Informe Diseño y Fabricacion de Turbina Experimental de Vapor de Baja Potencia Para La Generacion de Energia Electrica

Ingeniería Mecánica VIII

Turbo maquinas II

PROYECTO REALIZADO POR LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA VIII CICLO CURSO:

TURBOMAQUINAS II PROYECTO:

“DISEÑO Y FABRICACIÓN DE TURBINA EXPERIMENTAL DE VAPOR DE BAJA POTENCIA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGIA ELECTRICA” DOCENTE DEL CURSO:

ING. RENZO MOLINA

2017 1


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INTEGRANTES: • • • • • • • • • • • • • • • • • •

CACERES MEZA RENE CACERES RODRIGUEZ ELEAZAR CARLOS KANA EFRAIN CASTILLO DENEGRI JUAN DIEGO CASTRO PARI LUIS CONDORI CHOQUEHUANCA JOSE LUIS FLORES QUISPE ALDO HERRERA ANCASI LUIS MORE COELLO ERWING PUMA TEJADA ELVIS ALEXANDER RAMIREZ CAPIA NORMAN SALAZAR FLORES ALEXIS TACO LUQUE DANIEL QUISPE UMIYAURI JOHN VALDIVIA VALDIVIA CHRISTIAN VARGAS CAVIEDES GUILLERMO YAULLI VITA YERSIÑO ZURITA MAMANI ALEXANDER

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INDICE DE CONTENIDOS

1. INTRODUCCIÓN • Objetivos del Proyecto Objetivo General Objetivos Específicos • Breve reseña histórica de las turbinas de vapor • Turbina Curtis 2. ANALISIS TERMICO Y FLUIDODINAMICO • Ciclo Rankine • Triángulos de Velocidades 3. CALCULOS DE LA TURBINA • Especificaciones • Triángulos de velocidades • Trabajo interno • Rendimiento interno • Perdidas 4. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCION DE LA TURBINA. • Coronas Móviles y Coronas Fijas • Carcasa • Tapa delantera y posterior • Utillajes de centrado de rodamientos • Base de soporte de la turbina 5. PROCEDIMIENTO DE ARMADO 6. CONCLUSIONES 7. ANEXOS • Planos de la Turbina Diseñada 8. BIBLIOGRAFIA

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4 4 4 4 4 7 10 10 12 18 18 19 21 22 22 23 23 27 29 31 32 34 39 40 40


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1. INTRODUCCIÓN: Las turbinas de vapor transforman la energía potencial de tipo térmico, en energía mecánica. La energía potencial térmica disponible es la diferencia de entalpías entre el estado inicial del vapor, a la entrada de la turbina, y su estado final, a la salida de la misma; esta diferencia de entalpías se conoce como salto entálpico o salto térmico. En las turbinas de vapor existen unos elementos fijos que son las toberas y los distribuidores de álabes; si el salto entálpico se transforma totalmente en energía cinética, la turbina es de acción y la entalpía a la salida de la tobera para un proceso isentrópico es igual a la entalpía final del vapor; en estas circunstancias, en los álabes dispuestos sobre el rotor o corona móvil, habrá únicamente una transformación de energía cinética en mecánica, que se produce haciendo seguir al fluido una determinada trayectoria, (entre álabes), de forma que su velocidad absoluta disminuya; cualquier cambio de magnitud o de dirección en dicha velocidad, es debido al efecto de una fuerza que es la acción de los álabes de la corona sobre el fluido. A su vez, todo cambio en la dirección o en la magnitud de la velocidad del fluido origina un empuje sobre los álabes, de forma que para cuando éstos van montados sobre una corona móvil, la potencia generada es igual al producto de la velocidad tangencial de los álabes por la componente periférica de la fuerza.

OBJETIVOS DEL PROYECTO Objetivo General: Diseñar y construir una turbina experimental de vapor de baja potencia para la generación de energía eléctrica, que se adecue a las necesidades del laboratorio de ingeniería mecánica.

Objetivos Específicos: • • • •

Elaborar los cálculos para el diseño de una turbina Curtis de 3 etapas. Elaborar los planos mediante diseño paramétrico. Construir la turbina según los parámetros calculados. Comprender el funcionamiento básico de una turbina a vapor.

BREVE RESEÑA HISTÓRICA DE LAS TURBINAS DE VAPOR El poder del vapor y la posibilidad de extraer trabajo del mismo mediante su expansión era algo ya reconocido en la antigüedad, siglos antes de que las ecuaciones básicas de la termodinámica fueran desarrolladas. Un ejemplo de esto es la eolipila descrita por Herón de Alejandria (siglo I), cuyo principio de funcionamiento es similar a una turbina de reacción.

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Si bien existieron algunas descripciones de máquinas rotativas impulsadas por vapor entre el siglo XVII y XVIII, como por ejemplo Giovani di Branca en 1629, no fue hasta el advenimiento de la segunda revolución industrial en la Inglaterra de finales del siglo XIX que se pudo observar un avance significativo en el desarrollo de las mismas. El gran impacto producido por el motor alternante de vapor, cuyo perfeccionamiento se le atribuye a James Watt (1736-1816) en 1781, dejo en claro el gran poder y avance industrial que podía proporcionar el vapor y casi un siglo después, la necesidad de modernizar este mecanismo y diseñar un motor libre de vibraciones que pudiera acoplarse a un generador eléctrico era evidente. La invención de la turbina de vapor como hoy la conocemos no fue hasta 1884, en que sir charles a. Parsons construyo la máquina de vapor que se muesta en la figura.

El vapor entraba por el centro de un cilindro de doble flujo y se expandía axialmente hacia cada extremo a través de etapas de alabes fijos y rotativos; la potencia eléctrica 5


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del generador acoplado era de 10HP (7.5 KW) a 18000 RPM. El rotor tenía 3 pulgadas (75mm) de diámetro y 28 etapas de alabes planos hechos a partir de cortes oblicuos en anillos. Cuatro de estas turbinas se utilizaron a partir de 1890 para la producción eléctrica en la estación de Forth Banks en Newcastle, Inglaterra, siendo el primer uso de turbinas para la generación de energía pública. Una década más tarde, Parsons construiría el primer barco propulsado por una turbina, el Turbinia. Es así como en menos de 20 años Parsons creo los cimientos de las dos aplicaciones as importantes de las turbinas de vapor: la generación eléctrica y el transporte marítimo. Sin embargo, como era usual con las invenciones a finales del siglo XIX y principios del XX, existieron desarrollos de máquinas similares en otros países de manera simultánea. En 1889 Karl Gustaf Patrik de Laval desarrollo en Suecia la turbina de una sola etapa, donde el vapor se expandía a velocidades muy altas a través de una tobera convergentedivergente (hoy conocida como tobera de Laval) para luego impulsar un disco con alabes hasta cerca de las 30000 RPM. Su potencia era de 5HP y estaba acoplada a un generador eléctrico mediante un reductor de engranes helicoidales. En 1896 Charles G. Curtis patento en los Estados Unidos la turbina con etapas de velocidad (etapas Curtis) que permitía utilizar velocidades altas de vapor a menores RPM. La General Electric Company construyo en 1901 una turbina de 600 HP que estaba compuesta de 2 discos de 4 etapas curtis cada una. Otros desarrollos tempranos incluyeron a August C.E. Rateau en Francia, que utilizo el principio de Laval a partir de 1889 y Heinrich Zoelly que hizo lo mismo en Suiza a partir de 1903. Todas las turbinas mencionadas, salvo la de Laval, fueron máquinas de flujo axial, por lo que vale la pena destacar a Birger Ljunstorn que, en 1908, en Suecia, construyo una turbina de flujo radial, compuesta por os disco con alabes contra-rotatorios de 700HP y 3000 RPM en la que el vapor entraba por el centro y salía por la periferia.

Turbina de una etapa de Laval de 1889. A la izquierda se tiene una ilustración de su patente. A la derecha, un detalle de la maquina propiamente dicha.

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Turbina de flujo radial de Ljungstrom. A la izquierda una ilustración de su patente. A la derecha un detalle de la maquina propiamente dicha.

Si bien la relativa simpleza de funcionamiento de una turbina y el casi siglo y medio que paso desde su invención llevaría a pensar que no queda mucho lugar para mejoras, esto no es para nada cierto. Diseños modernos de los alabes con mejoras aerodinámicas y estructurales permiten aumentar la eficiencia y vida útil de la máquina. Además, la introducción de recalentamiento del vapor entre las etapas es una práctica cada vez más común, y el avance de la ciencia de los materiales ha logrado aumentar el diámetro de las turbinas considerablemente. Hoy en día aquellas primeras potencias de menos de 10KW parecen despreciables comparadas a las turbinas comerciales de 2000MW en producción.

TURBINA CURTIS La turbina Curtis es una turbina de acción con escalonamientos de velocidad, y cuando por primera vez fue construida, presentaba como características principales una disposición vertical y un número reducido de escalonamientos de presión, inferior a cinco, cada uno de los cuales estaba subdividido en dos o tres escalonamientos de velocidad, constituyendo así una turbina mixta. La disposición vertical ocupaba un espacio mínimo, presentando algunas ventajas desde el punto de vista de desgaste de cojinetes, equilibrado, etc, pero la disposición actual es horizontal, y los escalonamientos de velocidad se limitan a la primera rueda de alta presión, ya que en las turbinas de vapor de acción de pequeña y media potencia, como el salto entálpico asignado al primer escalonamiento de acción resulta excesivo, se sustituye por un doble escalonamiento Curtis que permite la admisión parcial de vapor; a esta corona Curtis se la conoce como corona de regulación, ya que en ella se verifica la regulación cuantitativa del flujo de vapor de la turbina. En las turbinas de vapor de gran potencia, que disponen de regulación por admisión parcial, se instala un escalón en cabeza que cuenta con una rueda Curtis con 2 ó más etapas de velocidad. Originalmente, las 2 etapas habituales de álabes de acción se

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disponían sobre un único disco y, entre ellas, un distribuidor siempre de álabes cilíndricos, que sólo orientaba la vena de vapor. Posteriormente se pasó de los primitivos álabes simétricos a los álabes asimétricos con igual ángulo de salida. En la actualidad el efecto de la rueda Curtis se puede reducir a una simple rueda de acción, (una sola etapa de velocidad). El objetivo actual de la rueda Curtis de corona única, radica en facilitar la regulación por admisión parcial, acortando la expansión a completar por los escalones siguientes (abaratando su coste) El mayor inconveniente de la rueda Curtis es la erosión, que se minimiza con una adecuada tecnología constructiva; otros inconvenientes que plantea la Curtis aguas abajo de su propio escalonamiento, son las estelas de vapor que producen los álabes de la rueda tras sus bordes de fuga, debido a que la velocidad del vapor, en la Curtis, es ligeramente inferior a la velocidad del sonido en ese medio. Si en la turbina de vapor no se prevé tras la Curtis un espacio amplio bien diseñado (cámara de homogeneización o mezcla), las estelas llegan a incidir en el primer escalonamiento de reacción, induciendo así vibraciones en el cuerpo de AP, que pueden ser muy peligrosas. De hecho, se han registrado, durante la puesta en servicio de grupos de gran potencia, averías graves con regulación por admisión parcial, destacando entre las más recientes la rotura de la soldadura entre el cuerpo del álabe y su corona de punta, originándose deterioros adicionales en otros puntos de la unidad. Este escalonamiento está constituido por un conjunto circunferencial de toberas, en el estator, y por una rueda de acción (actualmente de una etapa) en el rotor, que se agrupan normalmente en varios bloques unidos entre sí por soldadura. Los escalones posteriores, sean de acción o de reacción, se componen con elementos distribuidores de un amplio rango de tipos, que se reducen a álabes fijados en ranuras previstas en los porta álabes o en la propia carcasa. Si la relación cinemática a la entrada ξ1 está por debajo de su valor óptimo, para un valor dado de la velocidad c1, se obtienen velocidades de salida c2 elevadas, tanto mayores cuanto más pequeña sea ξ1, (a la parte contraria a c1 en los triángulos de velocidades), es decir: Para aprovechar una parte de esta energía a la salida de los álabes, se dispone de un distribuidor de álabes guía a continuación de la primera corona móvil, desviando el chorro de vapor e introduciéndole en una segunda corona móvil, obteniéndose así una turbina de acción con dos escalonamientos de velocidad; la expansión completa del vapor se produce en la tobera, mientras que en los álabes, tanto en los de las coronas móviles, como en los fijos del distribuidor, no se produce caída de presión, salvo pérdidas de carga por rozamiento. Si la energía del vapor a la salida de esta segunda corona móvil, fuese todavía elevada, se podría disponer a continuación de un nuevo escalonamiento de velocidad, y así sucesivamente, aunque por las razones que

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expondremos más adelante, el número de escalonamientos de velocidad suele ser de dos o tres como máximo.

Esquema de una turbina Curtis con dos escalonamientos de velocidad.

Esquema de una turbina Curtis con dos escalonamientos de velocidad.

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2. ANALISIS TERMICO Y FLUIDODINAMICO CICLO RANKINE: Antes de tratar la teoría correspondiente a la turbina como una turbo maquina es importante entender su importancia en el ciclo de potencia de vapor o ciclo Rankine. Se trata de un ciclo termodinámico idealizado de un motor térmico que convierte el calor proporcionado externamente a un circuito cerrado de que utiliza generalmente agua como fluido de trabajo en potencia mecánica. Debe su nombre al ingeniero escoces William J. M. Rankine, quien desarrollo una teoría completa sobre los motores de vapor.

Ciclo Rankine ideal simple

Los procesos involucrados son: • 1-2 Compresión Isoentropica en la bomba: el agua entra en la bomba en el punto 1 como liquido saturado y se condensa isoentropicamente hasta la presión de trabajo de la caldera. Aquí se le debe suministrar una potencia externa al ciclo. • 2-3 Adición de calor a presión constante en la caldera: el agua entra a la caldera como liquido comprimido en el punto 2 y sale como vapor sobrecalentado (o saturado en algunos casos) en el punto 3. • 3-4 Expansión isoentrópica en la turbina: El vapor en el punto 3 entra a la turbina donde se expande isoentropicamete y produce potencia mecánica en su eje. • 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador: El vapor ingresa en el punto 4 al condensador, donde se rechaza calor y se condensa hasta liquido saturado que luego entra a la bomba en el punto1.

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El ciclo ideal puede diferir del ciclo real debido a las irreversibilidades en los distintos componentes. En la figura se ilustran estas pérdidas de manera exagerada. Las fuentes principales de estas irreversibilidades son: • La fricción del fluido genera caídas de presión en la caldera y el condensador, además de las tuberías entre todos los componentes. • La pérdida de calor del fluido cuando este circula por los diversos componentes. • Irreversibilidades y perdidas dentro de la bomba y la turbina, ya sean de origen fluido dinámico o mecánico • Perdidas de otro origen, como cavitación en la caldera, fugas de vapor, equipos auxiliares, etc.

Desviación del ciclo rankine ideal del real debido a las perdidas

Para mejorar la estrategia del ciclo existen varias estrategias: • Reducción de la presión del condensador • Sobrecalentamiento del vapor a mayores temperaturas • Recalentamiento del vapor entre etapas de la turbina inclusión de regeneradores • Incremento de la presión de la caldera.

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TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES: ENTRADA: En la figura se han representado los cambios de velocidad que experimenta el vapor en la corona móvil. El vapor sale de la tobera y penetra entre los álabes de la corona móvil con una velocidad C1; la velocidad tangencial o periférica es u, y, por lo tanto, la velocidad relativa del vapor a la entrada es w1, que es la que observaría un espectador que se moviese arrastrado por los alabes, de la forma:

Triángulos de velocidades de entrada y salida del rodete

Al conjunto de velocidades u, c y w, junto con los ángulos α1 y β1 se le conoce como triangulo de velocidades de entrada. SALIDA: Al pasar el vapor entre los álabes de la corona, la velocidad relativa disminuye por rozamiento, por lo que a la salida se tienen otras velocidades u, c2 y w2 que forman entre si los siguientes ángulos:

Los diversos trabajos y rendimientos se pueden obtener como se indica a continuación: •

TRABAJO INTERNO: El trabajo generado por un determinado gasto másico G de vapor se puede expresar, sin considerar las perdidas mecánicas, en la forma:

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•

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RENDIMIENTO INTERNO: El rendimiento interno es la relación entre el trabajo interno generado en la corona móvil y la entalpia disponible.

Las ecuaciones anteriores son válidas exista o no rozamiento, y lo mismo para el caso en que se transforme, o no, todo el salto de entalpia disponible en energía cinética, bien totalmente en las toberas, o parcialmente en el distribuidor de alabes guía y el resto en la corona de alabes móviles. En el primer caso sabemos que el vapor circula entre los alabes de la corona móvil a presión constante, siendo la sección de paso entre los alabes constante, mientras que, para el segundo caso, la presión a la entrada de los alabes de la corona móvil es mayor que a la salida, lo que se consigue haciendo que la sección de paso entre los alabes sea variable. De otra forma: Haciendo uso del Teorema de Euler aplicado a las turbomáquinas, el trabajo interno es:

La potencia generada correspondiente es:

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Rendimiento Interno:

Triángulos de velocidades para alabes no simétricos α2 = 90 (Flujo no axial)

Triángulos de velocidades para alabes simétricos α2 = 90 (Flujo no axial)

Triángulos de velocidades para alabes asimétricos β2 = α1; α2 = 90 (Flujo no axial)

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•

TRABAJO INTERNO MÁXIMO: El trabajo interno máximo se obtiene derivando la ecuación del trabajo interno respecto de u:

•

RENDIMIENTO INTERNO MÁXIMO: El rendimiento interno máximo se obtiene sustituyendo en la expresión del rendimiento interno la condición 2u=c1 cos α1, o también:

•

GASTO MÁSICO DE VAPOR: El salto adiabático disponible se determina mediante el diagrama de Mollier, para un rendimiento dado de la turbina, el gasto de vapor es:

Y aunque el rendimiento global de la turbina no se conoce hasta una vez ensayada, se dispone de resultados de diseño y proyectos anteriores que se pueden aprovechar en forma aproximada a fin de minimizar su coste de fabricación. •

VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO: Cuando la turbina adquiere la velocidad de embalamiento posee un rendimiento nulo, por lo que cos α1= ξ1, y no proporciona potencia. La velocidad de embalamiento de la turbina, que es la que ésta adquiriría si el par resistente fuese nulo es: u=c1 cos α1, y corresponde a una corona con álabes rigurosamente rectos y 15


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axiales, pasando el vapor a través de ellos sin ejercer empuje periférico alguno. Para una turbina ya construida que funcione a velocidades muy superiores a las de proyecto, se tiene que cumplir c 1u = c 2u y los valores de las componentes meridianas de las velocidades coincidirán, siendo los triángulos de velocidades para el embalamiento (*), de la forma indicada en la figura.

Triángulos de velocidades para el embalamiento.

De dichos triángulos se obtienen as siguientes ecuaciones:

Multiplicándolas miembro a miembro:

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deduciéndose que la velocidad de embalamiento es siempre superior a: u=c1 cos α1, lo cual es debido a que, si w2 está situada en una turbina dada, a un lado del eje meridiano, en el embalamiento también estará w1 en el mismo lado. •

Perdidas mecánicas Dependen de las siguientes circunstancias: o Rozamiento de discos o Ventilación o Inyección parcial Las perdidas mecánicas por rozamiento de discos se determinan mediante la expresión:

En la que D es el diámetro medio de la corona en metros. Las perdidas por ventilación vienen originadas por el rozamiento de las aletas que no están metidas a la inyección del vapor, se pueden determinar mediante la expresión:

En la que a es la altura del alabe en metros.

Las perdidas debidas a la inyección parcial se determinan mediante la ecuación:

Y son los remolinos producidos en los alabes de la corona móvil por la trayectoria diferente de las primeras ráfagas y de las ultimas.

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3. CALCULOS DE LA TURBINA ESPECIFICACIONES PARA UNA TURBINA CURTIS DE 3 ETAPAS: Presión de entrada de operación Temperatura de entrada de operación Número de revoluciones Angulo de entrada Tipo turbina Numero de escalonamiento Diámetro externo de la corona Coeficiente de Presión Coeficiente de Perdidas en la Tobera

:8 bar :20oC :6000 RPM : α1 = 30o : Turbina Curtis :3 escalonamientos :140 mm : Ѱ = 0.8 : ϕ = 0.9

Según el diagrama de Mollier: • Po = 8 bar vo = 0.001 m3/kg ho = 84.67 kJ/kg = 20.22 Kcal/kg To = 20oC so = 0.2963 kJ/kg oC • Ta = 15oC va = 0.6548 m3/kg Ha = 83.68 kJ/kg = 19.98 Kcal/kg sa = 0.2963 kJ/kg oC

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TRIANGULOS DE VELOCIDADES: Para determinar la potencia y el rendimiento de una turbina Curtis con tres escalonamientos de velocidad, podemos partir del esquema de triángulos de velocidades, en el que se considera que los alabes de las coronas y de los distribuidores son simétricos:

β1 = β2; β´1 = β´2.

Asimismo, supondremos un coeficiente de reducción de velocidad para las tres coronas y para los dos distribuidores de alabes idéntico, igual a Ѱ, mientras que para la tobera es ϕ.

PRIMERA CORONA: •

Primera corona – “Entrada”: Angulo de entrada : α1 Angulo de Salida : β1 Velocidad tangencial :u Velocidad Relativa : w1 Velocidad Absoluta : c1 : c1m : c1u

= 30o = 49.12o = 44 m/s = 67.19 m/s = 101.6 m/s = 50.8 m/s = 87.98 m/s

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•

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Primera corona – “Salida”: Asumimos que el coeficiente de presión Ѱ = 0.8 y β1 = β2 Angulo de entrada Angulo de Salida Velocidad tangencial Velocidad Relativa Velocidad Absoluta

: α2 : β2 :u : w2 : c2 : c2m : c2u

= 77.77o = 49.12o = 44 m/s = 53.75 m/s = 41.58 m/s = 40.64 m/s = 8.8 m/s

SEGUNDA CORONA: •

Segunda corona – “Entrada”:

α´1 = α2 = 77.77 o Angulo de entrada Angulo de Salida Velocidad tangencial Velocidad Relativa Velocidad Absoluta

•

: α’1 : β’1 :u : w’1 : c’1 : c’1m : c’1u

= 77.78o = 41.33o = 44 m/s = 49.22 m/s = 33.26 m/s = 32.5 m/s = 7.04 m/s

Segunda corona – “Salida”: Asumimos que el coeficiente de presión Ѱ = 0.8 y β’1 = β’2 Angulo de entrada : α’2 = 60.98o Angulo de Salida : β’2 = 41.33o Velocidad tangencial :u = 44 m/s Velocidad Relativa : w’2 = 39.37 m/s Velocidad Absoluta : c’2 = 29.73 m/s : c’2m = 25.99 m/s : c’2u = -14.44 m/s

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TERCERA CORONA: •

Tercera corona – “Entrada”:

α’’1 = α’2 = 60.98o Angulo de entrada Angulo de Salida Velocidad tangencial Velocidad Relativa Velocidad Absoluta

•

: α’’1 : β’’1 :u : w’’1 : c’’1 : c’’1m : c’’1u

= 60.98o = 32.66o = 44 m/s = 38.54 m/s = 23.79 m/s = 20.79 m/s = -11.54 m/s

Tercera corona – “Salida”: Asumimos que el coeficiente de presión Ѱ = 0.8 y β’’1 = β’’2 Angulo de entrada : α’’2 = 42.90o Angulo de Salida : β’’2 = 32.45o Velocidad tangencial :u = 44 m/s Velocidad Relativa : w’’2 = 31 m/s Velocidad Absoluta : c’’2 = 24.39 m/s : c’’2m = 16.6 m/s : c’’2u = -17.84 m/s

TRABAJO INTERNO: Suma de los trabajos periféricos desarrollados por cada corona. • • • •

u = 44 m/s c1u = 87.98 m/s c2u = 8.8 m/s c’1u = 7.04 m/s

Tint = 3.65 kJ/kg T = 6.36 kJ/kg

• • •

Trabajo Interno Trabajo Total

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c’2u = -14.44 m/s c’’1m = 11.54 m/s c’’2u = -17.84 m/s


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RENDIMIENTO INTERNO: • •

Tint = 3.65 kJ/kg T = 6.36 kJ/kg

Ƞint = 57.38%

Rendimiento Interno

PERDIDAS: • • • • • •

Perdidas en la Tobera Perdidas alabes corona 1 Perdidas distribuidor 1 Perdidas alabes corona 2 Perdidas distribuidor 2 Perdidas alabes corona 3

: 0.63 kJ/kg : 0.8122 kJ/kg : 0.311 kJ/kg : 0.435 kJ/kg : 0.159 kJ/kg : 0.27 kJ/kg

Pérdidas Totales: 2.6172 kJ/kg

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4. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN DE LAS PARTES QUE COMPONEN LA TURBINA CORONAS MOVILES Y CORONAS FIJAS O DISTRIBUIDORAS: a) Para iniciar la construcción de las coronas y distribuidores se utilizó una plancha delgada LAC de acero ASTM A36 de 2 mm de espesor (corona móvil) y de 1.5 mm de espesor (corona fija o distribuidor), previamente se imprimió moldes en papel con los diámetros a utilizar, dimensiones de los alabes y la cantidad de alabes de la corona.

b) Los moldes de papel fueron pegados sobre la plancha metálica (para facilitar el corte), posteriormente se realizo el corte del diámetro externo de los discos metálicos con un esmeril.

c) Debido a que el esmeril no es una herramienta de precisión para cortes circulares, se realizó una perforación en el centro de los discos y se les sujeto con un perno de ¼”, luego utilizando un taladro (donde se sujetaron los discos) y lijar de grano 40, se cilindro el diámetro externo de los discos hasta el diámetro necesario.

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d) Utilizando un disco de corte de 1mm de espesor se realizó el corte de las divisiones de los alabes en cada uno de los discos metálicos.

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e) Con un alicate se dobló cada uno de los alabes con la orientación deseada.

f) Para lograr que los alabes tenga la forma de un arco circular se fabricó un utillaje especial, se cortó un tubo Schedule de diámetro exterior de 7/8”, luego cada mitad fue soldada a un ángulo metálico y con ayuda del tornillo de banco se procedió a doblar cada uno de los alabes manualmente.

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g) Siguiendo el mismo procedimiento del punto anterior, se le dio forma a los alabes de las demás coronas móviles y distribuidores.

h) Finalmente se lijo cada una de las coronas para eliminar filos cortantes y restos de óxido en su superficie y se les aplico esmalte sintético.

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CARCASA a) Para la construcción de la carcasa de la turbina se utilizó un tubo de acero galvanizado con las siguientes dimensiones: 21cm de longitud, 17cm de diámetro externo y 16 cm de diámetro interior.

b) Se corto el tubo longitudinalmente en dos mitades iguales, luego se realizaron cuatro perforaciones de ¼” en cada mitad del tubo (los cuales sirven para poder sujetar las tapas delantera y posterior) con un ángulo de 30O grados con la horizontal.

c) Al cortar el tubo longitudinalmente quedo una luz de 4mm por lado, para evitar que el vapor salga del tubo por estas ranuras se instaló una junta rectangular de NBR, la cual evita la fuga del fluido de trabajo.

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d) Se realizó un corte en la superficie superior de la carcasa y se unió por soldadura un tubo que será por donde ingrese el vapor a presión (tobera).

e) Se lijo el tubo con lijar de grano 40 y posteriormente grano 120, para eliminar filos cortantes e imperfecciones en la superficie interna del tubo y finalmente se cubrió la superficie externa e interna del tubo con varias capas de esmalte sintético.

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TAPAS DELANTERA Y POSTERIOR a) Se utilizó plancha metálica delgada LAC de acero ASTM A36 de 2mm de espesor, con el esmeril se cortó la plancha en forma circular con diámetro 16 cm.

b) Debido a que el esmeril no es una herramienta de precisión para cortes circulares, se realizó una perforación en el centro de los discos y se les sujeto con un perno de ¼”, luego utilizando un taladro (donde se sujetaron los discos) y lijar de grano 40, se cilindro el diámetro externo de los discos hasta el diámetro necesario.

c) Se realizaron 8 perforaciones de ¼” en una platina, seguido se soldó sobre cada perforación una tuerca de ¼” UNC, esto servirá para poder sujetar las tapas al tubo.

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d) Terminada las perforaciones y la soldadura de las tuercas a las platinas, se cortó esta en 8 partes iguales y se procedió a unirlas por soldadura a cada uno de los discos que trabajara como tapa de la turbina.

e) Debido a que el proceso de soldadura por las elevadas temperaturas de trabajo tiende a dilatar el acero, y posteriormente al enfriarse este se contrae, para esto se pasó machuelos por cada una de las áreas roscadas de la tapa y mantener el diámetro adecuado de la rosca.

f) Finalmente se procedió a pintar con esmalte sintético color negro.

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UTILLAJES DE CENTRADO DE RODAMIENTOS a) Para centrar los rodamientos a la turbina se cortó un tubo cuadrado de 2”x2” por 3mm de espesor.

b) Se realizaron perforaciones en cada uno de los cuatro lados y se unió una tuerca por soldadura (para cada perforación).

c) Terminado el proceso de soldadura se repasó machos de ¼” a cada uno de los alojamientos roscados.

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d) Finalmente se procedió a soldar cada utillaje de centrado a cada uno de las tapas.

•

BASE DE SOPORTE DE LA TURBINA a) Para la fabricación de la base que soporta la turbina se utilizó tubo cuadrado de 7/8” x 7/8” de 2 mm de espesor.

b) Se cortó el tubo según las medidas del plano y se procedió a unir las partes con soldadura.

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c) En los parantes se soldó volandas unidas a tuercas de 1/4” para tener donde sujetar una abrazadera metálica que fijara la parte superior del tubo.

d) Se pintó la estructura con esmalte sintético color negro.

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5. PROCEDIMIENTO DE ARMADO A. En el eje roscado se sujetan las coronas móviles y los distribuidores con tuercas, dejando una longitud de 5cm en la parte posterior y 9 cm en la parte delantera del eje.

B. Se sujetan los rodamientos en cada una de las tapas.

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C. Se desplaza el eje roscado a través de los rodamientos previamente instalados en las tapas, y se centran adecuadamente con los pernos.

D. Se ubica la turbina sobre el soporte que la sujetara.

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E. Se fijan las tapas delantera y posterior a la parte inferior de la carcasa de la turbina.

F. Se colocan dos tuercas en la parte posterior del eje, para evitar que este se desplace con el movimiento y las vibraciones.

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G. Se instala la parte superior de la carcasa de la turbina.

H. Finalmente se instala el generador eléctrico directamente al eje de la turbina.

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TURBINA DE VAPOR:

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6. CONCLUSIONES: •

• • • •

El presente proyecto nos ayudó a comprender mejor el funcionamiento de las turbomaquinas (que producen energía a partir de un flujo de aire o vapor), realizando los cálculos previos, diseñando la turbina y finalmente construyéndola a partir de lo obtenido teóricamente. Se calculó el triángulo de velocidades de cada escalonamiento de la turbina, las entalpias, trabajo total, trabajo interno, rendimiento interno y perdidas. Se realizó el modelado de cada una de las partes y los planos en el software de modelado paramétrico Autodesk Inventor. A partir de los planos realizados previamente se construyó la turbina. Mediante el presente trabajo se demuestra que se puede generar energía eléctrica transformando la energía de un flujo de vapor en energía mecánica, que es transmitida mediante un eje de salida hacia un generador de corriente.

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7. ANEXOS:

PLANOS DE LA TURBINA DISEÑADA

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8. BIBLIOGRAFIA • Turbo maquinas Térmicas – Claudio Mataix • Maquinas Térmicas – Marta Muñoz Domínguez/Antonio José Rovira de Antonio • Ingeniería Térmica - Marta Muñoz Domínguez; Antonio José Rovira de Antonio; María José Montes Pita • Centrales de Vapor – G.A. Gaffert • Turbinas de Vapor – Pedro Fernández Diez • Termodinamica – Yunus A. Cengel; Michael A. Boles • Mecanica de Fluidos y Maquinas Hidraulicas – Claudio Mataix

Páginas Web consultadas: • http://www.renovetec.com/590-mantenimiento-industrial/110mantenimiento-industrial/306-partes-de-una-turbina-de-vapor • http://www.turbinasdevapor.com/index.php/component/content/catego ry/11-tipos-y-elementos-turbinas • http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbina-de-vapor.html • http://www.plantasdecogeneracion.com/index.php/principios-defuncionamiento1 • http://www.cogeneramexico.org.mx/menu.php?m=79 • http://www.abb.com.mx/cawp/seitp202/bad82308e64184ad652578cd0 042d39d.aspx • http://www.turbinasdegas.com/principales-partes-turbinas

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Informe Diseño y Fabricacion de Turbina Experimental de Vapor de Baja Potencia Para La Generacion de Energia Electrica

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