La turbina de vapor
Volumen 1, nº 1
Fecha del boletín
Robert Suarez José Torrealba
Turbinas de vapor Turbina de vapor ¿Qué es? Puntos de interés especial: Que son las turbinas de vapor. por que importa. los principales elementaos que conforman a la turbina de vapor Los diferentes tipos clasificación de la turbina de vapor y como funciona dicha turbina,
Contenido: Turbina de vapor
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Generación de energía eléctrica
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clasificación de Turbinas
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Elementos de Turbinas de Vapor
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Mantenimiento en la turbina
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Aplicaciones de las Turbinas de Vapor
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Funcionamiento de una turbina
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Dispositivo de seguridad en las turbinas de vapor
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Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. 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 de Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, normalmente, se transmite a u
generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina Historia de Las Turbinas de Vapor las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor . Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseño independiente
de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil. La primera aplicación industrial para una turbina de vapor fue patentada
en Suecia por De Laval en 1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de leche, impulsada por vapor.
Generación de energía eléctrica En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía (química, cinética, térmica o lumínica, nuclear, solar entre otras), en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instala-
ciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un
generador eléctrico; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan.
Turbinas de vapor
clasificación de Turbinas
Sección de una turbina de condensación
Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 Kw) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, 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 turbomáquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas.
Turbina de vapor de reacción: En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas fijas están colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reacción, que se montan en un tambor que actúa como eje de la
turbina. Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. Una corona móvil, fija sobre
un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que está unida.
También se encuentran: Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa. Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes
próxima al valor optimo con rela- condensador inicial que conción a la velocidad del chorro de densa al vapor, obteniéndose vapor. agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamienTurbina con extracción de vapor: to térmico posterior. Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de Turbinas de condensación: El vuelta a la caldera para sobreca- vapor sale aúna presión inferior lentarlo y reenviarlo a etapas a la atmosférica, en este diseño intermedias. existe un mayor aprovechamiento energético que a contraTurbina de contrapresión: La presión, se obtiene agua de presión del vapor a la salida de la refrigeración de su condensaturbina es superior a la atmosférición. ca, suele estar conectado a un
Elementos de Turbinas de Vapor L a turbina se compone de partes principales:
Sección de una turbina de vapor de condensación con extracción de vapor
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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.
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. 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. Válvula de regulación: Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos más importantes de la turbina vapor.
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También se encuentran parte como: 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. Cojinete de empuje o axial: 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 Sistema de lubricación: Proporciona el fluido lubricante,
generalmente aceite. Sistema de extracción de vahos: El depósito 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: 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. Virador: consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Compensador: Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación
MANTENIMIENTO EN LA TURBINA Una turbina de vapor es un equipo especialmente agradecido con el mantenimiento preventivo. Al ser un equipo en general bien conocido (es la máquina térmica más antigua), los fabricantes suelen haber resuelto ya la mayor parte de sus problemas de diseño. Por tanto, una operación cuidadosa y un adecuado plan de mantenimiento programado se traducen necesariamente en una alta disponibilidad .
Mantenimiento Preventivo Este tipo de mantenimiento surge de la necesidad de rebajar el correctivo y todo lo que representa. Pretende reducir la reparación mediante una rutina de inspecciones periódicas y la renovación de los elementos dañados. Mantenimiento correctivo Es aquel que se ocupa de la reparación una vez se ha produ-
Rotor forjado con el eje constituyendo una pieza
cido el fallo y el paro súbito de la máquina o instalación. Mantenimiento paliativo: Este se encarga de la reposición del funcionamiento, aunque no quede eliminada la fuente que provocó el fallo.
Fundamentalmente l a 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.
Mantenimiento curativo (de reparación): Este se encarga de la reparación propiamente pero eliminando las causas que han producido el fallo.
Aplicaciones de las Turbinas de Vapor 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 Turbinia de Parsons, botado en 1895.
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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 mun-
do. Se usan tanto en las centrales térmicas (carbón, gas, biomasa, etc.) como en las centrales nucleares.
Modos de vibración de álabes aislados
Robert Suarez
Funcionamiento de una turbina
El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y este vapor hace girar unos álabes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo con un nivel energético determinado tiene una presión y una temperatura inferior, es decir, ha cedido energía. Parte de la energía perdida por el vapor se emplea en mover el rotor. Necesita también de unos equipos auxiliares muy sencillos, como un sistema de lubricación, de refrigeración, unos cojinetes de fricción, un sistema de regulación y control, y poco más. Así de simple.
Dispositivos de seguridad en las turbinas de vapor. Son mecanismos que protegen a la turbina contra anomalías propias de la máquina, del proceso o bien de la máquina arrastrada por la turbina En turbinas de contrapresión Disparo por sobre velocidad. Evita el empalamiento de la turbina al faltarle la carga que arrastra. Disparo por baja presión de aceite de lubricación. Protege a la máquina para evitar el roce entre el eje y el estator. Disparo manual de emergencia. Para que el operador pueda parar a voluntad la máquina ante cualquier anomalía, como pueden ser vibraciones o ruidos anormales, fuga de aceite al exterior
En turbinas de gran potencia
a) Válvula de seguridad del condensador.
Dispositivo de disparo de aceite del cierre rápido: Dispositivo mecánico sobre el que actúan los siguientes disparos mecánicos de la turbina.
b) Válvulas de seguridad de la línea de extracción
Dispositivo de disparo por falta de vacío: Dispositivo mecánico que dispara la máquina al subir la presión de escape de vapor en el condensador. Dispositivo de disparo a distancia mediante válvula electromagnética: De este dispositivo de disparo cuelgan todas aquellas seguridades de la máquina, del proceso o de la máquina arrastrada. Otros dispositivos de seguridad en las turbinas. Sección-turbina-Rateau