Las turbinas de vapor transforman la energía del vapor generado en una caldera en energía mecánica, típicamente para producir electricidad. El vapor se expande a través de las toberas y alabes de la turbina, haciéndola girar. Funcionan siguiendo el ciclo termodinámico de Rankine, absorbiendo calor en la caldera y descargando calor en el condensador. Existen varios tipos como las de condensación, contrapresión y de reacción o impulso, que difieren en la presión de

1. TURBINAS DE VAPOR PROF: ING GREGORIO BERMUDEZ MATERIA : GENERACION DE POTENCIA

2. 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.

3. TURBINAS DE VAPOR. El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada y salida a la turbina. 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. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor, (se expande) aumentando así su velocidad. 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. Por lo general, una turbina de vapor posee mas de un conjunto tobera-alabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y si esta, se convierte en energía cinética en un numero muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerza centrifuga muy grande causando fallas en la unidad.

4. 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, a final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en un ciclo Rankine ideal. 1-2 Proceso de bombeo adiabático y reversible. 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. 4-5 Transferencia de calor desde le fluido de trabajo a presión constante en el condensador. Diagrama de T-S del ciclo termodinámico de las turbinas de vapor.

5. 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, el calor transferido y el trabajo pueden representarse por areas en el diagrama. 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-1-4-b-a representa el calor transferido desde el sistema. El trabajo neto realizado esta representado por el área comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo. Esquema del ciclo básico de las turbinas de vapor.

6. ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: Los elementos principales de una turbina de vapor son: ROTOR: es un elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina esta dividida en un cierto numero de escalonamientos, el rotor esta compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con el.

7. ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: 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.

8. ELEMENTOS DE UNA TURBINAS DE VAPOR: TOBERAS: el vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor.

9. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. 1.- Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina. 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. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: RADIALES: La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. AXIALES: La circulación de Vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.

10. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. 2.- Por su mecanismo de funcionamiento. 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.

11. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. 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. En el rotor, sin embargo, la velocidad relativa es constante. Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad que es debida a la fricción. 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 también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. TURBINA RADIALES. Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: en el estator se produce una expansión aumentando la velocidad, disminuyendo la entalpia. En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión.

12. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. 3.- Según el salto térmico se le separa en: TURBINAS DE CONDENSACION: Son la de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida. Las turbinas de condensación se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90% a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador. En la turbina de extracción/ condensación, una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador, obteniendo así, vapor al proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador.

13. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. TURBINA DE CONTRAPRESION: Se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aun elevada, para ser utilizada en procesos industriales. La turbina de contrapresión son mas ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. 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, plantas de papel y pulpa, y en las instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. En las turbinas de contrapresión la principal característica es que el vapor, cuando sale de la turbina, se envía directamente al proceso sin necesidad de contar con un condensador y equipo periférico, como torres de enfriamiento.

14. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. TURBINA DE ESCAPE LIBRE: El dimensionamiento del escape de una turbina de vapor es siempre muy importante, pero esencialmente critico en las aplicaciones de ciclo combinados. El vapor que abandona el escape de la turbina de baja presión hacia el condensador contiene una considerable cantidad de energía cinética, 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, 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. 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 efecto contrario se produce cuando la temperatura de ambiente es alta. En este caso, el caudal de gases de la turbina y la producción de vapor en la caldera de recuperación disminuyen considerablemente, y con ellos la velocidad en el anillo de escape de la turbina de vapor.

15. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. TURBINA DE ACCION DE IMPULSO: Esta turbina aprovecha la energía cinética del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) para producir trabajo. Dependiendo de su diseño, 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. 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. Sin embargo, se produce un cambio en la dirección del flujo que es aprovechado para hacer girar el rotor. 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. Las toberas están dispuestas de tal forma que entreguen el fluido a los alabes móviles con un ángulo definido. Dependiendo del diseño, 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, o sea que además de cambiar la dirección del flujo aumentan su velocidad.

16. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. TURBINA DE REACCION: Las turbinas de reacción aprovechan la energía del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) pero a diferencia de las turbinas de impulso, su expansión ocurre en los alabes fijos y en los alabes móviles. 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. Sin embargo, ocurre una caída de presión en los alabes móviles que están dispuestos en forma de toberas. 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, por lo que se dice que es de admisión total. En los alabes fijos, 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. El flujo que sale de estos, entra al conjunto de alabes móviles cuyos canales tienen también forma de tobera, 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, es absorbida por los alabes móviles y transmitida al eje en forma de trabajo útil.

17. TIPOS DE TURBINAS DE VAPOR. TURBINAS MIXTAS: 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, de altura, forma e inclinación variable, lleva también otra serie de paletas análogas a los tambor, llamadas paletas fijas, guías o directrices, porque fijada a la envuelta, su misión es guiar o dirigir el vapor sobre las giratorias. El vapor entra por el extremo de la envuelta de menor diámetro y atravesando la primera corona de paleta-guía, actúa sobre la primera de paletas giratorias, haciendo girar el tambor, 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. Además, debido a los diferentes diámetros de la envuelta, alturas y separaciones distintas de las paletas, el vapor se va expandiendo a medida que recorre la turbina. Desde las coronas de paletas-guías a las giratorias, el vapor obra por acción y desde las giratorias a las directrices, por reacción, de aquí la denominación de turbinas de acción y reacción.

18. RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR: El rendimiento o eficiencia de una turbina se define como el cociente entre la energía producida por la misma y la energía disponible. 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, producidos por el contacto permanente entre el fluido y las partes móviles o estacionarias de las turbinas. Este fenómeno se ve representado en un incremento en la temperatura del fluido y una disminución de la eficiencia total del proceso. Indicamos con Q 1 : el calor suministrado al vapor por unidad de masa; con L 1 : el trabajo mecánico entregado al eje por las ruedas móviles; con L e : el trabajo mecánico entregado en el acoplamiento, fuera de la turbina y Ai con el salto entalpico disponible a la entrada de la turbina.

19. RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS DE VAPOR: Definimos tres rendimientos referidos al calor entregado al vapor. 1.- Rendimiento térmico ideal por ejemplo del ciclo Rankine. N R = i Q 1 2.-Rendimiento térmico interno N ti = L i Q 1 3.- Rendimiento térmico al freno. N ta = L e Q 1

20. 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, las cuales dependen de las cargas de trabajo a las que sean sometidas dichas turbinas. Entre estas variables pueden estar la presión inicial del fluido, la presión de salida, la cantidad de flujo por unidad de tiempo y la velocidad de rotación. 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. Existen diferentes sistemas de regulación que son utilizadas en las turbinas de vapor, que influyen directamente con el desempeño de estas y están relacionadas con la capacidad de mantener casi invariable la velocidad de rotación, independientemente de la carga de trabajo a la cual estén sometidas. Estos sistemas de regulación son clasificados en:

21. 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. Esta entrega del fluido se hace a través de la apertura de una o dos válvulas de estrangulamiento instaladas al inicio de la turbina. Si la turbina esta sometida a una carga de trabajo alta y solo consta de una válvula, esta estará abierta en su totalidad para dar un paso máximo de fluido y la potencia requerida para las condiciones de trabajo del momento. REGULACION EN EL CONTROL DE LA TOBERA: En este sistema de control, 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. Cada válvula regula el paso del fluido a grupos de dos o más toberas, teniendo en total hasta doce de estos. Para cargas de trabajo pesadas, estas válvulas reguladoras están abiertas el 100% de su capacidad, pero cuando presentan cargas de trabajo variables, las válvulas reguladoras se abren o cierran dependiendo de la potencia requerida por estas cargas. La eficiencia de la turbina con este tipo de regulación es mucho más constante para cargas de trabajo variables. REGULACION POR BYPASS: Este tipo de regulación se utiliza en conjunto con la regulación por estrangulamiento sobre todo por las turbinas de reacción. Estas turbinas son diseñadas para una carga de trabajo definida, llamada comúnmente carga económica, en donde la eficiencia termodinámica es máxima. Usualmente, 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.

22. LUBRICACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR: La mayoría de las turbinas de vapor tienen un sistema de lubricación a base de aceite, consta de un tanque colector, bombas, enfriadores y tuberías, para proporcionar al cojinete de empuje y a la chumacera un suministro abundante de aceite a la temperatura y viscosidad apropiada. Es de máxima importancia asegurar la pureza y limpieza del aceite lubricante, en todo momento para evitas daños en el cojinete y chumacera, o exista mal funcionamiento en el sistema de control. Se han presentado fallas de los cojinetes por el estancamiento del aceite provocado por tubería atascada. Los fabricantes de turbinas suministran equipos como los acondicionadores, para mantener la pureza máxima del aceite lubricante, y filtros de sección completa, para eliminar los sistemas de aceite. El principal propósito de un lubricante de turbinas es proteger contra el desgaste, reducir la fricción, remover el calor y prevenir contra el herrumbre. Los elementos en una turbina, que requieren de la protección del lubricante son la chumacera, los engranes y sellos de contacto.

23. FUNDACIONES DE LAS TURBINAS DE VAPOR: Las maquinas con masas giratorias y oscilantes requieren frecuentemente una fundación. Esta transfiere las cargas estáticas y dinámicas al terreno, sirve para fijar los distintos componentes de las maquinas o como masa estabilizadora. Ejemplos típicos de equipos con masa giratoria son las turbinas. En estos casos se utilizan fundaciones de hormigón armado que pueden presentarse bajo la forma de, por ejemplo, vigas, placas o bloques de fundaciones. En algunos casos pueden usarse fundaciones consistentes en estructuras de acero.