al día
Máquinas Térmicas ¿Dónde y Cundo emplear Turbinas de Vapor?
¿Cuándo se creó la primera turbina?
Turbinas a Vapor ¿Cómo se obtiene El vapor en una Caldera?
Autores: Raúl Álvarez Marcos Serrada
¿Cómo funcionan las Turbinas de Vapor? maquinastermicasaldia.com
Contenido o Turbinas a Vapor. o Historia de las Turbinas. o Funcionamiento de las Turbinas a Vapor. o Clasificaciรณn de las Turbinas a Vapor. o Partes de las Turbinas Vapor. o Campos de Aplicaciรณn de las Turbinas a Vapor.
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Un Poco de la Historia de Las Turbinas.
Turbina de Vapor Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica, la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.
«Las primeras turbinas de vapor se construyeron en la década de 1880. Trabajando por separado, el inglés Charles A. Parsons y el sueco Carl Gustav de Laval, crearon dos tipos distintos de turbinas de vapor. Desde aquellos tiempo, las turbinas de vapor no han parado de evolucionar y mejorar gracias, en gran medida, a las mejoras en los
materiales con los que se construyen, que pueden resistir presiones de hasta 35MPa (mega pascales) y temperaturas de hasta 600º.
En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se puede distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil dela turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión.
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Funcionamiento de las Turbinas de Vapor En una caldera se obtiene el vapor haciendo hervir agua. El combustible para calentar el agua puede ser gas, petróleo, carbón o incluso uranio en las centrales nucleares.
El vapor de agua producido es un vapor a mucha presión (alta presión) y con alta velocidad. Imagina una olla (caldera) y la salida de vapor por el agujero de la olla. A través de unos tubos, llamado toberas, el vapor g generado en la caldera se lleva hasta la turbina. Este vapor conducido por las toberas hasta la u turbina, al llegar a la turbina golpea los alabes y j hace girar la turbina y su eje. El Eje se llama rotor. j Puedes ver las partes de la turbina de vapor en la i imagen anterior. Como verás la caldera no forma parte de la turbina propiamente dicha, es un elemento externo a la turbina. A una fila de álabes se le llama carrete. Puedes observar que una turbina está formada por varios carretes y cada carrete tiene varios álabes. En definitiva la energía química del combustible utilizado para calentar el agua se transforma en energía cinética (movimiento rotación del eje). Si el rotor está enganchado, por ejemplo, a una dinamo o un generador de electricidad, moverlo producirá corriente eléctrica.
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Una vez que el vapor sale de la turbina ha perdido su fuerza y parte de su calor, pero el vapor que quede a la salida lo aprovecharemos condensándolo (convirtiéndolo de vapor gaseoso a líquido) y lo volveremos a llevar a la caldera para posteriormente volver a calentarlo y utilizarlo de nuevo en el circuito. Como ves es un circuito cerrado de vapor-líquido. De esta forma aprovechamos el calor y la presión residual del vapor a la salida de la turbina siendo mucho menores las pérdidas que si lo enviáramos al exterior (a la atmósfera) perdiéndolo. Las pérdidas son menores y el rendimiento de la máquina es mucho mayor al ser un circuito cerrado.
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La forma de condensar el vapor a la salida de la turbina es mediante lo que se conoce como un condensador, simplemente son unos tubos de agua fría, que al entrar en contacto con el vapor de la turbina, enfrían el vapor y lo condensa. El vapor así condensado, ahora líquido, todavía tiene calor y por lo tanto llega a la caldera con ese calor, lo que hará más fácil (que gastemos menos energía) pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo. Esto último es muy importante, para que quede claro, por ejemplo, un agua líquida a 30ºC cuesta menos pasarla a vapor (100ºC) que si esta a 0º. Gastamos menos combustible en la caldera y por lo tanto tendremos mejor rendimiento. En la figura vemos la máquina en circuito cerrado y su . L esquema. La bomba de abajo es una bomba necesaria para l llevar el vapor condensado del condensador a la caldera. Para mejorar el rendimiento, a veces, las turbinas tienen l h enganchado a su eje dos o tres turbinas diferentes, de tal n n forma que el vapor golpea primero la primera, después la siguiente y así una a una hasta salir por la última. Con esto se consigue aprovechar al máximo la fuerza del vapor, golpeando varias turbinas, en lugar de solo una. Se trata de que salga de la turbina con la mínima presión, y que todo la que tenía se aproveche al máximo antes de que salga e la turbina. Si tiene 3 turbinas, se llaman respectivamente, turbina de alta, de media y de baja presión. La primera será la que golpea el vapor en alta presión, la segunda turbina será golpeada con vapor a media presión y la última a baja presión. Esto mejora, de nuevo, el rendimiento de la máquina.
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Clasificación de las Turbinas a Vapor Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otros equipos, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbo máquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de estas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado de reacción.
Turbinas de acción: El vapor se distribuye a toda la sección por medio de toberas. A la salida de las toberas, la energía del vapor se transforma en energía cinética que mueve los álabes. Suelen tener varias toberas de entrada de vapor.
Turbinas de acción-reacción: También llamadas solo turbinas de reacción. Están formadas por carretes con álabes fijos y álabes móviles montados de forma alternativa. Los fijos actúan como toberas dirigiendo el vapor al siguiente carrete móvil.
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Partes de la Turbina a Vapor La turbina se compone de tres partes principales: El cuerpo del rotor, que contiene las coronas giratorias de alabes. La carcasa, conteniendo las coronas fijas de toberas. Alabes. Además, tiene una serie de elementos estructurales, mecánicos y auxiliares, como son cojinetes, válvulas de regulación, sistema de lubricación, sistema de refrigeración, virador, sistema de control, sistema de extracción de vahos, de aceite de control y sistema de sellado del vapor.
La carcasa:
El rotor:
La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo. a humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas.
El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes.
Alabes: Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos a su posición por medio de un pequeño seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los mas largos a menudo se amarran entre si con alambres o barras en uno o dos lugares, para darles rigidez.
Válvula de regulación: Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos mas importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina.
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Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales: Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.
Cojinete de empuje o axial: El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje. El cojinete esta construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y el convenientemente lubricado. cojinete. Además, debe encontrarse.
Sistema de extracción de vahos: El deposito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor. Sistema de refrigeración de aceite: El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.
Sistema de lubricación: Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas: A) Bomba mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina esta girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional B) Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas de la turbina. C) Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que las turbina se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterías.
Sistema vapor:
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sellado
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Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina.
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Sistema de aceite de control: Cuando la válvula de regulación se acciona oleo hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bares de presión hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada.
Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
Compensador: Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones.
Aplicaciones de las Turbinas de Vapor Sectores de Aplicación:
Las turbinas de vapor tienen muchas aplicaciones gracias a su versatilidad. Inicialmente sirvieron como motores de embarcaciones que requerían mucha potencia. El primer barco con turbina de vapor fue el Med. En la industria, las turbinas de vapor se utilizan sobre todo en compresores y bombas, si bien la aplicación más importante tiene que ver con la generación de energía eléctrica. Se estima que las turbinas de vapor intervienen en el 75% de la energía eléctrica producida en el mundo. Se usan tanto en las centrales térmicas (carbón, gas, biomasa, etc.) como en las centrales nucleares.
• Empresas energéticas. • Productores independientes de electricidad (IPP). • Industria química. • Petroquímica / refinerías. • Madereras, papeleras. • Minería, metalúrgica y siderurgia, acerías. • Industria procesadora, cementera. • Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma. • Industria de alimentos y bebidas.
Campos de Aplicación:
Actualmente, en algunas aplicaciones industriales se utilizan turbinas de gas, de combustión interna como los motores de los coches, y que utilizan el gas producido al quemar el combustible directamente sobre los álabes para producir la rotación. Estas turbinas trabajan a temperaturas más elevadas con gases a 1.000ºC o incluso a 1.300ºC para las turbinas de uso aeronáutico en los aviones. Pero esto será otra clase diferente.
• Plantas de ciclo combinado. • Plantas de cogeneración (electricidad y calor). • Plantas de recuperación de calor. • Centrales energéticas de biomasa. • Plantas incineradoras de basura. • Centrales termo-solares. • Plantas geotérmicas. • Accionamientos mecánicos. • Barcos / plataformas marítimas.
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Ventajas más importantes de las Turbinas de Vapor • Alto rendimiento, eficiencia. • Gran fiabilidad y disponibilidad.
• Soluciones comprobadas a medida del cliente. • Diseño compacto. • Puesta en servicio y mantenimiento sencillos. 9
Colorea y Descubre
Recorta y Juega