incremento en la temperatura del fluido y una disminución de la eficiencia total del proceso. fuera de la turbina y Ai con el salto entalpico disponible a la entrada de la turbina. La eficiencia de una turbina esta influenciada principalmente por las perdidas de fluidos debido a las fugas y otros factores. además de los efectos de fricción que se presentan en el interior de la misma. . Indicamos con Q1: el calor suministrado al vapor por unidad de masa. con Le: el trabajo mecánico entregado en el acoplamiento. Rendimiento térmico al freno.Definimos tres rendimientos referidos al calor entregado al vapor. RENDIMIENTO DE LAS 1..Rendimiento térmico ideal por ejemplo del ciclo Rankine.-Rendimiento térmico interno Nti = Li Q1 3. Nta = Le Q1 . TURBINAS DE VAPOR: N = i R Q1 2.. Entre estas variables pueden estar la presión inicial del fluido. Existen diferentes sistemas de regulación que son utilizadas en las turbinas de vapor. independientemente de la carga de trabajo a la cual estén sometidas.REGULACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR: En la operación de las turbinas de vapor hay una cantidad de variables que necesitan ser controladas de alguna forma. La función de los sistemas de regulación consiste en mantener una o más de estas variables constantes mientras que otras pueden ser o no variadas sin que afecte el sistema completo. la presión de salida. las cuales dependen de las cargas de trabajo a las que sean sometidas dichas turbinas. que influyen directamente con el desempeño de estas y están relacionadas con la capacidad de mantener casi invariable la velocidad de rotación. la cantidad de flujo por unidad de tiempo y la velocidad de rotación. Estos sistemas de regulación son clasificados en: . el fluido entra en la primera etapa de toberas por medio de válvulas que varían en su cantidad y también conocida como válvulas reguladoras o válvulas de toberas. REGULACION EN EL CONTROL DE LA TOBERA: En este sistema de control. llamada comúnmente carga económica. teniendo en total hasta doce de estos. Esta entrega del fluido se hace a través de la apertura de una o dos válvulas de estrangulamiento instaladas al inicio de la turbina. REGULACION POR BYPASS: Este tipo de regulación se utiliza en conjunto con la regulación por estrangulamiento sobre todo por las turbinas de reacción. en donde la eficiencia termodinámica es máxima. La eficiencia de la turbina con este tipo de regulación es mucho más constante para cargas de trabajo variables. Usualmente. Estas turbinas son diseñadas para una carga de trabajo definida. esta estará abierta en su totalidad para dar un paso máximo de fluido y la potencia requerida para las condiciones de trabajo del momento. las válvulas reguladoras se abren o cierran dependiendo de la potencia requerida por estas cargas. . estas válvulas reguladoras están abiertas el 100% de su capacidad. Para cargas de trabajo pesadas. es recomendable tener una admisión total del fluido en las etapas de alta presión en la carga económica para eliminar las perdidas por admisión parcial. Si la turbina esta sometida a una carga de trabajo alta y solo consta de una válvula. Cada válvula regula el paso del fluido a grupos de dos o más toberas. pero cuando presentan cargas de trabajo variables.REGULACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR: REGULACION POR ESTRANGULAMIENTO: En este sistema de regulación de fluido es entregado a todas las toberas localizadas a lo largo de la periferia al mismo tiempo. . o exista mal funcionamiento en el sistema de control. LUBRICACION DEproporcionar LAS al cojinete bombas. Los elementos en una turbina. que requieren de la protección del lubricante son la chumacera. Se han presentado fallas de los cojinetes por el estancamiento del aceite provocado por tubería atascada. los engranes y sellos de contacto. en todo momento para evitas daños en el cojinete y chumacera. Es de máxima TURBINAS DE VAPOR: importancia asegurar la pureza y limpieza del aceite lubricante. consta de un tanque colector. remover el calor y prevenir contra el herrumbre. La mayoría de las turbinas de vapor tienen un sistema de lubricación a base de aceite. y filtros de sección completa. enfriadores y tuberías. El principal propósito de un lubricante de turbinas es proteger contra el desgaste. reducir la fricción. para de empuje y a la chumacera un suministro abundante de aceite a la temperatura y viscosidad apropiada. para eliminar los sistemas de aceite. para mantener la pureza máxima del aceite lubricante. Los fabricantes de turbinas suministran equipos como los acondicionadores. En estos casos se utilizan fundaciones de hormigón armado que pueden presentarse bajo la forma de. Ejemplos típicos de equipos con masa giratoria son las turbinas.FUNDACIONES DE LAS TURBINAS DE VAPOR: Las maquinas con masas giratorias y oscilantes requieren frecuentemente una fundación. . placas o bloques de fundaciones. vigas. Esta transfiere las cargas estáticas y dinámicas al terreno. por ejemplo. En algunos casos pueden usarse fundaciones consistentes en estructuras de acero. sirve para fijar los distintos componentes de las maquinas o como masa estabilizadora.