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TURBINAS TERMICAS
Podemos clasificar a las turbinas de la siguiente manera: TURBINAS TÉRMICAS o TURBINAS DE VAPOR Y TURBINAS DE GAS: Se emplean en centrales térmicas, nucleares y cogeneración a través de ciclos de Rankine (vapor –térmicas convencionales y nucleares) y ciclos combinados con vapor y gas (Brayton). Flujo compresible (máquinas térmicas). o TURBORREACTORES (COMPRESOR + TURBINA): Para propulsión de aviones y cazas, se utiliza un motor completo provisto de compresor para elevar la presión del aire y turbina para generar el empuje tras la combustión. Ciclo Brayton de gas. (Máquinas térmicas). o AEROTURBINAS: Se emplean en los generadores de los parques eólicos. Trabajan con aire, reduciendo su energía cinética (viento) para obtener energía útil. (máquinas térmicas) TURBINAS HIDRÁULICAS o TURBINAS HIDRÁULICAS: Turbinas Francis, Kaplan y Pelton. Se emplean en centrales hidráulicas aprovechando la energía de un salto hidráulico trabajando con agua como fluido incompresible (máquinas hidráulicas).
Turbinas de vapor y de gas
TURBINAS DE VAPOR
o Utilizan como ciclo de potencia el CICLO DE RANKINE o El fluido de trabajo es VAPOR DE AGUA o El vapor a turbinar es generado a partir del calentamiento y evaporación de agua que atraviesa la caldera donde se queman los combustibles (carbón, gas natural, fueloil, etc) o donde se libera la energía de una fisión nuclear (central nuclear). TURBINAS DE GAS o Utilizan como ciclo de potencia el CICLO BRAYTON o El fluido de trabajo son los GASES DE COMBUSTIÓN o Los gases a turbinar son generados mediante la combustión del gas en la cámara de combustión intermedia entre el compresor para el aire y la turbina de expansión.
Turbinas de vapor
Las turbinas de vapor son Máquinas Térmicas de Fluidos y dentro de las mismas TURBOMAQUINAS MOTORAS. La sustancia de trabajo es vapor de agua sobrecalentado o recalentado. Esta condición es de fundamental importancia, porqué si el vapor fuera saturado húmedo, al expandirse en la turbina se forman gotas de agua, cuya implosión tiene un efecto abrasivo sobre los álabes de la misma. Una turbina de vapor es uno de los elementos físicos necesarios para la realización de un Ciclo de Trabajo, que permite transformar la energía en forma de calor en energía en forma de trabajo, que se entrega al medio exterior, precisamente a través del eje de la misma. Si bien en la bibliografía existente sobre el tema se refieren a "Ciclos Convencionales y Nucleares", es más racional considerar "Sistema convencional' y “Sistema Nuclear", ya que en ambos la Turbina funciona según el ciclo de Rankine. La diferencia entre ambos sistemas, es que en el primero, se produce vapor utilizando energía en forma de calor liberada por combustión de un combustible industrial y en el segundo por la fisión de un combustible nuclear.
Sistema convencional
Se lo utiliza para: a) generar únicamente energía eléctrica, en las denominadas "Centrales Electrices' y b) para generar energía eléctrica y procesos industriales, que en este caso se denominan "Centrales Combinadas; Mixtas o Termoeléctricas. Los elementos físicos básicos del sistema convencional son los estudiados en los capítulos anteriores, es decir la caldera, el sobrecalentador, la turbina, el condensador y la bomba de alimentación.
Ilustración 1 De acuerdo a la termodinámica técnica, en un diagrama T-S el área encerrada por el ciclo, representa la energía en forma de calor que se entrega como trabajo al medio exterior a través de la turbina. En el diagrama anterior tenemos: 1-2 evolución de la expansión teórica, 2-3, el proceso de condensación; 3-4, la elevación de la energía en forma de presión; 4-5, el calentamiento del agua hasta temperatura de saturación; 5-6, el proceso de vaporización; 6-7, la finalización del proceso de vaporización; 7-1, el sobrecalentamiento. El área a.-3-2-b, indica la energía en forma de calor no utilizada. Este calor se lo puede utilizar en procesos de acondicionamiento de aire (calefacción), y/o en procesos industriales. En ambos casos el condensador se sustituye por lo que se denomina "Unidad de Utilización", especifica para cada caso (calefactor, evaporador, etc.). Con esta disposición si bien no aumenta el rendimiento térmico del ciclo, se aumenta el "coeficiente de utilización", que se expresa por la relación entre el total de energía en forma de calor utilizada y la aportada al ciclo:
K =
Calor utilizado
Calor aportado
Su valor puede llegar al hasta el 80%. En los establecimientos industriales, donde se genera energía eléctrica y el vapor se utiliza para determinados procesos de transformación, se debe realizar un balance técnico económico, para establecer si no es conveniente "comprar energía eléctrica" y únicamente generar el vapor necesario para el proceso industrial, o directamente no hacer funcionar la turbina y generar vapor húmedo a baja presión. En las centrales que funcionan según el sistema convencional, el costo del combustible, representa, en términos generales, el 40 % del costo de funcionamiento total. Por tal motivo toda acción que signifique reducción de consumo, será un beneficio económico. A tal efecto se utilizan intercambiadores de calor que por la naturaleza de los fluidos que intervienen se denominan "Economizadores", que aprovechan el calor que aún llevan los humos después de su paso por el sobrecalentador. Los más utilizados son los que se emplean para precalentar el agua de alimentación de la caldera hasta la temperatura de saturación, y para calentar el aire que se envía al hogar, necesario para la combustión. El rendimiento térmico del ciclo puede logarse por algunas de las siguientes acciones: a) Aumento de la presión de trabajo en la caldera. b) Disminución de la presión de trabajo del condensador. c) Por expansión en etapas. d) Utilizando ciclos de extracción.
Evolución de las turbinas de vapor
Los antecedentes registrados indican que el principio de funcionamiento de la turbina de vapor, ya que no existen referencia a que se obtuviera trabajo útil, fue establecido por HERON utilizando un dispositivo que consistía en un recipiente esférico, con dos salidas opuestas entre si (toberas) que podía girar sostenida, por dos soportes verticales. A través de estos últimos hacia llegar vapor obtenido en un recipiente sometido a fuego directo. El vapor al salir por las toberas de la esfera, variaba su cantidad de movimiento y producía una
Ilustración 3 - turbina de reacción simplificada Las turbinas que utilizan el principio de impulsión o acción se las denomina de acción. Básicamente, una turbina de acción se construye montando una serie de paletas en la circunferencia de una rueda, para que luego, un chorro de vapor proveniente de una tobera las impacte en un punto. Como la rueda se mueve por la fuerza de acción, el chorro de vapor impacta sucesivamente en las otras paletas produciendo el movimiento continuo de la rueda. Ilustración 4 - turbina de acción simplificada Componentes primarios Los componentes básicos son: la carcasa , pesada pieza de fundición que contiene a todos los componentes y es generalmente bipartida horizontalmente, siendo el componente más pesado; las toberas , encargadas de aumentar la velocidad del vapor y de direccionarlo adecuadamente y las ruedas rotante , con sus empaletados montados sobre el eje principal, siendo éste, otro componente pesado de las máquinas.
Ilustración 5 - turbina de vapor doble extracción a contrapresión de 35.000 KW. Vapor vivo a 117 bar / 517 °C. Contrapresión 6 bar con primera extracción a 46 bar y segunda extracción a 21 bar El vapor vivo para el accionamiento de la máquina llega a la carcasa por medio de una cañería contenida a tal efecto y ya dentro de la turbina es conducido directamente a los alabes de las ruedas. El flujo de vapor vivo que ingresa a la máquina es controlado por el Gobernol encargado de ajustar la carga de la turbina. El empaletado rotativo va dispuesto en ruedas o discos los que a su vez van montados sobre un eje o tambor formando en conjunto el rotor de la turbina. Este a su vez va instalado dentro de la carcasa que es estanca y ésta, además contiene las conexiones de entrada y salida de vapor y todos los componentes accesorios: las toberas, los empaletados estacionarios y también los vínculos de fundación de la máquina. El rotor va montado sobre cojinetes de deslizamiento en sus extremos y otro cojinete ubicado en una de las puntas para absorber esfuerzos axiales manteniendo perfectamente centrado al rotor asegurando las luces entre los componentes rotóricos y estatóricos. Un conducto de escape guía el vapor a su destino final. Clasificación de las turbinas de vapor El hecho que el movimiento del rotor se produzca por la fuerza impulsora generada por la variación de la cantidad de movimiento de la vena fluida exclusivamente (turbina de De Laval), o por reacción de la misma sobre los álabes del rotor (turbina de Pearson), llevo a clasificar a la misma en: a) Turbina de ACCION, cuando la variación de presión (expansión) se produce únicamente en la tobera, permaneciendo constante en el rotor. b) Turbina de REACCION, cuando su variación continua en el rotor. c) Turbina COMBINADA, una combinación de acción y reacción. Si consideramos una superficie cilíndrica coaxial al eje de la turbina, lo desarrollamos y trazamos con respecto al mismo un diagrama que lleve en ordenadas valores de presión y de velocidad, y en abscisa de longitud axial del conjunto corona fija-corona móvil, que se denomina "escalonamiento", obtendremos la representación gráfica siguiente.
Diferencias entre turbinas de acción y reacción En las turbinas de acción es muy poca la expansión del vapor que se produce en su empaletado mientras que la de reacción la expansión del vapor es grande. En la turbina de acción se produce una gran caída de presión en cada etapa, por lo que se necesitan menos etapas, mientras que en una turbina de reacción se produce una pequeña caída de presión Inter. etapas requiriéndose por lo tanto un gran número de etapas para expandir totalmente el vapor. La diferenciación física es que la sección transversal de los álabes de acción (ilustración 6 – Iz.) es tal que las superficies exteriores curvas de álabes adyacentes de una hilera se encuentran paralelas unas con otras, mientras que las superficies curvas de los álabes de reacción están dispuestas de forma tal que los espacios entre álabes adyacentes son más pequeños a la salida del vapor que a la entrada conformando por lo tanto una tobera. Los álabes de reacción son de forma de gota es su sección transversal (ilustración 6 – Der.) Ilustración 6 - Iz: Acción / Der: Reacción Características distintivas entre turbinas de acción y reacción
Acción Reacción
Principio utilizado
Simple acción – Simple etapa.-
Etapas de velocidad.-
Etapas de presión.-
Etapas de presión / velocidad.-
Etapas de presión.-
Toberas
Localizadas en la entrada de vapor y
diafragmas para la expansión, darle velocidad
y dirección.-
No tienen toberas separadas.-
Los espacios entre álabes son en realidad las
toberas.-
Alabes Rotantes
La fuerza del impacto del chorro de vapor
contra los álabes hace rotar al eje.-
La fuerza del vapor expandiendo mientras
abandona los álabes rotativos hace rotar al
eje.-
Presión del vapor
Disminuye en las toberas.-
Permanece constante en los empaletados fijos
y rotativos.-
Disminuye en cada hilera de álabes fijos y
rotativos.-
Velocidad absoluta del vapor
1 ) Incrementa en toberas.-
2 ) Disminuye en álabes móviles.-
1 ) Incrementa en álabes fijos.-
2 ) disminuye en álabes móviles.-
Etapa de presión
Es cualquier lugar en el cual se produce una
caída de presión con la generación de energía
cinética. Consiste en toberas fijas descargando
en una ó mas líneas de álabes rotativos.-
Una línea de álabes fijos ó rotativos. Una
línea de álabes fijos y la siguiente línea de
álabes rotativos se denomina de doble etapa.-
Admisión de vapor
Toberas para la primera etapa ubicadas en un
sector del block.-
Totalmente perimetrales.-
Factores que permiten aumentar la capacidad de expansión
1 ) Mas toberas en etapas posteriores.-
2 ) Tobera de mayor sección transversal.-
3 ) Aumento de altura de los álabes.-
4 ) Aumento en el ángulo de entrada y salida
de los álabes.-
1 ) Aumento de altura de los álabes.-
2 ) Aumento de los ángulos de los álabes.-
3 ) Aumento del diámetro del tambor del eje.-
Diafragmas
Ubicados dentro de la carcaza para soportar
toberas y separar las presiones de las etapas.
Tiene laberintos.-
No dispone
Sellos en eje
Para prevenir pérdida de vapor ó ingreso de
aire.-
Para prevenir pérdida de vapor ó ingreso de
aire.-
Fugas por puntas de álabes
Ninguna. Las presiones son las mismas de un
lado y del otro de la rueda.-
Se producen fugas por las puntas de los álabes
por la diferencia de presiones en los sectores
opuestos de los álabes. Exige extremar los
ajustes entre puntas de álabes y carcaza.-
Las turbinas que presentan escalonamientos de presión se las denomina de RATEAU quien fue su inventor. En la figura anterior se indica dos etapas o salto de presión, pero pueden existir más. En la zona indicada con la letra "A" existe mayor presión que en la "B". Por este motivo cada etapa de presión está separada por un diafragma unido a la caja envolvente y que se extiende hasta el eje del rotor de la turbina. Como por razones constructivas debe quedar un cierto juego entre diafragma y eje se produce fugas de vapor, que se debe tratar se reduzca al mínimo posible. Además, como la caída de presión entre escalonamiento no es elevada las toberas son convergentes. El escalonamiento de presión puede realizarse tanto en las turbinas de acción como las de reacción, ya que en esta última la expansión continua en la corona móvil. En las turbinas de reacción los perfiles de los álabes de la corona fija y móviles son iguales. Además, a medida que disminuye la presión aumenta el volumen especifico. Como consecuencia de ello el diámetro de la carcaza aumenta progresivamente y si los mismo son muy elevados la turbina se construyen con mas de un cuerpo de acuerdo a las necesidades.
Escalonamiento de velocidades
Únicamente puede adoptarse en las turbinas de acción, al ser fija la primera corona de los escalonamientos. Esta disposición fue ideada por el ingeniero norteamericano CURTIS, y si bien el número de escalonamiento que puede adoptarse es ilimitado, en la actualidad, por razones de costo de construcción y rendimiento, se utiliza casi exclusivamente las turbinas de acción de "dos escalonamientos". Como la transformación de energía de presión en energía de velocidad se realiza únicamente en la corona fija del primer escalonamiento, la del segundo (y las de las siguientes si hubiera más de dos escalonamientos), actúa únicamente como orientadora del fluido de trabajo (vapor o gas). Por ello y para disminuir costos se construyen de igual perfil que la de la corona móvil. En la turbina CURTIS, al producirse la expansión únicamente en la primera corona fija, la entalpía del fluido de trabajo permanece constante en la corona móvil del primer escalonamiento, y continúa en las mismas condiciones en la corona fija (orientadora) y móvil del segundo escalonamiento. Componentes de las Turbinas
Fundación
Las funciones principales de la fundación es soportar a la turbina con todos sus accesorios y mantener alineada a la unidad. Se las construye de hormigón armado y generalmente diseñadas para tener una frecuencia de vibración cercana a los 12 Hz para evitar fenómenos de resonancia con los componentes rotantes de la turbina. En máquinas largas, su vínculo debe permitir desplazamientos axiales de la carcaza de la máquina por dilatación / contracción en los arranques y paradas.
Carcaza
Su función es confinar el vapor, alojar al rotor y soportar con gran rigidez los cojinetes principales sobre los cuales gira el rotor incluyendo al cojinete de empuje axial, además, la carcaza debe ser estanca. El conjunto válvulas de control de entrada de vapor y toberas van abulonados a la carcaza. También aloja y soporta los diafragmas y ruedas fijas con todas las fuerzas de reacción de ellos derivados. En esencia la carcaza es el órgano que vincula finalmente todos los componentes de la máquina con la fundación. Las carcazas se construyen de fundición de hierro, acero y aleaciones, dependiendo de las presiones y de las temperaturas. Normalmente las de baja presión son soldadas y las de alta presión fundidas. En muchos caso son mixtas y generalmente van horizontalmente partidas.
