TURBINAS TÉRMICAS Y SU CLASIFICACIÓN OBJETIVOS • • • •
Conocer la variedad y clasificación de turbinas térmicas según sus usos y funcionamiento Conocer las aplicaciones que se le dan dentro de la clasificación de las turbinas térmicas Conocer cada uno de los elementos que componen las turbinas térmicas Conocer los parámetros de los que dependen las principales prestaciones, para optimizar su funcionamiento.
MARCO TEÓRICO TURBINA Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a tr avés de ellas. Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido. Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape. 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 máquina, máquina, un compresor, un generador eléctrico o una una hélice. Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos. Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de combustión interna. En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor. Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW. Las pérdidas de energía en una turbina son: - Fricción del fluido en el estator (toberas). - Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes). - Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas. - Fricción entre el rotor y el fluido. - Pérdidas por ventilación. - Energía cinética rechazada en el rotor.
Figura 1: Situación de las turbinas en el conjunto de máquinas. TURBINAS TÉRMICAS Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina; también debe de considerarse que el fluido es incompresible debido a que su compresibilidad es prácticamente despreciable Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño: •
Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en al gún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las más co munes.
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Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.
También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos: •
Turbinas a acción: En este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estator, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido.
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Turbinas a reacción: El salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estator, o posiblemente, sólo en rotor.
Según el número de etapas o escalonamientos: • •
Turbinas monoetapa: Son turbinas que se utilizan para pequeñas y medianas potencias. Turbinas multietapa: Aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y además interesa que el rendimiento sea muy alto.
Según la presión del vapor de salida: • •
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Contrapresión: En ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el proceso. Escape libre: El vapor de escape va hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energía pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc. Condensación: En las turbinas de condensación el vapor de escape es condensado con agua de refrigeración. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en máquinas de gran potencia.
Turbinas con y sin extracción. •
En las turbinas con extracción se extrae una corriente de vapor de la turbina antes de llegar al escape.
TURBINAS A ACCIÓN En este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estator, dándose la tr ansferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido. Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: o
o
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.
TURBINAS A REACCIÓN El salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el est ator, o posiblemente, sólo en rotor. 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.
TURBINAS AXIALES Se incluyen en esta clasificación, las turbinas en las que la dirección de la proyección de los chorros de agua, sobre los álabes del rodete es paralela al eje de rotación. Tal es el caso de las turbinas de hélice y Kaplan. El paso de vapor se realiza siguiendo la dirección del eje de l a turbina. El fluido se e xpande y hay una baja de presión en él, a su vez se aprovecha la energía de velocidad y presión del fluido para la rotación de la turbina
Aplicación de turbinas axiales Son utilizadas en la generación de energía eléctrica (turbinas de vapor) o como parte de turbinas a gas.
1. 2. 3. 4. 5.
Propulsión área (como parte de turbinas a gas) Para accionamiento de turbocompresores. En aeromodelismo (micro turbinas) Para generación de energía (plantas térmicas) Para abastecimiento de calor
TURBINAS RADIALES Corresponden a esta clasificación, las turbinas que reciben de forma radial, respecto al eje, la proyección de los chorros de agua que inciden sobre los álabes del rodete. Conviene hacer la observación de que tal proyección, puede ser centrípeta o centrífuga, según que los chorros de agua se acerquen o se alejen del eje de la turbina. También son capaces de provechar la energía proveniente del fluido en forma de impulso rotatorio. En ella los gases fluyen radialmente en la relación al eje de la máquina. Son las más utilizadas para demandas pequeñas de potencia ya que conjugan una relativa sencillez constructiva con un diseño robusto, de fácil mantenimiento y un costo menor que las axiales. Además de esto, las turbinas radiales pueden manejar niveles de flujo más lentos que los que p odría manejar una axial A esta clasificación pertenecen determinados tipos de turbinas Francis de velocidad específica muy lenta, o instaladas con el eje en posición horizontal. Siempre que se trata de turbinas Francis, la proyección es centrípeta.
Aplicaciones Las turbinas radiales • 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 La turbina radial consta de varias partes que se muestran a continuación, junto con los diagramas de velocidades nominales
TURBINAS RADIALES-AXIALES Reciben esta denominación, las turbinas en las que la incidencia de las masas de agua, hacia el rodete, se inicia en dirección radial, cambiando, posteriormente, a una dirección paralela al eje, como resultado del desplazamiento del fluido a través de los álabes de aquel. También son conocidas como turbinas mixtas. Un ejemplo claro, perteneciente a esta clasificación, lo constituyen la mayoría de las turbinas Francis de eje vertical.
TURBINA DE CONTRAPRESIÓN La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior. La turbina de expansión transforma la energía de un gas en energía mecánica, desde la presión y temperatura de entrada hasta la presión de descarga antes de que se produzca la condensación del gas. La turbina retorna así una gas sobrecalentado a menor presión, pero suficiente para ser utilizado en otra parte del proceso. Las turbinas de gas conectadas aprovechan menos energía del fluido que las turbinas de condensación. Sin embargo permiten utilizar este fluido, a menor presión en el proceso. Este tipo de turbinas son las que se utilizan para reemplazar válvulas de control, aprovechando la energía del fluido desde la presión de suministro a la presión de utilización en el consumidor.
Aplicación de Turbina de contrapresión en sistemas de vapor Las válvulas de control en los sistemas de laminación de vapor se utilizan para ajustar el caudal y la presión entre las distintas redes de distribución de vapor. Las válvulas de control generan fricción y disipan una parte importante de la energía del fluido. Las turbinas transforman energía mecánica de los fluidos en electricidad. Se pueden substituir las válvulas de control de los sistemas de laminación por turbinas para transformar en electricidad la energía que estarían perdiendo las válvulas de control. Las turbinas que se utilizan en este tipo de aplicación se conocen como “Back Pressure T urbines”o turbinas de contrapresión. Instalar Back-Pressure Turbines en lugar de válvulas de control. Dar prioridad a las válvulas que disipan mayor cantidad de energía, las de mayor caudal y mayor pérdida d e presión.
TURBINA DE CONDENSACIÓN El vapor sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento. Transforma la energía de una corriente residual en electricidad La turbina de condensación aprovecha la energía de un gas condensable desde la presión y temperatura de entrada hasta la condensación del gas. La turbina retorna así un fluido parcialmente condensado. Las turbinas de condensación se utilizan principalmente cuando se trata de un fluido que no tiene utilidad y se quiere aprovechar el máximo de su energía. Se utilizan por ejemplo para aprovechar la energía de un vapor residual, que se quiere condensar para retornarlo a la caldera de vapor.
Aplicación de Turbina de condensación en sistemas de vapor Controlar la producción de Vapor Cuando la demanda de vapor por los consumidores es variable, es importante asegurar un buen control de la producción de forma que esta se ajuste a la demanda, evitando así que un exceso de producción obligue a purgar parte del vapor. Cuando se han instado turbinas de vapor en el sistema el control de la producción debe tener en cuenta este factor para optimizar el control de la producción. Las turbinas de condensación permiten trabajar con la caldera a carga continua y en un punto de máxima eficiencia que normalmente se aproxima a la máxima capacidad de producción de vapor. Cuando baje la demanda de vapor las turbinas transformarán en electricidad el exceso de producción de vapor.
TURBINA DE GAS Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas de gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible ca mbio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas. Las turbinas de gas han sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La aparición de las centrales termicas de ciclo combinado y la exigencia de mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir de combustibles fósiles. Además, la posibilidad de hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuará a un ritmo creciente los próximos años
Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos: •
Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo.
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Sistema de aporte de calor al fluido.
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Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.
Principios de funcionamiento Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.
La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador. Las pérdidas de energía se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energía aportada.
Partes principales de la turbina de gas. Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisión de aire, el compresor, la cámara de combustión, la turbina de expansión y el rotor. A continuación se detallan las pri ncipales características de cada uno de estos elementos.
Fig.2- Turbina de gas. Partes principales.
TURBINA DE VAPOR Transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presió n. En la turbina se tra nsforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro. Como máquina industrial, es una máquina bien conocida y muy experimentad, más del 70 % de la energía eléctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. 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 tiene una presión y una temperatura inferior. 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. 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 otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad.
TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS) Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal r azón a ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtís. La admisión
del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbinas Rateau: En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis.Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra
CONCLUSIONES • • • •
Se llegó a conocer la variedad y clasificación de turbinas térmicas según sus usos y funcionamiento Se reconoció las aplicaciones que se le dan dentro de la clasificación de las turbinas térmicas Existe una serie de elementos que componen las turbinas térmicas para un mayor estudio y manejo de estes Se dio a conocer parámetros de los que dependen las principales prestaciones, para optimizar su funcionamiento.
BIBLIOGRAFIA ✓
http://www.jhg.cl/Documentos/Diplomado/Clase%208%20turbomaquinaria.pdf
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https://es.slideshare.net/GaloMaldonado/turbomquinas-generalidades-10158551
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http://es.redsauce.net/
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http://www.turbinasdevapor.com/index.php/diagnostico-de-turbinas-de-vapor http://www.cicloscombinados.com/index.php/turbinas-de-gas/las-turbinas-de-gas http://www.cicloscombinados.com/index.php/10-la-turbina-de-vapor http://www.energiza.org/component/content/category/124-especial-turbinas-de-gas Mataix libro de turbinas térmicas 3ra edición.
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