4.3 Turbinas de vapor
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a traces de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina.
En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente desaprovechada por un generador para productor electricidad.
El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energía de vapor.
COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE VAPOR
- La carcaza.
Forma el cuerpo de la turbina, suelen estar divididas horizontalmente en la mitad de centros del árbol o eje de rotación de la misma. En las de tamaño pequeño se utilizan carcazas de tipo vertical (hasta de 100 hp). - Las toberas o boquillas.
Es uno de los componentes principales de la turbina; es un ducto de área de sección transversal uniformemente variable donde pasa un flujo de vapor necesario con una velocidad y presión de entrada y a la salida con una velocidad mayor y presión menor , transformándose su energía potencial (T y P mayor) en energía cinética. Suelen estar en la mitad inferior de la carcaza, con aberturas múltiples en un anillo semicircular o como toberas individuales, separadas en la periferia de la carcaza. - Los árboles y cojinetes.
Son los elementos mecánicos de la turbina donde el árbol o flecha (rotor) se asienta en los cojinetes girando sobre su superficie. - Las ruedas y los álabes.
Las ruedas se montan sobre en el árbol y los álabes se montan en la periferia de la rueda, en estos componentes se recibe la fuerza generada por las toberas para hacer girar la turbina y generar trabajo.
TIPOS DE TURBINA DE VAPOR
Pueden clasificarse de una manera general en dos subdivisiones, basadas en el modo de efectuar la transformación de la energía calorífica a energía mecánica. La turbina de impulso produce el movimiento del rotor por la fuerza creada por el choque del chorro de vapor contra los álabes.
La turbina de reacción produce el movimiento debido a la reacción de chorros de vapor fijos al disco giratorio.
1. Turbinas de impulso
Produce el movimiento del rotor por la fuerza creada por el choque de los chorros del vapor contra los álabes de la turbina. La turbina está diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo se expande a través de una serie de boquillas (toberas) hasta perder la mayor parte de su energía interna.
a) Turbinas de impulso de un paso de velocidad.
Este es el tipo mas común de turbina, el vapor se expande completamente en la tobera y los alabes móviles reciben este vapor, transformando su energía cinética en trabajo.
Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de la periferia del rotor, por cuya razón en un momento dado solamente parte de los álabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor.
En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una tobera debería llevarse al reposo en los álabes, y de esta suerte, cedería toda su energía cinética a los mismos. En las turbinas de acción reales esto no es posible por razones de tipo constructivo. Por este motivo siempre se produce una perdida de energía en la turbina a causa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.
b) Turbinas de varios pasos de velocidad.
A fin de aprovechar mas eficientemente la energía termina disponible en el vapor se ha desarrollado la turbina de varios pasos de velocidad, en la que después de pasar el vapor por la primera hilera de alabes móviles, se le hace pasar por una segunda y aun por la tercera hilera de alabes móviles.
2. Turbinas de reacción
Se construye de varias hileras de álabes móviles fijos a la rueda o rotor, y de un numero igual de álabes fijos a la cubierta. Los álabes fijos experimentan una caída de presión y, por lo tanto, un aumento de energía cinética o de velocidad al entrar el vapor en los álabes móviles se produce un impulso justamente igual que en las turbinas de impulso. Casi todas las turbinas son del tipo de flujo axial, o sea que la dirección del flujo de vapor es aproximadamente paralelo al eje de la turbina.
TIPOS DE TURBINA POR OPERACIÓN
1. Expansión simple
Las turbinas de expansión simple se construyen en capacidades hasta de 1500 hp y velocidades de 600 a 7000 rpm. Son diseñadas invariablemente para operar sin unidades de condensación y son extremadamente populares en muchas aplicaciones en plantas de proceso.
Una de las ventajas de la turbina es que produce vapor limpio de baja presión, que puede ser empleado como vapor de proceso, calentamiento, etc. Por lo tanto en una planta bien diseñada puede ser emplearse un cierto número de turbinas de expansión simple para propulsar bombas y al mismo tiempo proporcionar las cantidades necesarias de vapor de baja presión para ser usados en toda la planta (calentamiento, secado, etc.)
2. Extracción
En las plantas modernas donde las calderas producen vapor de presiones muy elevadas, y se hace necesario reducir la presión de vapor antes de enviarlo por las tuberías para usarlo en la planta de proceso. Para este fin, las turbinas de extracción han probado ser muy útiles, el vapor se extrae en forma automática, de pasos intermedios de la turbina a fin de utilizarlos como vapor de proceso.
El vapor restante continúa fluyendo hasta el escape de la turbina y de ahí al sistema de condensación, mediante este sistema es posible la generación de grandes cantidades de energía eléctrica, y al mismo tiempo poder proporcionar vapor de proceso a diferentes niveles de presión.
FUNCIONAMIENTO
La función fundamental es que es una maquina en donde se transforma la mayor cantidad posible de energía disponible que posee el vapor, en energía cinética. Se entiende por energía, si máximo trabajo que seria capaz de producir le vapor, entre las presiones de entrada y salida de la turbina.
Otra misión importante que pueden cumplir las turbinas, es la de dirigir de la manera mas conveniente.
Una turbina ideal, con un rendimiento máximo, es aquella que realiza un proceso
reversible; para ello es necesario eliminar las perdidas debido al choque del vapor por
flujo turbulento (las perdidas es igual a cero). Esto se lograría, dando a la turbina una superficie completamente lisa y diseñando sus curvaturas de tal forma que el flujo
sea laminar; además el proceso debe ser adiabático.
CÁLCULOS DE CONSUMO DE VAPOR EN TURBINAS.
Se asume el ciclo Rankine para el caso ideal y se aplica una eficiencia total para corregir las condiciones teóricas.
El vapor se expande isoentrópicamente desde las condiciones iniciales hasta las condiciones finales, la diferencia de entalpía representa el trabajo hecho por libra de vapor, se puede utilizar un diagrama de Mollier de vapor de agua para los cálculos que se realizan con bastante rapidez o bien en las tablas de vapor .
En el gráfico del Ciclo Rankine, el punto 2 al 3 de la gráfica representa la expansión (isentrópica) de la turbina generando trabajo, con una disminución de entalpía hasta la condiciones de salida de la turbina.
