manual de turbinas de vapor imp

Curso de Turbinas a Vapor

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TURBINAS

A

VAPOR

El propósito es dar conocimientos fundamentales del mantenimiento de turbinas a vapor, aún cuando todas las turbinas operan bajo los mismos esfuerzos, es indudable que siempre se podrán encontrar diferencias en los procedimientos y por esta razón, no se duda en recomendar el manual del fabricante para una máquina específica llegado el caso.


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TEORIA

Una turbina de vapor desarrolla trabajo mecánico, al convertir en trabajo la energía calorifica disponible en la expansión del vapor. El calor y el trabajo mecánico, al ser dos formas de energía, se pueden convertir el uno en el otro.

La energía calorífica se convierte en dos pasos. El vapor se expande en boquillas y descarga a alta velocidad, convirtiendo la energía calorífica disponible en energía de velocidad (cinética). El vapor a alta velocidad golpea las paletas en movimiento, convirtiendo la energía de velocidad en trabajo. Puesto que la energía calorifica total disponible en el vapor se convierte en energía de velocidad (cinética), la magnitud de la velocidad del vapor depende, por tanto, de la energía disponible.

El trabajo mecánico que se desarrolla en la turbina por el vapor a alta velocidad que golpea las paletas está en función de la velocidad de las paletas. El trabajo máximo tiene lugar cuando la velocidad de las paletas es aproximadamente la mitad de la velocidad del chorro de vapor para un paso por impulso, y de una cuarta parte de la velocidad del chorro de vapor para un paso por impulso a velocidad compuesta.

Mientras que la velocidad del chorro de vapor está determinada por la energía calorífica disponible, la velocidad de las paletas queda determinada por la velocidad de la turbina y el diámetro de la rueda de la turbina en la cual están montadas las paletas. El trabajo desarrollado o la eficiencia de la turbina, despreciando las pérdidas, queda por tanto determinada por el tamaño de la turbina y la velocidad de la turbina (bomba) para una cantidad fija de energía calorífica disponible.

Una turbina de vapor se evalúa normalmente empleando, en vez de la eficiencia, el consumo específico de vapor, o sea, cantidad de vapor que requiere la turbina para producir la potencia especificada por hora, a la velocidad especificada. El consumo específico de vapor es una función directa de la eficiencia de la turbina.

El consumo de vapor puede expresarse ya sea en capacidad de vapor (libras de vapor por HP por hora) o bien en flujo de vapor (libras de vapor por hora). Mientras mayor es la eficiencia menor es el consumo específico de vapor o el flujo de vapor, y viceversa.

La energía total disponible del vapor es la que queda disponible de una expansión isentrópica. Para una presión inicial de vapor dada y una temperatura y presión de salida, la energía disponible (Btu por libra de vapor) se puede obtener de las tablas o del diagrama de Molliere (véase Fig. 10) en la referencia 4.

La energía disponible se puede convertir en HP o en kilowatts y expresarse como consumo específico teórico de vapor-libras por HP hora o libras por kilowatt hora.

El consumo específico teórico de vapor es el consumo específico de vapor para una turbina al 100% de eficiencia y, por tanto, se puede usar en forma más conveniente que la energía, Btu por libra, para el cálculo de los consumos específicos de vapor de las turbinas. Los consumos específicos teóricos de vapor se pueden obtener directamente de las Tablas de Vapor (Theoretical Steam &te Tables, ASME) o del diagrama polar de Molliere (Elliott Company).

El consumo específico real de vapor para una turbina es mayor que el consumo específico teórico, debido a las pérdidas que tienen lugar en la turbina al convertir la energía disponible en trabajo mecánico y la relación de la velocidad del vapor a la velocidad de las paletas. La energía remanente en el vapor que sale de la turbina es mayor que la que permanece después de una expansión isentrópica, como se ilustra en el diagrama de Molliere de la figura 6, en donde:

1.- Energía en el vapor a la presión y temperatura iniciales

2.- Energía en el vapor, a la presión de salida, para una expansión isentrópica

3.- Energía real en el vapor, a la presión de salida


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La eficiencia de la turbina es Las pérdidas por caída de presión en el regulador y en la válvula de disparo están en función de los tamaños de estas dos válvulas y del flujo del vapor. La caída de presión en la válvula del gobernador variará más que la caída de presión en la válvula de disparo por los cambios en la posición de la válvula de acuerdo con la potencia requerida por la bomba conducida por las variaciones en la velocidad y los cambios en las condiciones del vapor a la entrada y/o a la salida.

La pérdida en las boquillas se debe a la fricción en las mismas cuando el vapor se expande. La eficiencia de las boquillas está en función de la relación del cuadrado de las velocidades de salida del vapor, real e ideal. La eficiencia generalmente se encuentra entre el 95 y el 99%.

Las pérdidas por fricción del viento y del disco se deben a la fricción entre el vapor y los discos y las paletas que ventilan el vapor. Esta pérdida varía inversamente con el volumen específico del vapor, aumenta con la presión de salida y aumenta con el diámetro de la rueda y la longitud de las paletas.

El uso de una rueda de mayor diámetro podría incrementar la eficiencia, pero las pérdidas por fricción del viento y con los discos reducirá la mejora y podría aun originar una pérdida neta en la eficiencia total.

Las pérdidas a la salida representan la energía cinética remanente en el vapor como resultado de la velocidad del vapor al abandonar las paletas, y de la caída de presión en el vapor a medida que pasa hacia afuera por la conexión de salida.

La pérdida por conversión de energía se debe a la conversión no ideal de la energía de velocidad del vapor en trabajo mecánico en las paletas como una función de la velocidad del vapor y de la velocidad de las paletas, más las boquillas y los ángulos no ideales de las paletas, la fricción en el sistema, etc.

El comportamiento real que se puede esperar de una turbina de tipo Curtis de un solospaso, se puede obtener de las figuras 7, 8 y 9, y de la tabla 1, después de determinar el consumo específico teórico de vapor:


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La capacidad de una turbina de tamaño particular para que realmente desarrolle los HP requeridos, se determina básicamente por:

1. La capacidad de flujo de la conexión de entrada y salida, de las figuras 10 y 11, en donde: flujo de vapor = HP x consumo específico de vapor.

2. La capacidad de flujo de las boquillas disponible en una turbina en particular. El número y tamaño de las boquillas puede variar considerablemente con cada diseño de turbina fabricada, así que en esta sección no es posible incluir un esquema significativo.


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Principios

El calor es una forma de energía y puede ser transformado en energía mecánica. Una turbina de vapor transforma la energía calorífica en energía mecánica.

Una turbina de vapor puede definirse como una máquina calorífica en la que la energía del vapor se transforma en energía cinética por medio de la expansión a través de boquillas, y la energía cinética del chorro resultante se convierte, a su vez, en fuerza que realiza un trabajo sobre una serie de anillos de aspas montadas en una pieza giratoria. Esta definición también se puede enunciar así: "Una turbina de vapor es un elemento motriz principal que convierte la energía térmica del vapor directamente en energía mecánica de rotación"

Cuando el agua se convierte en vapor esta contiene más energía, al introducirle mayor calor la presión del vapor aumenta y esta se hace superior a la presión atmosférica obligando al vapor a expandirse a través de la tobera, saliendo el vapor a alta velocidad y chocando contra el alabe el cual se ve impulsado y se mueve. El chorro de vapor a alta velocidad, al chocar contra el alabe, provoca que éste se mueva; aquí a energía mecánica es producida conforme choque el vapor contra el alabe.

Al salir el vapor por la tobera, éste se expande disminuyendo su presión, pero aumentando grandemente su velocidad, o sea, la tobera convierte la presión en velocidad y el choque del vapor contra el alabe hace girar el rotor y se produce trabajo mecánico.

El rotor consiste de una rueda donde están montados los alabes y la tobera está montada en la pared de la cámara de vapor la cual guía el flujo de vapor contra los alabes. La presión del vapor en el rotor es menor que en la caldera, pues no habría flujo de vapor si no existiera una diferencial de presión, y entre mayor sea ésta diferencial de presión mayor será el flujo.

Conforme el vapor deje la tobera, su presión y temperatura disminuyen pero su velocidad aumenta y después de chocar contra los alabes esta velocidad disminuye.

El rotor al girar produce trabajo mecánico y el vapor experimenta una pérdida de energía. Una cantidad mayor de vapor producirá mayor trabajo. Si se aumenta el número de toberas o se hace más grande la existente, saldrá mayor cantidad de vapor, produciendo mayor trabajo. Por lo tanto, para producir más trabajo:

Se aumenta la diferencial de presión. Se agrandan las toberas existentes (o se agregan más del mismo tamaño).

Controlando la entrada de vapor, podemos controlar la salida de energía mecánica. El rotor esta montado dentro de una carcasa de metal donde la presión es menor que dentro de la cámara de vapor, para poder permitir el flujo a través de las toberas. Si no existiera esta diferencial de presión no podría haber producción de trabajo mecánico.

El vapor es controlado por la válvula del gobernador, al entrar el vapor a alta velocidad y chocar contra los alabes se produce un impulso del vapor sobre los alabes para hacer girar el rotor, la manera más conveniente para aumentar la potencia de la turbina es permitir mayor cantidad de vapor dentro de la cámara de vapor, cuando se necesita más energía, la válvula del gobernador debe abrir para permitir un aumento de vapor dentro de la cámara.

Si se aumenta la carga en la flecha de una turbina, pero el flujo de vapor permanece igual, la velocidad del rotor disminuirá, y viceversa; si la carga disminuye, la velocidad del rotor se incrementará y puede causar serios daños a la turbina. Por lo tanto, la válvula del gobernador debe regular la entrada de vapor en función de la carga aplicada a la flecha de la turbina:

Si se aumenta la carga debe abrir y permitir mayor paso de vapor.

Si disminuye carga debe cerrar y disminuir el paso de vapor.


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Razones para el uso de las turbinas de vapor

Las turbinas de vapor se usan para mover los diferentes tipos de bombas, por un sinnúmero de razones:

1. La generación económica de vapor requiere con frecuencia presiones de calderas de vapor y temperaturas que están muy por encima de las que se usan para diversos propósitos en una planta en operación. El vapor también se puede usar a dos o más niveles de presión dentro de la misma planta. La reducción de presión se puede efectuar por medio de válvulas, de estaciones reductoras de presión o del uso de una turbina de vapor.

La reducción de presión mediante el uso de una turbina de vapor y, por consecuencia, desarrollo de potencia para mover una bomba, permite menores costos de servicio. El incremento proporcional en flujo de vapor y por consiguiente, en costos de combustible para la misma carga térmica de vapor a baja presión es, en la mayoría de los casos, menor que el costo de potencia comprada para una bomba movida por un motor.

2. Una bomba movida por una turbina de vapor se puede operar dentro de una gama amplia de velocidad utilizando el sistema de gobierno de la turbina, o una válvula controlada por separado en la turbina o en la línea de vapor a la turbina. La operación a velocidades variables es una característica inherente de las turbinas de vapor y no requiere el uso de dispositivos especiales para variar la velocidad, como en el caso de otras unidades motrices principales. La eficiencia total de la turbina y la bomba se puede optimizar operando a velocidades reducidas y a los valores reducidos resultantes de potencia. El comportamiento de la bomba se puede controlar reduciendo la velocidad de la bomba, más que estrangulándola. Mientras que la eficiencia de la turbina normalmente declina cuando se opera a velocidad reducida, el flujo de vapor será aún menor que cuando se estrangula la bomba.

La operación a potencia reducida, pero a velocidad constante, se permite también por el regulador de velocidad que estrangula el vapor hacia las boquillas, a medida que el HP se reduce. La eficiencia se puede mejorar equipando la turbina con válvulas de vapor auxiliares que se cierran durante la operación a HP reducidos. Al cerrar estas válvulas se reduce el área disponible de las boquillas y se reduce la caída de presión a través de la válvula de regulación.

El flujo de vapor, cuando se opera con la válvula auxiliar de vapor cerrada, se aproximará al flujo para la misma turbina, si es diseñado para la cantidad reducida.

3. El uso de una unidad motriz con turbina de vapor permite la operación de la bomba que es esencialmente independiente de la potencia eléctrica o del sistema de distribución. La turbina de vapor no se afecta por los paros o interrupciones de energía eléctrica. Por lo tanto, las operaciones críticas de bombeo pueden mantenerse bajo tales circunstancias usando una uridad motriz con turbina de vapor.

4. Una turbina se puede usar como una unidad motriz secundaria para una bomba, y también puede servir para una bomba independiente o de emergencia. El diseño particular de la planta puede no proporcionar vapor suficiente para que la bomba sea movida por la turbina de vapor. Sin embargo, en el caso de una falla en la potencia eléctrica o de un disturbio en el sistema de potencia, se puede emplear una turbina de vapor como segunda unidad motriz o para mover una bomba separada que asegure la operación continua de la planta hasta que se restablezca la energía eléctrica.

5. Los controles de la turbina de vapor-sistema de regulación y sistema de disparo por sobrevelocidad-son inherentemente a prueba de chispas. Por consecuencia, las turbinas de vapor pueden aplicarse para mover bombas centrífugas en una amplia variedad de atmósferas peligrosas, sin originar costos adicionales de construcción a prueba de explosión o de chispas.

6. Las turbinas de vapor normalmente se pueden alterar para lograr un incremento en capacidad para mayor salida de la bomba o para nuevas aplicaciones de la bomba movida por la turbina. Esta flexibilidad inherente de una turbina de vapor también permite alterarla fácilmente para lograr cambios en la presión y temperatura iniciales del vapor y en la presión del vapor de salida, a las cuales opera la turbina, cuando así lo requieren los cambios en el sistema de vapor de la planta.


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7. Las turbinas de vapor tienen un par de arranque o de iniciación de aproximadamente el 150 al 180% del par especificado. Se puede proporcionar fácilmente un par de arranque adicional, diseñando la turbina para el flujo adicional de vapor requerido y sin reducir la eficiencia a la capacidad normal de operación, por medio de una válvula auxiliar de vapor. El par adicional de arranque con frecuencia se puede obtener sin aumentar el tamaño del armazón de la turbina.

8. Las turbinas de vapor se pueden usar para mover toda clase de bombas.

9. Las turbinas de vapor son inherentemente autolimitantes con respecto a la potencia desarrollada. No es necesario que tengan dispositivos especiales de protección para evitar el daño debido a condiciones de sobrecarga. La máxima potencia que puede desarrollar una turbina es una función de las áreas de flujo previstas en el diseño del anillo de boquillas y de la válvula de regulación. La aplicación de una carga mayor de la que puede desarrollar la turbina origina una disminución en la velocidad, a un valor en el cual el par generado por la turbina corresponde al requerido por la bomba.

10. Cuando la aplicación de la bomba requiere que la unidad motriz sea diseñada con exceso de potencia para permitir la operación de la bomba "al final de la curva", la turbina de vapor se puede diseñar para la capacidad correspondiente, sin reducir la eficiencia de la turbina cuando se opera a la capacidad normal. Cerrar una válvula auxiliar de vapor que se usa para la operación normal permite que se logre la eficiencia normal, porque la válvula de regulación de la turbina no se está estrangulando para obtener la capacidad más baja.

11. Con respecto a la operación de los diversos tipos de unidades motrices para las bombas y sus sistemas de apoyo, las turbinas de vapor requieren un mantenimiento mínimo, son de baja vibración y trabajan en forma silenciosa.


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Tipos de Turbina de vapor

Las turbinas de vapor podemos clasificarlas atendiendo diferentes factores:

1) De acuerdo con la forma de los canales por donde circula el vapor entre los alabes.

a. De acción o de impulso.

b. De reacción

c. Combinadas

2) Con respecto a la repetición de flujo de vapor a través de los alabes

a. Turbinas de un paso

b. Turbinas de paso múltiple

3) Con respecto a las condiciones de escape del vapor.

a. Con o sin condensación

b. Con inducción y extracción

Turbinas de acción o de impulso

En una turbina de impulso la expansión del vapor ocurre totalmente a través de las toberas.

El paso de impulso ideal, el vapor se expande sólo en las boquillas fijas y la energía cinética se transfiere a los alabes rotatorias a medida que el vapor golpea sobre los alabes, mientras fluye de los pasajes entre los alabes. La presión del vapor es constante y la velocidad relativa del vapor con respecto a las paletas decrece en los pasajes de los alabes.


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La hilera de toberas dirige y descarga el vapor contra la primera hilera de alabes. Pero el vapor sale de estos alabes lo hace en dirección opuesta al movimiento, por lo tanto para mover la segunda hilera de alabes en la misma dirección que la primera, el vapor debe ser redirigido, para esto se utiliza una hilera de alabes estacionarios cuya única función es cambiar de dirección al vapor, pero no variar ni su presión ni su velocidad, y están montados rígidamente dentro de la carcasa.

En el paso por impulso, el vapor puede ejercer una fuerza axial sobre los alabes, a medida que fluye a través de los alabes. Mientras que a esta fuerza se le llama comúnmente una reacción, el uso del término no implica un paso tipo reacción.

Los alabes mayores que se usan en los últimos pasos de una turbina de pasos múltiples de tipo impulso, pueden ser de diseño de vórtice libre-inclinadas y cónicas.

Idealmente, están sujetas a una fuerza de impulso casi puro en la base del alabe y a una fuerza de reacción casi pura en la punta del alabe, pero en realidad, estos alabes son de un diseño de alta reacción, comparadas con los alabes normales de paso por impulso. A un paso en una turbina de vapor con tal diseño de alabe aún se le llama paso por impulso, porque la conversión básica de la energía cinética se lleva a cabo por una reducción en la velocidad relativa del vapor, más que por un incremento en la velocidad relativa del vapor.

El pequeño diferencial de presión entre los alabes rotatorias de un paso por impulso trae como consecuencia menores cojinetes de empuje y ningún claro cerrado en las puntas de las paletas. En consecuencia, las turbinas por impulso pueden arrancarse más rápidamente sin peligro de daño por expansión térmica, y la eficiencia de sus pasos permanece relativamente constante a lo largo de la vida de la turbina.

Turbinas de reacción

En las turbinas de reacción, gran parte de la expansión del vapor se realiza en los alabes del rotor y no necesita toberas estacionarias siendo la reducción de presión del vapor en los propios alabes del rotor. Las turbinas de reacción, no obstante ser más eficientes que las de impulso, algunas veces necesitan más etapas que las de impulso.

En los pasos por reacción, el vapor se expande tanto en las boquillas fijas como en los alabes rotatorias. La energía cinética se transfiere a los alabes rotatorias mediante la expansión del vapor en los pasajes entre los alabes. La presión del vapor disminuye a medida que la velocidad relativa del vapor con respecto a los alabes aumenta en los pasajes de los alabes.


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Una turbina de reacción tiene más pasos que una turbina de impulsos para la misma aplicación debido a la pequeña cantidad de energía cinética absorbida por paso, y requiere mayor cojinete de empuje y/o un pistón de balanceo debido a la caída de presión a través de los alabes en movimiento. La pequeña caída de presión por paso y la caída de presión entre los alabes en movimiento requieren que las pérdidas por fugas de vapor sean minimizadas mediante un complicado sello entre las puntas de los alabes de la boquilla y el rotor, y las puntas de los alabes en movimiento y la carcasa.

Turbinas de un solo paso

El área donde el vapor se expande y baja de presión se llama etapa o paso. Cuando el vapor pierde presión en una sola etapa se dice que la turbina es uni-étapica.

Una turbina de vapor de un solo paso es aquélla en la que la conversión de la energía cinética en trabajo mecánico ocurre con una única expansión del vapor en la turbina -de la presión de entrada del vapor a la presión de salida del vapor.

Una turbina de un solo paso puede tener una o más hileras de alabes o paletas rotatorias que absorben la energía de velocidad del vapor resultante de la expansión simple del vapor.

La turbina de un solo paso más común es el tipo de velocidad compuesta (Curtis); la expansión completa de la presión de entrada a la presión de salida se realiza en un paso. El paso de Curtis, con dos hileras de paletas rotatorias y dos pasos de velocidad compuesta, tipo reentrada, se muestra en la figura 5.

Las turbinas de un solo paso se encuentran disponibles en una amplia gama de eficiencias, puesto que se fabrican en una variedad de diámetros de rueda: 9 a 28 pulg.

Las turbinas de un solo paso existen en una variedad de diámetros de la rueda, esto es, de 9 a 28 pulg. La eficiencia total de una turbina para una velocidad de operación y para condiciones particulares del vapor, depende normalmente del diámetro de la rueda. La eficiencia generalmente aumentará con un incremento en el tamaño de la rueda y, por lo tanto, la cantidad de vapor será menor (para las velocidades y condiciones del vapor más usuales).

Las turbinas de vapor con ruedas de mayor diámetro se pueden equipar con más boquillas para proporcionar un aumento en la capacidad de flujo de vapor y, consecuentemente, para mayores capacidades en HP. Por lo tanto, las turbinas con ruedas de mayor diámetro están equipadas con mayores conexiones para vapor, válvulas; ejes, cojinetes, etc. En consecuencia, el tamaño de la turbina generalmente aumentará al incrementar la capacidad en HP.


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Turbinas de pasos múltiples

Una turbina de pasos múltiples (o de multi-pasos) es aquella en la que la conversión de la energía ocurre con dos o más expansiones del vapor, dentro de la turbina.

Si la turbina tiene tres ruedas donde el vapor pierde presión, todas las etapas de una turbina de este tipo están dentro de la misma carcasa, aislada por un diafragma que contiene toberas, denominándose turbina multi-etápica.

Una turbina diseñada para trabajar a altas presiones de entrada de vapor y bajas presiones de salida, generalmente es de varios pasos. Como el vapor aumenta de volumen al disminuir su presión, los alabes deben ir siendo más grandes en cada etapa para poder dar salida fácilmente al vapor.

Las turbinas de pasos múltiples se fabrican en una variedad más limitada de tamaños de rueda. La eficiencia de las turbinas de pasos múltiples se puede variar, básicamente, variando el número de pasos. Cuando la energía total disponible del vapor origina una velocidad en el vapor, mayor que el doble de la velocidad de las paletas (usando los tamaños convenientes de ruedas), entonces una turbina de pasos múltiples será más eficiente. En una turbina de pasos múltiples, la expansión total del vapor se divide entre los diversos pasos de impulso para producir la velocidad deseada en el vapor para cada hilera de paletas.

El número de pasos (expansiones del vapor) es una función de tres parámetros básicos: termodinámica, diseño mecánico y costo.

Las consideraciones termodinámicas incluyen la energía y velocidad disponibles.

Las consideraciones mecánicas incluyen velocidad, presión de vapor, temperatura del vapor, etc., la mayoría de ellas son límites materiales. Las consideraciones de costo incluyen el número, tipo y tamaño de los pasos; el número de válvulas de control de regulación; el costo del vapor y el número de años usados como base para la evaluación del costo.

Los dos factores que generalmente se usan para seleccionar las turbinas de pasos múltiples son el costo inicial y el gasto de vapor. Puesto que estos dos factores son una función del número total de pasos, la aplicación se vuelve un factor de la selección de los pasos. El costo inicial aumenta con el número de pasos, pero por el contrario, el gasto de vapor generalmente mejora.

Las turbinas de pasos múltiples normalmente se usan para mover compresores, bombas, cuando el costo del vapor o el suministro disponible de vapor requiere eficiencias de turbina que son mayores que las disponibles en una turbina de un solo paso, o cuando el flujo de vapor requerido para desarrollar la capacidad deseada excede la capacidad de las turbinas de un solo paso.

Las turbinas de pasos múltiples pueden equiparse con una o varias válvulas de regulación. Una válvula de regulación simple es, con frecuencia, del mismo diseño ya sea que se use en una turbina de un solo paso o en una de pasos múltiples, y generalmente tiene los mismos parámetros de flujo máximo de vapor, presión y temperatura.

Cuando los parámetros para una sola válvula se exceden se usan válvulas múltiples o también para mejorar la eficiencia, particularmente con potencias de salida reducidas.

Las turbinas diseñadas para trabajar a altas presiones de entrada de vapor y bajas presiones de salida, generalmente es de varios pasos.

Como el vapor aumenta de volumen al disminuir su presión, los alabes deben ir siendo más grandes en cada etapa para poder dar salida fácilmente al vapor.


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Rotor de Turbina multi-etapica de alta potencia

Turbinas con y sin condensación

Al expandirse el vapor baja de presión, el vapor a baja presión que sale de una turbina es capaz de expandirse aún más y perder más presión. Al instalar un condensador en la descarga, el cual absorbe calor del vapor y le provoca una disminución de presión al condensarse, produciendo mayor trabajo mecánico; debido a la gran disminución de presión que sufre el vapor en las turbinas con condensación, éstas son generalmente multi-etápicas.

En una turbina sin condensador no se utiliza toda la energía calorífica presente en el vapor, siendo la presión de descarga de la turbina mayor que una con condensador.

Cámara de vapor

A

Cámara de vapor

condensador

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Turbina sin condensador Turbina con condensador

Cámara de vapor

A

Cámara de vapor

A

Cámara de vapor

A

Cámara de vapor

A

Cámara de vapor

condensador

B

Cámara de vapor

condensador

B

Cámara de vapor

condensador

B

Cámara de vapor

condensador

B

condensador

B

Turbina sin condensador Turbina con condensador


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Turbinas con inducción y extracción

La inyección o inducción de vapor a algún paso de alguna turbina es generalmente para consumir el vapor producido por algún proceso dentro de la misma planta.

La extracción del vapor en una etapa intermedia es sacado o introducido en ella.

La extracción de vapor de una etapa intermedia, es en procesos que requieran un vapor de las cualidades de presión y temperatura, que existen en ese paso o para darle un tratamiento de secado e introducirlo nuevamente en otra etapa.

El vapor también puede ser alimentado o inducido en la turbina en paso intermedio.

Algunas veces hay exceso de vapor disponible en la planta, a la presión del paso intermedio de una turbina. Este vapor puede ser alimentado o inducido a la turbina en ese paso.

Turbina de extracción y condensación equipada con control en las etapas de alta y baja presiónTurbina de extracción y condensación equipada con control en las etapas de alta y baja presión

Orientación del eje

Algunas turbinas de vapor, particularmente las de un solo paso, pueden equiparse con extensiones verticales del eje, hacia abajo. La aplicación de tales turbinas requiere considerable coordinación entre el fabricante de la bomba y el de la turbina para asegurar un cojinete de empuje adecuado en la turbina, la longitud del eje y detalles, las dimensiones de la brida de montaje y, aun, el desplazamiento del eje.

Las bombas con eje vertical son generalmente movidas por turbinas horizontales, por medio de una unidad engranada de reducción de velocidad, en ángulo recto.

Turbinas engranadas y de conexión directa

Las turbinas de vapor pueden conectarse directamente al eje del compresor o de la bomba, de manera que la turbina opere a la velocidad de la bomba o pueda mover al compresor (o bomba) por medio de una unidad engranada reductora de velocidad (o también incrementadora de velocidad), para permitir que la turbina opere a una velocidad más eficiente.


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Introducción

Se puede decir que el buen mantenimiento mecánico de las turbinas a vapor se inicia desde su selección, considerando las condiciones termodinámicas del vapor, las particularidades del servicio que desempeña la unidad accionada y observando atentamente las cualidades de los diversos componentes de la misma. Al respecto es aconsejable considerar los señalamientos sobre requerimientos mínimos de las turbinas y sus componentes que hacen entidades de reconocido prestigio como el Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute) en sus publicaciones API estándar 611 que se refiere a turbinas de vapor de propósito general y API estándar 612 relativo a turbinas de vapor de propósito especial, ambas en servicios de refinerías. Es conveniente también, tener muy en cuenta las características funcionales y constructivas de los equipos que ofrecen los fabricantes.

Este trabajo esta orientado principalmente hacia el mantenimiento de turbinas a vapor de propósito general especificadas en el estándar API-611 y se divide en los siguientes capítulos:

Cuerpo o carcasa y cámara de vapor.

Rotor o elemento rotativo

Chumaceras o cojinetes

Sellos de vapor de la carcasa

Sistema de vapor

Sistema de Regulación de velocidad

Sistema de disparo por sobrevelocidad

Sistema de lubricación

Protecciones

Diagnostico de fallas

Detalles de construcción

Las componentes principales de una turbina de vapor de un solo paso se enlistan abajo y se muestran en la figura 1:


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La cámara de vapor y la carcasa

El cuerpo o carcasa se diseña de acuerdo con la sección VIII, División I, del código ASME (American Society of Mechanical Engineers), pudiendo usarse hierro fundido para presiones y temperaturas bajas o acero fundido para presiones y temperaturas altas.

El cuerpo se apoya en dos pedestales, uno del lado acoplamiento con la maquina conducida, éste es robusto y su altura llega hasta el centro de la flecha de la turbina; el otro pedestal es ligero, se localiza del lado de alta presión, este pedestal es flexible en la dirección axial de la turbina. Ambos pedestales se diseñan para soportar adecuadamente los esfuerzos que llegara a imponer la tubería y para mantener el alineamiento con la maquina conducida dentro de 0.051 mm (0.002”).

Los cuerpos de las turbinas, ya sean de hierro o acero fundidos, tienen coeficiente de dilatación por temperatura de aproximadamente 0.0108 mm por metro por grado centígrado (0.000006 pulgada por pulgada por grado Fahrenheit), se puede calcular la flexión que sufrirá el pedestal flexible; así, por ejemplo, una turbina de un metro de longitud entre pedestales, al cambiar de 25°C a 125°C se elongará longitudinalmente 1 x 0.0108 x 100 = 1.08 mm (0.043”) que tendrá que asimilar el pedestal flexible.

Generalmente los cuerpos son bipartidos horizontalmente y, aun cuando las superficies de unión han sido maquinadas cuidadosamente, se logrará un mejor sellado usando algún compuesto untado en las caras de cierre o junta, o bien un cordón de plástico diseñado especialmente para este propósito o una combinación de ambos.

En la mayoría de las turbinas de una o dos ruedas, la cubierta está equipada con un cáncamo con el que se puede levantar única y exclusivamente dicha cubierta; además, con una válvula centinela que abre, dejando escapar al vapor con un silbido, cuando la presión excede el limite fijado.

Formando parte del cuerpo se encuentran los alojamientos de las chumaceras y de los sellos así como las toberas fijas. Estas toberas están comunicadas con la cámara de vapor de admisión. Las toberas o boquillas que son los conductos por donde pasa el vapor para chocar con los alabes, usualmente van fijos a la carcasa.


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Vista superior de carcasa de turbina a vapor

Las toberas están distribuidas en grupos de los cuales el inicial está continuamente conectado a la cámara de vapor, mientras que el grupo o grupos restantes, aún cuando también están conectados a la cámara de vapor, solo se activan cuando se abre manualmente la válvula de bloqueo correspondiente. Esta particularidad sirve para mantener en el mínimo el consumo de vapor por unidad de potencia, operando adecuadamente las válvulas de bloqueo cuando la turbina opera a carga parcial. Las válvulas mencionadas sólo trabajan en posición de totalmente abiertas o cerradas pues no son de regulación o control de velocidad.

Contienen el vapor que se suministra a la turbina y están conectadas a la línea de suministro de vapor de alta presión y a la línea de salida del vapor, a baja presión, respectivamente.

La cámara de vapor, que a su vez está conectada a la carcasa, aloja la válvula de regulación y la válvula de disparo por sobrevelocidad.

La carcasa contiene el rotor y las boquillas a través de las cuales el vapor se expande y se dirige contra las paletas rotatorias.

Obsérvese las toberas y los alabes estacionarios alojados dentro de la carcasa


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Una turbina de vapor opera debido a la diferencia de presión existente entre la cámara de vapor y la carcasa, donde la presión en la cámara de vapor es superior. Sin esta diferencia de presión el vapor no podría fluir a través de las toberas.

Si la descarga de una turbina es bloqueada, la presión dentro de la carcasa aumenta, perdiéndose la diferencia de presión, puesto que la turbina está diseñada para una mayor presión en la cámara de vapor que en la carcasa, si la presión de la carcasa aumenta hasta la presión del vapor de entrada, ésta puede sufrir daños, por esta razón las turbinas nunca deben operarse con la válvula de descarga de vapor cerrada, en algunas turbinas existe una válvula de seguridad instalada en la carcasa o en la línea de descarga, para aliviar el exceso de presión. En otras turbinas estas válvulas de seguridad silban (válvulas centinelas) cuando la presión en la carcasa rebasa la presión de operación.

Mantenimiento

Debe sacarse la mitad superior de la carcasa para tener acceso a los sellos del eje y al rotor de la turbina. Úsese el perno de argolla (cancamo) en el centro de la carcasa para levantarla. Al reinstalar la carcasa, úsese cinta de sellar o compuesto para sellar la brida horizontal.


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Colocar el TURBOSEAL de

modo que no penetre a los

anillos de carbón que sellan

el eje al unir las bridas

Colocar el TURBOSEAL de

modo que no penetre a los

anillos de carbón que sellan

el eje al unir las bridas

Apretar las tuercas de la brida según se describe

1. Una vez que la junta se ha preparado debidamente se deben untar ligeramente con un compuesto lubricante antiaferrador las roscas que sobresalen de la brida.

2. Apretar todas las tuercas uniformemente hasta un 10% de la fuerza torsional especificada, después, siguiendo la ilustración como guía, apretar las tuercas a plena torsión.

3. Después de la turbina llegue a su temperatura normal, verifique la tensión de las tuercas y apriétese de nuevo sguiendo la secuencia indicada anteriormente.

Diagrama típico del método de apretar las tuercas de la junta de la carcasa


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Diafragmas

En una turbina multietápica existe una diferencia de presión entre los diversos pasos, el diafragma es una parte estacionaria montada en la carcasa, separa a los diferentes pasos y sostiene las toberas.


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El rotor o elemento rotativo

El rotor es uno de los elementos principales de las turbinas de vapor. Se distinguen dos tipos que son el integral, donde la flecha y los rodetes son de una pieza forjada, y el construido donde la flecha y los rodetes son piezas separadas.

En el rotor construido las ruedas se montan en la flecha en caliente con un ajuste de interferencia y se asegura con cuñas. En este tipo de rotores la velocidad periférica se limita generalmente a 250 metros por segundo (825 pies por segundo), lo que significa, para una rueda de diámetro una velocidad rotacional de 7,958 RPM.

Cabe mencionar que si el ajuste entre la flecha y rodete es de una interferencia de 0.001” por cada pulgada de diámetro, esta interferencia se nulifica si la diferencia de temperaturas entre rodetes, considerándolos más calientes y la flecha excede de 167°F, toda vez que el coeficiente de dilatación se puede considerar de 0.000006 pulgadas por pulgada por grado Fahrenheit. Por lo anterior, llegado el caso, habrá que determinar una interferencia adecuada teniendo en cuenta el coeficiente de dilatación lineal preciso.

En el caso de rotores construidos la flecha se fabrica en acero de la especificación AISI (American Iron and Steel Institute) 4140 que corresponde aun acero aproximadamente:

0.40% de carbono, 0.95% de cromo, 0.20% de molibdeno, 0.88% de manganeso, 0.040% de fósforo, 0.04% de azufre y 0.28% de silicio.

Y los discos de acero AISI 4340 con la composición aproximada siguiente:

0.40% de carbono, 0.80% de cromo, 0.25% de molibdeno, 0.7% de manganeso, 1.83% de níquel, 0.04% de azufre y 0.28% de silicio.

En las regiones de sellado las flechas se protegen con un recubrimiento de material resistente a la corrosión.

En general las flechas se maquinan con suma precisión en toda su longitud y en las regiones de sellos, chumaceras y acoplamiento se rectifican a un acabado de 0.4 a 0.8 micras.

El eje se extiende más allá de la carcasa y a través de los alojamientos de los cojinetes. Un extremo del eje se usa para acoplarlo al compresor o a la bomba. El otro extremo del eje sirve a los sistemas de regulación de velocidad y de disparo por sobrevelocidad.

Rodete montado en la flecha en caliente


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Rotor integral, donde la flecha y los rodetes son de una pieza forjada,


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Consta de los ensambles del eje y el disco con los alabes. Los alabes son generalmente construidos aparte y montados después en los rodetes, los rodetes son montados en la flecha en caliente; en otros casos la flecha y los rodetes son forjados en una pieza.

Montaje de alabes a un rodete

Diversos tipos de alabes


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Mantenimiento al rotor:

Antes de retirar el rotor:

1. Desacople el equipo.

2. Verificar alineamiento del equipo.

3. Verificar juego axial del rotor.

Para retirar el rotor, proceda como sigue:

1. En las turbinas con el regulador acoplado al eje, quítese la tapa de la caja de cojinete del extremo de entrada de vapor, desconéctese después el regulador y retírelo. En las turbinas con regulador Woodward accionado por engranaje desconéctese el varillaje del regulador sin cambiar el largo de la barra de conexión: reitre los pernos que aseguran el regulador y levántese el regulador.

2. Retire la mitad superior de la carcasa de la turbina, utilizando para levantarla el perno de argolla (cancamo).

3. Retirar los sellos del eje.

4. Retirar las tapas de las cajas de los cojinetes del extremo de entrada de vapor (admisión) y del extremo del escape (si no se han retirado según en el punto 1).

5. Sacar las mitades superiores de ambos cojinetes principales.

6. Levántese el rotor hasta que salga de la mitad inferior de los cojinetes: entonces retírense las mitades inferiores de los cojinetes (tenga cuidado con los anillos lubricadores)..

7. Re-instalar el rotor siguiendo el procedimiento inverso a lo referido.

8. Verificar la holgura entre la primera rueda y el anillo de toberas. Esta holgura se obtiene emplazando correctamente el cojinete de empuje.

Una vez retirado el rotor, verificar lo siguiente:

1. Efectuar limpieza general del rotor del rotor.

2. Verificar el desgaste de los rodetes, como de los alabes.

3. Dimensionar el rotor para determinar si se encuentra dentro de los limites originales, recuperar si es necesario.

4. Verificar rectitud.

5. Componentes del rotor; recuperar y ajustar si es necesario (cubo de acoplamiento, disparo por sobre-velocidad).

6. Ensamblar rotor para su balanceo dinámico.


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Dimencionamiento de una turbina a vapor de mediana potencia

Balanceo del rotor de Turbina vertical de baja potencia.


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Chumaceras

Por lo general las turbinas horizontales utilizadas en refinerías y plantas petroquímicas vienen equipadas con chumaceras hidrodinámicas en el sentido radial, mientras que para la fijación del rotor en el sentido axial puede usarse un rodamiento de una o dos hileras de bolas en turbinas pequeñas, o bien una chumacera hidrodinámica de zapatas oscilantes capaz de soportar empuje axial en las dos direcciones en turbinas mayores.

Una recomendación del API-611 es que se usen chumaceras hidrodinámicas cuando el producto D x N >300,000; donde D es el diámetro del muñón en milímetros y N la velocidad en RPM. También se recomienda usar chumaceras hidrodinámicas cuando el rodamiento de bolas no cumpla con los requisitos de 50,000 horas de operación continua en condiciones normales ó 32,000 en las condiciones de carga axiales y radiales máximas a la velocidad normal. Estos conceptos de duración se conocen como capacidad o clasificación de vida y es la cantidad de horas que el 90% de un grupo de rodamientos idénticos completa o excede antes de presentar la primera evidencia de falla, girando a la velocidad y carga especificadas para el rodamiento.

Las chumaceras hidrodinámicas radiales son bipartidas longitudinalmente, lo mismo que su cubierta, y tienen una muesca o resalte para impedir su rotación, contando con un perno o respaldo para su fijación. Se construye con metal antifricción como “babbitt” unido a un respaldo de acero. Levantando ligeramente la flecha se puede extraer, haciéndola girar, la mitad inferior de la chumacera para revisión o reposición.

La lubricación de las chumaceras puede ser por anillos levantadores de aceite o por un sistema para inyectar lubricante a presión; en ocasiones, en este último caso, se equipan las chumaceras con anillos levantadores de aceite para proveer lubricación desde el inicio del arranque en turbinas chicas y medianas. En turbinas mayores el protocolo de arranque señala que es necesario establecer la circulación de aceite a presión antes de iniciar el arranque de la unidad.

Por Cotoca a vibración, las chumaceras se diseñan para suprimir las inestabilidades hidrodinámicas y proveer suficiente amortiguamiento, en todo el rango permitido de claros entre muñón y chumacera, con el fin de limitar la amplitud de vibración del rotor a los valores especificados de 6.4 a 12.7 micras (0.0025” a 0.0005”).

Los claros entre muñón y chumacera para el promedio de turbinas, se especifican en función del diámetro, longitud de la chumacera y la velocidad de rotación para un aceite dado; para tener una idea del valor del claro se puede decir que algunos fabricantes especifican de 150 a 250 micras (0.006” a 0.010”). No hay un límite preciso de claro máximo tolerable, en ocasiones un exceso de 102 micras (0.004”) todavía permite que la turbina siga operando aceptablemente. Cuando se instalan chumaceras nuevas es recomendable verificar el claro diametral para lo cual se puede utilizar un hilo plástico que se coloca sobre la flecha, presionándolo con la mitad superior de la chumacera y apretando los tornillos de la cubierta. Es hilo plástico se conoce con el nombre de fábrica de plastigage, se surte en diferentes espesores y en la envoltura del papel de protección trae impresa una escala especial para medir el ancho del hilo aplastado que corresponde al claro diametral.

El rodamiento de empuje axial se puede fijar en la flecha por medio de una tuerca y arandela de seguridad o bien por un anillo d presión que encaja en una ranura de la flecha. Si se utiliza el anillo de presión es necesario prestar atención a su montaje, toda vez que la sección de este anillo no es rectangular sino en forma de cuña para favorecer el apriete del rodamiento del rodamiento contra el respaldo de la flecha.

Cojinetes principales

Dos cojinetes principales soportan al rotor de la turbina y se les llama el cojinete del lado del vapor y el cojinete del lado escape por su localización. Se rellenan los cojinetes con metal blanco antifricción y son de tipo manguito, con resaltes en los extremos para mantenerlos en su posición axial. Un pasador de tope evita que giren en el eje.

Los cojinetes se fabrican con límites muy precisos como programa de producción. Cuando las holguras de los cojinetes se ensanchan demasiado, deberán instalarse nuevos cojinetes. Se considera excesivas las holguras cuando alcanzan aproximadamente 0.004” (0.101 mm) por encima de la holgura normal máxima


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(refiérase a la hoja de datos para conocer la holgura normal de funcionamiento de cada turbina específica). Los cojinetes están divididos horizontalmente para poder sacarlos y reemplazarlos fácilmente sin quitar el eje de su lugar. La siguiente tabulación indica los límites recomendados para temperaturas en los cojinetes:

Temp. del metal Temp. del aceite °F °C °F °C

Temperatura máxima de operación normal 220 104 180 82

Alarma 230 110 185 85

Parada 240 116 195 90.5

Cojinetes de empuje

El cojinete de empuje de tipo de bolas o de zapatas, localizado en el extremo de entrada de vapor del eje de la turbina evita el movimiento axial del rotor de la turbina más allá de los límites pre-determinados. El cojinete sale de fábrica correctamente posicionado en su lugar con laminillas de calzo (lainas), de estas laminillas depende la holgura adecuada entre las toberas y la rueda de la turbina. En los sistemas de lubricación


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forzada, el cojinete funciona en un baño continuo de aceite. En las turbinas conatillo de lubricación, el cojinete de empuje de bolas recibe el suministro necesario de aceite del mismo anillo que proporciona aceite al cojinete principal.

Los alojamientos para los cojinetes

Sostienen el rotor y el ensamble de la carcasa con la cámara de vapor. El alojamiento para los cojinetes contiene las chumaceras y los sellos rotatorios de aceite que evitan la fuga de aceite y la entrada de agua, polvo y vapor. El alojamiento extremo del cojinete del lado del vapor también contiene al cojinete de posición del rotor y a los componentes rotatorios del sistema de disparo por sobrevelocidad. Una extensión del alojamiento del cojinete extremo del lado del vapor aloja a los componentes rotatorios del sistema de regulación de la velocidad.


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Se observan los alojamientos de las chumaceras

Se observa la chumacera radial lado entrada de vapor y la chumacera axial interior (activa)


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Anillos de lubricación

En las turbinas sin sistema de lubricación forzada, un anillo de lubricación situado en una ranura en cada cojinete principal, proporciona lubricación a los cojinetes principales y al cojinete reempuje. Durante el funcionamiento, los anillos, que giran libremente en el eje, penetran en el depósito de aceite y lo llevan al eje, donde se distribuye a cada cojinete principal. El cojinete de empuje está localizado dentro de la cubierta del cojinete principal del lado de entrada de vapor, recibe su aceite lubricante por esta misma acción.

Mantenimiento a chumaceras

Cojinetes Principales

Las dimensiones del muñón del eje y de los cojinetes se indican en las hojas de datos del manual del fabricante de su turbina. Cuando la holgura de movimiento es excesiva, se deberían reemplazar, no metalizar, los cojinetes. Una holgura aproximadamente de 0.004” (0.101 mm) por encima de la holgura máxima se considera excesiva.

Sin embargo, si las condiciones lo permiten y la unidad funciona suavemente, los cojinetes pueden mantenerse en servicio cuando las holguras exceden los valores máximos recomendados.

La desición de cuando reemplazar los cojinetes se deja a discreción del ingeniero de operación. Los cojinetes están divididos horizontalmente para permitir sacarlos e instalarlos sin sacar el eje. Levántese el eje ligeramente para reemplazar la mitad inferior del cojinete.

Al instalarlos, los topes de los cojinetes actuarán como espigas de alineación para localizarlos correctamente. Después de instalarlos, verifique la holgura con una laminilla o alambre de plomo, o plastigage.

Cojinete de empuje

Para retirar el cojinete de empuje proceda como sigue:

1. Para las turbinas con el regulador acoplado al eje, retire la tapa de la caja de cojinete del extremo de entrada de vapor; desconecte después el regulador y retire el gobernador. Para las turbinas con regulador Woodward movido por engranaje, desconecte el varillaje del regulador sin cambiar el largo de la barra de conexión, retire el cojinete de empuje.

2. Si reensambla siguiendo el procedimiento inverso. Antes de asegurar el cojinete de empuje, verifique que exista el espesor correcto de calzas en el eje de la turbina.

El cojinete de empuje se emplaza correctamente en fábrica por medio de suplementos y no requiere ajuste.

Estos suplementos se utilizan para ajustar la holgura entre el anillo de toberas y la rueda.

También se utilizan suplementos para fijar el juego de marcha (flotación) de los cojinetes de empuje de tipo collar o zapatas.

Al instalar cojinetes de empuje, anillos de toberas o partes del rotor nuevos, determine la necesidad de suplementos para ajustar este claro.


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Tolerancia entre el anillo de toberas y la rueda (rodete).


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Sellos de vapor

De sellado de la carcasa sellan la carcasa y el eje con anillos de carbón segmentados, sostenidos posteriormente con resortes (complementados con una sección en laberinto con resortes posteriores para las presiones mayores de salida de vapor).

Es posible que exista fuga de vapor a través del claro que pasa la flecha a través del diafragma, puesto que el vapor al pasar a través de las toberas choca contra los alabes produciéndose trabajo útil, al existir fuga de vapor a lo largo de la flecha pasando los claros del diafragma, se pierde trabajo útil.

En turbinas con presión de escape superior a la atmosférica, el vapor tiende a escapar del interior de la turbina por el claro entre caja de empaques y flecha. Para evitar esa fuga se utilizan elementos de sello que pueden ser anillos de carbón o laberintos. El uso de anillos de carbón está limitado a 49 metros por segundo (160 pies por segundo) de velocidad periférica de la flecha en la región de sellado. Para calcular la cantidad de anillos necesarios, se considera que cada anillo activo es capaz de sellar contra 2.4 Kgs/cm

2 (35

Lbs/pulg2) de presión.

Es muy frecuente que, aun siguiendo el protocolo recomendado por el fabricante para asentar los anillos, haya una pequeña fuga de vapor que puede ser dañina a las chumaceras, ya que el soplo del vapor ocurre en esa dirección y puede contaminar el lubricante. Esta fuga indeseable se reduce al mínimo colocando otro anillo de carbón en el extremo de la caja de empaque, si la disposición constructiva lo permite, y conectando el espacio anterior a este anillo a un sistema de condensación o vacío.

Algunas turbinas tienen una presión inferior a la atmosférica y en este caso el aire tiende a entrar a la turbina. Esta entrada indeseable de aire se puede evitar colocando un anillo de carbón en el extremo de la caja de empaque e inyectando una pequeña cantidad de vapor de baja presión al espacio anterior al anillo.

Las cajas de empaques equipadas con sellos del tipo laberinto evitan fugas de vapor por el fenómeno de estrangulamiento del flujo de vapor; el sellado se logra por medio de cintas de metal suave, muy delgadas, que se fijan en los portalaberintos y abrazan a la flecha sin tocarla, quedando un espacio muy pequeño entre el filo de la laminilla y la flecha, lo que provoca una alta caída de presión al flujo de vapor que tiende a escapar, limitando la fuga al mínimo.

Los anillos de carbón se diseñan con tres o cuatro segmentos, manteniendo la forma anular por medio de un resorte que los abraza. El resorte tiene un tope que impide que el anillo se desplace al girar la flecha. El resorte se fabrica de material inoxidable pudiendo usar también inconel.

Cuando se colocan los anillos de empaque es necesario que cada anillo se mantenga formando una pieza, con los segmentos coincidiendo en sus marcas correspondientes y, si se nota alguna fuga intolerable, es recomendable instalar nuevos juegos de anillos.

La reparación de los anillos de carbón usados es una actividad aleatoria muy difícil y solamente se intenta por causa de emergencia; si llegara el caso de que sea necesario ajustar los anillos usados, se recomienda quitar aproximadamente 0.025” mm (0.001”) del extremo plano de cada segmento manteniendo la cara a escuadra. Con esta operación, teóricamente se reduce 0.050 mm (0.002”) del diámetro interior de un anillo de tres segmentos.

El claro diametral, a temperatura ambiente entre anillo y flecha es pequeño y varia de 0.025 mm a 0.089 mm (0.001” a 0.0035”) en algunos modelos de turbinas de vapor de 250°C (482°F), llegando hasta un valor de 0.203 mm a 0.241 mm (0.008” a 0.009”) en modelos de turbinas un poco mayores y trabajando con vapor hasta de 400°C (750°F).

Por ese claro tan pequeño es necesario que la flecha en la región de sellos tenga una protección por medio de un recubrimiento duro e inoxidable ya que el período de ajuste y asentamiento el anillos roza contra la flecha generando calor.

A grandes rasgos se puede decir que el ajuste de anillos de carbón se logra corriendo inicialmente la turbina a baja velocidad 500 RPM, durante unos 15 minutos; si no se nota calentamiento en la flecha, la velocidad se puede incrementar un poco, a 800 RPM por 5 minutos. Después se reduce la velocidad a la inicial y se deja rodando por unos 5 minutos para enfriar la flecha. Posteriormente se incrementa a 1,300 RPM por 5 minutos, luego se reduce la velocidad para enfriar la flecha. Después de lo anterior gradualmente se


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incrementa la velocidad hasta la de operación y si se nota que la flecha se empieza a calentar se reduce la velocidad para enfriarla. Aproximadamente este es el proceso que se sigue para el asentado de carbones de sello, existiendo por parte del fabricante de turbinas un protocolo más preciso que se recomienda aplicar para una turbina especifica.

Sellos del eje

Se utilizan anillos de carbón o de tipo laberinto en los extremos de la turbina, en la zona donde el eje pasa a través de la carcasa (en la hoja de datos indican el tipo y número de anillos de sello en la turbina y el plano de corte seccional). En las turbinas de contrapresión, los sellos limitan y controlan el flujo de vapor a lo largo del eje. En las turbinas de condensación, los sellos controlan la fuga de vapor en el lado de entrada de vapor en donde la presión dentro de la carcasa de la turbina es superior a la presión atmosférica, y la entrada de aire a la carcasa en el lado de escape en donde la presión dentro de la carcasa de la turbina es inferior a la presión atmosférica.

Los anillos de carbón están individualmente separados en compartimientos formados por espaciadores de acero resistente a la corrosión. Los anillos espaciadores se colocan en ranuras anulares en las cajas de sellos. Los anillos de carbón sellan al ser forzados contra los espaciadores y tienen una holgura muy ajustada a lo largo del eje. Los anillos están formados por tres segmentos con un tope en cada anillo para evitar que giren. Los extremos de los tres segmentos de cada anillo se mantienen en contacto entre si por medio de muelles de sujeción cuyos extremos se fijan enganchándose entre sí, Un tope impide la rotación del conjunto.

El sello laberinto es esencialmente un dispositivo de estrangulación de dientes múltiples montado concéntricamente con el eje. Los anillos de acero resistentes a la corrosión, están formados por cuatro segmentos con los extremos numerados para facilitar su identificación cuando sean reemplazados. Los anillos se colocan en la caja de empaquetaduras y en los diafragmas por medio de resaltes mecanizados (guías).

Sellos de vapor tipo laberinto de una turbina de alta potencia.


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Mantenimiento a los sellos de vapor

Anillos de laberinto

No se recomienda reparar anillos de laberintos. Es aceptable que existan ligeros depósitos del material del anillo de laberinto sobre el eje de la turbina. Cuando se requiera instalar nuevos anillos laberintos, se debe pulir el eje para retirar cualquier depósito que haya. Asegúrese que los cuadrantes de cada anillo estén emparejados y que los anillos se instalen en sus posiciones correctas. Al instalar cada cuadrante de un anillo de empaquetadura debe cerciorarse que en cada agujero hay un muelle de compresión.


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Anillos de carbón

Es muy difícil restaurar los anillos usados. Si, debido a una emergencia se vuelve indispensable reparar los anillos usados, se debe rebajar una pequeña cantidad aproximadamente 0.001” (0.025 mm), de los extremos de cada segmento, manteniendo los extremos cuadrados. El huelgo diametral entre los anillos de carbón y el eje debe ser como se especifica en el manual del fabricante. Al instalarse anillos nuevos, la superficie del eje debe estar lisa y pulida, así como limpia y sin suciedad, agua o aceite. Los espaciadores de los anillos deben estar limpios y con una superficie lisa y precisa. Si la superficie de sello del anillo espaciador está torcida, el anillo de carbón no podrá sellar. Se deben cambiar los espaciadores que se encuentren torcidos.

Al retirar los anillos debe mantenerse cada anillo separado. Observe que los segmentos de los anillos están marcados, estas marcas deben juntarse al colocar los anillos en la turbina. Cuando las fugas indican la necesidad de reponer los anillos de carbón, se recomienda que se instalen anillos nuevos.

Los anillos de carbón nuevos se fabrican con el huelgo diametral correcto para las condiciones de vapor originales.

Para instalar los anillos de carbón: 1. Pasar el muelle a través del agujero en el tope. 2. Colocar el tope en el alojamiento localizado en la mitad inferior de la caja de sellos. 3. Deslizar los segmentos de los anillos de carbón en su lugar (vista A). 4. Fijar los extremos sueltos de los muelles enganchándolos entre si (vista B).


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Aunque los fabricantes de turbina no recomiendan la recuperación de anillos de carbón, a continuación se mencionan algunos procedimientos para su recuperación:


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Sistema de Vapor

El sistema de vapor de una turbina comprende desde las válvulas de bloqueo, tanto del vapor de admisión como de escape, hasta las conexiones de drenaje y purga, pasando por la válvula de regulación, toberas fijas.

Es importante hacer notar que las tuberías de vapor, de entrada y salida, no deben imponer esfuerzos mayores que los permitidos en las bridas de las turbinas que pudieran alterar el alineamiento y causar daños. Para hacer un buen diseño de las tuberías se deben tomar en cuenta muchos factores, entre los que se puede mencionar: el flujo y condiciones del vapor, tamaño y cédula de la tubería, disponibilidad del espacio, flexibilidad del sistema, anclaje, soportaría, peso de la tubería con su aislamiento térmico, dilatación por temperatura y empuje derivado de las juntas de expansión.

El vapor en la turbina debe ser limpio y libre de sólidos para lo cual pasa por un colador de material inoxidable donde detiene la materia extraña como el oxido proveniente de las tuberías, residuos de soldadura y arrastre de sólidos que pueden provenir del vapor. Si se dejan pasar estos sólidos al interior de la turbina se dañarían las toberas y los alabes. El agua condensada, arrastrada por el vapor, erosiona los alabes.

En la turbina se instala la válvula de cierre rápido o de emergencia. Esta válvula consta de uno o dos asientos y suspende el flujo de vapor cuando recibe alguna señal de emergencia; por ejemplo, sobre-velocidad, baja presión de lubricación, alta vibración, etc. Las turbinas pequeñas generalmente tienen sólo protección por sobre-velocidad. La válvula de cierre rápido cierra por la acción de un resorte y también puede ser actuada manualmente. En turbinas de presión alta, está válvula se diseña para hacer el arranque de la turbina además de proveer el cierre rápido.

La válvula de regulación o de gobierno es la encargada de suministrar la cantidad de vapor requerida por la turbina para responder a las condiciones variables de servicio. Estas válvulas generalmente son del tipo doble asiento para propiciar el balanceo de las fuerzas de empuje, por lo que requiere poca fuerza para su accionamiento. Los interiores de esta válvula como asientos, elementos de cierre y vástago son de acero inoxidable. Para evitar la fuga de vapor a través del estopero , se utilizan como empaquetadura bujes de metal que permiten el libre desplazamiento longitudinal del vástago sin atascamiento y sin fuga excesiva. Cuando la presión del vapor es mayor a 17.6 Kgs/cm

2 (250 Lbs/pulg

2), hay una conexión de purga en la

mitad de la longitud del prensa estopas que puede conectarse a un sistema de vapor de baja presión o bien descargar a la atmósfera.

El vástago de la válvula de regulación tiene la tendencia a pegarse, pues se recubre con los compuestos químicos que arrastra el vapor desde la caldera, impidiendo su libre desplazamiento, lo que provoca regulación errática de la velocidad de la turbina; por esta razón es recomendable revisar la válvula periódicamente para su limpieza y comprobación. Al mismo tiempo se recomienda revisar la región del vástago que se apoya en los bujes de guías para detectar y corregir posible desgaste. Este desgaste forma muescas en el vástago y es más común en válvulas con movimiento horizontal.

Entre la brida de escape de la turbina y su válvula de bloqueo, se instala una válvula de relevo que permita el paso a la atmósfera del vapor que puede pasar por las toberas en las condiciones de diseño. Esta válvula permitirá el flujo de vapor sin exceder la presión permisible en la carcasa de la turbina y empezará a abrir a la presión de ajuste de la válvula centinela.

En el sistema de vapor también se incluyen las válvulas auxiliares, de las que ya se mencionaron, y las de drenaje y purga que son indispensables para sacar el agua condensada de la turbina y tuberías.


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El sistema de gobernación (regulación)

Consta normalmente de pesos rotatorios con resortes opuestos, una válvula de vapor y una interconexión de unión o sistema de servo-motor. Los cambios en la entrada de la turbina y en las condiciones de la salida del vapor y la potencia requerida por la bomba, originarán un cambio en la velocidad de la turbina. El cambio en la velocidad trae como consecuencia la reposición de los pesos del regulador rotatorio y, por consecuencia, la reposición de la válvula de regulación.

Gobernadores y controles

Los sistemas de regulación son sistemas de control sensibles a la velocidad, que forman parte integral con la turbina de vapor. La velocidad de la turbina se controla variando el flujo de vapor a través de la turbina, mediante la posición de la válvula de regulación. Las variaciones en la potencia requerida por la bomba y los cambios en las condiciones en la entrada o en la salida del vapor alteran la velocidad de la turbina, originando que el sistema de regulación responda para corregir la velocidad de operación.

Los sistemas de control, a diferencia de los sistemas de regulación, no son directamente sensibles a la velocidad, pero responden a los cambios de presión en la bomba o en los sistemas de la bomba y después reponen al "gobernador" de la turbina para mantener la presión preestablecida. Por tanto, los cambios en las condiciones del vapor en la turbina o la potencia requerida por la bomba traen como consecuencia la reposición de la válvula de regulación de la turbina, o de una válvula separada de vapor, tan sólo después de que ha cambiado la presión detectada por el control.

Aun cuando se proporcione un sistema de control, también se proporciona normalmente un gobernador de velocidad. El gobernador de velocidad se ajusta para una velocidad ligeramente más alta que la velocidad deseada de operación, para que funcione como un regulador de preemergencia, esto es, para evitar que la turbina alcance la velocidad de disparo si el control pudiera originar que la turbina operara a una velocidad superior a la especificada.

Los sistemas de regulación se definen por su comportamiento, como sigue:

Clase de sistema de gobernación

Gama de velocidad %

(según especif.)

Regulación, rnáx. veloc. %

Variación máx.

veloc. %

Elevación máx. veloc. %

A

B

C

D

10- 65

10 – 80

10 – 80

10 - 90

10

6

4

0.50

0.75

0.50

0.25

0.25

13

7

7

7

Gama de velocidad es el porcentaje por debajo de la velocidad especificada para la cual se puede ajustar el gobernador de velocidad. Por ejemplo, una turbina con 4000 rprn de velocidad especificada y un sistema de gobernación con 30% de gama, puede operarse a una velocidad mínima de 2800 rpm:

Si la gama de velocidad se ha especificado como más de 5% y menos de 25% por ejemplo, las velocidades máxima y mínima serían 4200 y 3000 rpm, respectivamente.

La regulación de la velocidad en el estado estable es el cambio en velocidad requerido por el sistema de gobernación para cerrar la válvula del gobernador cuando la carga se reduce gradualmente de la carga especificada hasta la carga cero, mientras las condiciones del vapor de la turbina permanecen constantes. La regulación se expresa siempre como porcentaje de la velocidad especificada y se calcula como sigue:


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Una turbina con 4000 rprn de velocidad especificada y equipada con un sistema de gobernación de velocidad NEMA A, tendría una velocidad máxima, a carga cero, de 4 400 rpm:

Por lo tanto, siempre que la turbina desarrolle menos potencia que la especificada, la velocidad de operación será mayor que la velocidad especificada requerida para que el sistema de regulación reponga la válvula de regulación.

La variación de velocidad, expresada como un porcentaje, es la magnitud total de las fluctuaciones con respecto a la velocidad de ajuste que permite el sistema de regulación, cuando la turbina está operando normalmente en condiciones de velocidad, potencia y vapor especificadas. Esta es la "insensibilidad" del sistema de regulación.

La ecuación de variación de velocidad es

La turbina, con una velocidad especificada de 4000 rprn y un sistema de regulación NEMA A, tendría 30% rprn de variación en la velocidad máxima:

La elevación en la velocidad máxima representa el incremento momentáneo en velocidad cuando la carga se reduce súbitamente de la potencia especificada a la potencia a carga cero, con la bomba aún acoplada al eje de la turbina. Poco tiempo después de la pérdida súbita de Larga, el sistema de regulación originará que la velocidad de la turbina se reduzca a la velocidad a carga cero.

La elevación en la velocidad máxima también se expresa como un porcentaje de la velocidad especificada y se calcula como sigue:

Por lo tanto:

La turbina con una velocidad especificada de 4000 rprn y equipada con un gobernador NEMA A, tendrá una elevación en la velocidad máxima de:


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El ajuste del disparo de sobrevelocidad es una función de la elevación en la velocidad máxima del sistema de regulación. Debe ser mayor que la elevación en la velocidad máxima. Los ajustes recomendables son:

El sistema de disparo por sobrevelocidad para la turbina con una velocidad especificada de 4000 rpm y equipada con un gobernador NEMA A, se ajusta para operación a La porción sensible a la velocidad del sistema de regulación de velocidad es normalmente un juego de pesos rotatorios cargados con resortes. El movimiento de los pesos, causado por un cambio en la velocidad de la turbina, origina la posición de la válvula de regulación a través de unas conexiones adecuadas.

El elemento sensible a la velocidad puede constar de otros dispositivos que respondan a la velocidad, tales como una bomba de aceite de desplazamiento positivo, un generador eléctrico o un generador de señales por impulsos magnéticos.

El sistema de regulación del tipo de pesos rotatorios es un tipo de acción directa y gstá clasificado como regulador NEMA A. La acción directa designa un sistema de regulación en el que el elemento sensible a la velocidad también proporciona la potencia para la posición de la válvula de regulación.

Los sistemas de regulación NEMA B, C y D tienen elementos sensibles a la velocidad, los cuales ponen a funcionar la válvula de regulación mediante un sistema de relevadores o servomotor, en vez de que la válvula actúe directamente. El elemento sensible a la velocidad puede ser, por tanto, más preciso y sensible de lo que se requiere para el comportamiento mejorado del sistema de regulación.

Regulación de Velocidad

La velocidad nominal o normal de una turbina es el término que se aplica a la velocidad correspondiente a la potencia normal; se conoce también como velocidad especificada o de placa. Una turbina trabajando a esta velocidad, desarrollando la potencia indicada en la placa, se dice que esta operando al 100%.

La velocidad máxima continua es generalmente el 105% de la velocidad nominal.

El rango de operación del gobernador por lo general comprende un 20%, es decir del 85% al 105% de la velocidad nominal.

La velocidad de disparo es aquella a la que un mecanismo montado en la flecha actúa para parar la turbina. Se fija en el 115% de la velocidad máxima continua si el gobernador responde a la clase A y de 110% si es de clase B.

Se conoce como regulación del gobernador la máxima variación de velocidad, en más o en menos, que dicho gobernador controla; en los gobernadores clase A la variación permisible es del 75% de la velocidad nominal mientras que en la clase D es del 0.25%.

Por aclarar estos conceptos, se tomarán como ejemplo los datos de placa siguientes de una turbina:


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Datos de placa: RPM: 3,550 Rango de velocidad de operación: 3.018 a 3,728 RPM Velocidad de disparo: 4,121 RPM

De estos datos reales de placa se puede deducir:

Velocidad nominal: 3,550 RPM ó sea, al 100% Rango de velocidad de operación: del 85% al 105% de 3,550: 85% es, 0.85 x 3,550 = 3,017.5 = 3,018 RPM 105% es, 1.05 x 3,550= 3,727.5 = 3,728 RPM Velocidad máxima continua: 3,728 RPM (105% de 3,550 RPM) Velocidad de disparo: 4,121, RPM calculando: 4,121 x 100/3,728 = 110.5%

Observamos que esta información coincide con las definiciones que se dieron anteriormente.

El regulador de velocidad, o gobernador, de muchas turbinas es del tipo relevador de aceite

Regulador de Velocidad

La principal función del regulador de velocidad es la de mantener constante la velocidad prefijada de la turbina. El regulador para turbinas de una etapa puede ser un regulador Woodward de acción directa modelo TG-13, ó PG o UG. En ambos sistemas de regulación el regulador está mecánicamente conectado a la válvula de regulación. Durante el funcionamiento de la turbina, el regulador de velocidad controla la velocidad del eje variando la apertura de la válvula proporcionalmente a las variaciones de carga en la turbina.

Regulador Woodward

Los reguladores Woodward, que se muestran en la figura, son unidades reguladoras de velocidad de precisión, completamente auto suficientes. Están unidos mecánicamente a la palanca del regulador para control de la válvula de regulación. El regulador Woodward viene ajustado de fábrica de acuerdo con las especificaciones del cliente para unos limites determinados de velocidad (Se refiere a la hoja de datos de cada turbina). Los reguladores Woodward tipo PG y U pueden ser ajustados dentro de sus limites normales de velocidad manualmente, remotamente por medio de una señal de aire a un receptor neumático en el regulador o remotamente por medio de una señal eléctrica a un motor cambiador de velocidad en el regulador. El regulador Woodward tipo TG-13 se fija manualmente a la velocidad deseada, se acopla al eje de la turbina (vista B). Los reguladores PG y UG son accionados por un tornillo sin fin.


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Disposición del accionamiento del regulador Woodward

Válvula de regulación

El regulador de velocidad controla automáticamente la válvula de regulación, con el fin de admitir la cantidad de vapor adecuada para mantener la velocidad a la que se ajusta el regulador. Cuando la turbina está fuera de servicio la válvula permanece abierta. Pueden equiparse los reguladores Woodward para parada de la turbina por cierre de la válvula y para arranque remoto automático.

Válvula del regulador y válvula de disparo de emergencia


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Válvula de emergencia

La válvula de emergencia se cierra automáticamente para detenerla turbina cuando se produce un exceso de velocidad, y manualmente al desenganchar la palanca de disparo.

Los siguientes son algunos sistemas opcionales para cerrar automáticamente esta válvula y parar la turbina:

o Disparo por baja presión de aceite, para las turbinas con sistema de lubricación forzada.

o Disparo por baja presión del aire, utilizando el sistema neumático.

o Disparo por selenoide.

o Disparo por contrapresión excesiva.

Esquema típico del sistema de disparo

Regulador de disparo por sobrevelocidad

Un dispositivo regulador de disparo por sobrevelocidad, situado en un alojamiento en el extremo del eje del lado de entrada de vapor actúa para detener la turbina cuando ésta alcanza la velocidad fijada de disparo pre-fijada de disparo (en la hoja de datos se indica la velocidad de disparo pre-fijada para la turbina). El mecanismo de disparo se fija en fábrica, sin embargo se puede aumentar o disminuir la velocidad de disparo dentro de un pequeño margen.


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El sistema de disparo por sobrevelocidad

Normalmente consta de un pasador con resorte o un peso montado en el eje de la turbina o sobre un collar, una válvula de cierre rápido que está separada de la válvula de regulación y las interconexiones de unión. La fuerza centrífuga creada por la rotación del pasador en el eje de la turbina excede la carga del resorte a una velocidad actual. El movimiento resultante del pasador de disparo origina que los filos de cuchilla se separen en la unión y permiten que la válvula de disparo accionada por resortes se cierre.

La válvula de disparo se puede cerrar desenganchando los filos de cuchilla manualmente, con una señal eléctrica o neumática, por medio de presión de aceite o por medio de la alta presión del vapor a la salida de la turbina.

Hay dos tipos normales de sistemas de lubricación, el de anillos de aceite y el de lubricación a presión.

El sistema de lubricación con anillos de aceite emplea un anillo o anillos de aceite que giran sobre el eje, con la porción inferior sumergida en el aceite que está contenido en el alojamiento del cojinete. Los anillos rotatorios transfieren aceite del recipiente a la chumacera del eje de la turbina y al cojinete de localización del rotor. El aceite en los recipientes de los alojamientos de los cojinetes es enfriado por agua que fluye a través de cámaras de enfriamiento de agua, o por medio de intercambiadores de calor.

Un sistema de lubricación a presión consta de una bomba de aceite conducida por el eje de la turbina, un recipiente de aceite, un enfriador tubular de aceite y un filtro de aceite con tuberías de interconexión. El aceite se suministra a los alojamientos de los cojinetes, bajo presión. Los anillos de aceite pueden conservarse en este sistema para proporcionar aceite a los cojinetes durante el arranque y la parada, cuando la velocidad de operación y el diseño de los cojinetes lo permite.

En las figuras 2, 3, y 4 se muestran dibujos seccionados.


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Válvulas manuales

Las válvulas manuales de accionamiento manual para control de las toberas permiten conseguir el máximo rendimiento a carga parcial o carga nominal con presión de vapor reducida o funcionamiento de sobrecarga. Las válvulas permiten ajustar el área de las toberas para aproximarla al área ideal requerida por el flujo de


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vapor para una determinada condición de carga y así reducir la estrangulación. Las características de funcionamiento relativas al uso de las válvulas manuales de la turbina se indican en su manual de la turbina.

El vapor, al salir de la válvula del regulador, llena la cámara de vapor que alimenta al anillo de toberas. En el tabique que separa esta cámara de vapor del anillo de las toberas hay aberturas o lumbreras a través de las que se aliméntale vapor a ciertas toberas. Para permitir ajustar el área de las toberas, como antes se dijo, se pueden colocar válvulas en todas las aberturas en que sea práctico o necesario, con una excepción. Esta abertura queda siempre bajo control de la válvula de admisión controlada por el regulador. Se enumeran las aberturas para las válvulas manuales comenzando con la que esta situada en el punto más bajo de entrada del vapor y siguiendo en el sentido de las manecillas del reloj. Así, si se suministra una válvula manual en la primera abertura, se la denomina válvula No. 1, en la segunda No. 2, etc. Para mejor funcionamiento, deberá abrirse las válvulas en secuencia numérica y cerrarse en el orden inverso.

Las válvulas manuales no pueden utilizarse como válvulas de estrangulación. Deben estar o totalmente abiertas o totalmente cerradas. El asiento de una válvula que se mantenga a medio abrir pronto sufrirá daño debido a la erosión del vapor. Esta condición se conoce mejor como rayado. Sin embargo, al poner en marcha la turbina, no se deben apretar demasiado las válvulas al cerrarlas hasta haber alcanzado la temperatura de régimen y hasta que todas las piezas estén uniformemente calentadas. La razón para esto es que el material del vástago de la válvula está sujeto a mayor expansión térmica que la carcasa de la turbina y, si se aprieta la válvula cuando esta fría, puede quedar atascada en su posición de cerrado y será difícil abrirla después.

Protecciones

En las turbinas de vapor, como ya se dijo se instala una válvula de relevo antes de la válvula de bloqueo del escape, ya que debe recordarse que la válvula centinela funciona solamente como aviso audible y visual de que la presión en la carcasa está más alta que la normal.

Las turbinas se pueden equipar con diferentes aditamentos de protección que responden a diferentes variables, por ejemplo, alta vibración, baja presión de lubricación, alta presión diferencial a través de los filtros de aceite, etc., pero hay una protección que todas las turbinas poseen y es la de sobrevelocidad.

La protección por sobrevelocidad esta montada en la flecha y consta de un contrapeso localizado radial y excéntricamente al eje de giro. El contrapeso se mantiene en su lugar por la acción de un resorte. Cuando la velocidad alcanza el valor de la velocidad de disparo, el resorte se vence y el contrapeso se proyecta radialmente una pequeña distancia alejándose del eje de giro golpeando un dispositivo (gatillo o actuador) que dispara un mecanismo que opera la válvula de cierre rápido impidiendo el paso del vapor.

Siendo las turbinas maquinas con muchos componentes operando en alta velocidad, quizá la protección por sobrevelocidad sea la más importante por lo que debe ser comprobada periódicamente. En este caso, si la protección no acciona al alcanzar la velocidad especificada, no es prudente acelerar aún más la turbina para detectar a qué velocidad ocurre el disparo, lo recomendable es parar la turbina y hacer la revisión de todo el sistema de protección. Y ajustar este.

El claro entre la palanca del gatillo de disparo y la cabeza del contrapeso, algunos fabricantes la especifican de 1.3 a 1.8 mm (0.053” a 0.073”), normalmente es de 1.57 mm (1/16” ó sea 0.062”).

Es necesario también que en las pruebas del disparo se compruebe que la válvula de cierre rápido deslice toda su carrera, ya que puede atorarse debido a los sólidos arrastrados por el vapor.


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Turbina con diferentes tipos de reguladores de velocidad Woodward


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1. Palanca del regulador

2. Regulador Woodward TG-13

3. Caja del cojinete del lado del regulador

4. Válvula centinela

5. Caja de cojinete del lado acoplamiento

6. Eje de la turbina

7. Anillos de empaquetadura de carbón

8. Cámara de vapor

9. Drenajes (2) de la cámara de vapor

10. Colador del vapor

11. Vastago de la válvula de regulación

12. Palanca dedisparo

13. Anillos de lubricación (2)

14. Conexiones de evacuación de sellos (2)

15. Rueda de la turbina

16. Carcasa de la turbina

17. Válvula manual

18. Regulador Woodward PG o UG

19. Indicadores del nivel de aceite (no se incluyen en turbinas con lubricación forzada)

20. Alojamiento del contrapeso de sobrevelocidad

21. Drenajes de aceite (2)

22. Drenaje del anillo de toberas

23. Drenaje de la carcasa

24. Cojinete de empuje

25. Cojinetes principales (2)

26. Acoplamiento

27. Caja de adaptación del regulador

Mantenimiento:

Válvula del regulador y tamiz de vapor

Se debe sacar y limpiar el tamiz del vapor por lo menos una vez al año, y debe ser reemplazado cada tres años. Como se necesita sacar la válvula del regulador antes de poder sacar el tamiz, se deberá inspeccionar la válvula del regulador y sus asientos y se deberán asentar los asientos en caso necesario.

Para reemplazar el regulador o el tamiz de vapor, proceda como sigue: (ver figura 40)

1. Retirar la tuerca de ajuste y su arandela

2. Retire el anillo de retención del pasador del regulador. Luego retire el pasador y cuidadosamente deslice la palanca del regulador y retire el vástago del regulador.

3. Retire las tuercas que fijan la cubierta a la cámara de vapor y cuidadosamente retire la cubierta sin tocar el vástago de la válvula.

4. Retire la válvula del regulador. Si la turbina está provista de empaquetadura, retire y deseche, coloque empaquetadura nueva al instalar.

5. Retire juntos la válvula y el tamiz del vapor.

6. Efectué el mantenimiento necesario y reensamble siguiendo el procedimiento inverso.

7. Después de completar la instalación, ajústese :

a. Disparo por sobre-velocidad

b. Varillaje de disparo por sobrevelocidad.

c. Carrera de la válvula del regulador.

Válvula de Emergencia.

Para reemplazar la válvula de emergencia procédase como sigue:

1. Retire la válvula del regulador y el tamiz del vapor como se describe anteriormente.

2. Retire el tornillo de fijación de la conexión de la palanca de la válvula (Figura 32): entonces, deslícese y retire la conexión de la palanca de la válvula del huso estriado de la válvula.


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3. Retire la tapa de acceso de la cámara de vapor, que se encuentra sobre el vástago de la válvula; luego, retire el tornillo de fijación que une al vástago de la válvula a la unión de la válvula.

4. Retire la tapa de acceso a la cámara de vapor en línea con el vástago de la válvula y retire el vástago de la válvula.

5. Deslizar la conexión de la válvula hacia arriba y apartándola del vástago de la válvula.

6. Retire la válvula del conjunto e inspeccionar el asiento de la válvula.

NOTA: En caso que sea necesario reemplazar el asiento de la válvula, debe separarse la cámara de vapor de la turbina.

7. Reensamblar e instalar la válvula de emergencia siguiendo el procedimiento inverso al de desarmar.

8. Luego de completar la instalación, ajústese lo siguiente:

a. Disparo por sobre-velocidad

b. Varillaje del disparo por sobre-velocidad

c. Carrera de la válvula del regulador

d. Carera de la válvula de emergencia

Carrera de la válvula de emergencia

1. Soltar la palanca de la válvula (Figura 32) para cerrar la válvula de emergencia.

2. Tirar manualmente del varillaje del regulador para cerrar la válvula de regulación. Puede que sea necesario retirar el pasador de la barra conectora a la turbina (ver figura 32)

3. Con la válvula de regulación totalmente cerrada, levantar el conector de disparo hasta que la válvula de emergencia esté completamente abierta (no torcer el conector de disparo).

4. Medir la holgura entre la superficie de enganche del conector de la válvula y la superficie del gatillo de disparo que deberá ser aproximadamente ¼” (6 mm).

5. Si se necesita efectuar un ajuste, soltar el tornillo de fijación de la palanca de conexión de la válvula de disparo, luego modificar la posición de esta palanca y del vástago estriado en dirección de las manecillas del reloj o en el sentido contrario, según sea necesario para obtener la holgura correcta.

Nota: Después de efectuar este ajuste, es necesario volver a verificar el ajuste del varillaje de disparo por sobrevelocidad.

Ajuste del paro automático por sobre velocidad

Es importante que el sistema completo de paro automático esté correctamente ajustado y libre de restricciones o movimientos inefectivos. El funcionamiento del sistema de paro por sobrevelocidad debe probarse con la mayor frecuencia posible (especialmente al efectuar operaciones de mantenimiento de la turbina) y debe mantenerse un registro de estas pruebas. El disparo por sobrevelocidad deberá detener a la turbina dentro del 30% de la velocidad especificada en las hojas de datos de la Turbina. Si las pruebas de funcionamiento demuestran que se necesita ajuste, proceda de la siguiente manera:

1. Lograr acceso al alojamiento del regulador de sobrevelocidad.

En las turbinas con regulador Woodward se mueve por un engranaje, retirar la tapa exterior de la caja de cojinete.

En las turbinas equipadas con un regulador Woodward acoplado al eje, retirar la tapa del cojinete del lado entrada de vapor.

2. Hacer girar manualmente el eje de la turbina hasta que el tornillo de fijación quede accesible. (No. 15 de la figura 32). Aflojar este tornillo de fijación.


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3. Con una llave adecuada, girar el tornillo de ajuste en el sentido de manecillas del reloj para aumentar la velocidad de disparo o en la dirección opuesta para disminuir, según sea necesario.

4. Apretar el tornillo de fijación firmemente para sujetar la posición de ajuste. Repetir la prueba de paro por exceso de velocidad.

Varillaje de disparo del regulador por sobrevelocidad

La holgura entre la palanca de disparo por exceso de velocidad (figura 32) y la pesa de emergencia (No, 14) se ajusta correctamente en la fabrica a 0,060” (1.524 mm) más o menos 0.010” (0.245 mm). Lograr acceso al alojamiento del regulador de sobrevelocidad en la forma descrita anteriormente.

Girar luego el rotor de modo a situar el peso de sobrevelocidad enfrente a la palanca de disparo y medir la holgura. Si es necesario un ajuste, proceda de la siguiente manera:

1. Soltar el tornillo de fijación que sujeta la palanca de conexión al vástago de la válvula.

2. Deslizar la palanca de conexión sobre el vástago de la válvula, alejándola de la cámara de vapor para aumentar la holgura, y en la dirección opuesta para disminuir la holgura.

3. Apretar el tornillo de fijación para sujetar firmemente la palanca de conexión a la válvula.

Posición del pasador de articulación de la palanca del regulador (ver figura 32)

Para todos los tamaños de válvulas de articulación hasta 2 ½” inclusive, el pasador de articulación de la palanca del regulador debe estar en el orificio más cercano a la válvula.

Para válvulas mayores de 3 ¼” el pasador deberá estar en el orificio siguiente.

Carrera de la válvula del regulador (Regulador Woodward PG y UG)

1. Verificar la conexión de la palanca del regulador deberá estar aproximadamente en ángulo recto con la barra conectora del regulador (figura 32). Ajustar la longitud de la barra conectora según sea necesario.

2. Aflojar las tuercas de seguridad en ambos lados del cubo de la palanca del regulador.

3. Tirar la barra conectora hasta afuera del regulador Woodward hasta el limite posible.

4. Empujar la barra conectora hacia el regulador 3/16” (5 mm). Para mantener esta posición mientras efectúa el ajuste, colocar un espaciador igual a la holgura existente entre el extremo de la barra conectora y la pieza de encaje en el regulador (ver detalle figura 32).

5. Empujar el vástago de la válvula hasta que la válvula se asiente.

6. Apretar las tuercas de seguridad en ambos lados del cubo de la palanca del regulador para fijar el ajuste.

7. Retirar el espaciador utilizado en el paso 4.

Regulador Woodward TG

1. Retirar el pasador que conecta la palanca del regulador con el extremo de la barra tensora (ver figura 33).

2. Empujar la palanca del regulador hacia adentro hasta que la válvula se asiente y mantener esta posición.

3. Empujar la barra tensora en la dirección de cierre de la válvula (ver flecha en la ilustración) hasta el limite y mantener esta posición.


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4. Ajustar la longitud del tensor de modo que la perforación para el pasador en el extremo de la barra este aproximadamente a 1/8” (3 mm) más alla de la perforación coincidente en la palanca del regulador.

5. Soltar la barra tensora e insertar el pasador.

Figura 32 Ajuste de las válvulas de sobrevelocidad y regulación

(Turbinas con reguladores Woodward PG y UG)

Clave:

1. Tapa –Caja de cojinetes

2. Palanca

3. Palanca de Disparo

4. Palanca –Articulación de Disparo

5. Varilla –Articulación de Disparo

6. Placa -Tope

7. Gatillo –Conjunto de Disparo

8. Caja –Lado de Admisión de Vapor

9. Vástago –Fuelle

10. Soporte –Disparo por baja presión de aceite

11. Disparó por baja presión de aceite

12. Recipiente del Regulador

13. Tornillo de ajuste

14. Pesa

15. Tornillo de Traba

16. Palanca –Regulador

17. Pasador

18. Terminal de la Varilla

19. Varilla –Articulación

20. Vástago –Disparo

21. Collarín

22. Gatillo y palanca


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Actividad Punto a verificar Lado Gobierno

Lado Cople

Desensamble de la Turbina

Evaluar y analizar el comportamiento del equipo.

Antecedentes, fugas, vibración.

Verificar condiciones de seguridad.

Purgado, despresionado.

Limpieza a todas las partes exteriores y carcasa antes de ser levantada.

Marcar las partes al desensamble.

Retirar cubre cople

Desacoplar equipo Evaluar componentes del acoplamiento (tornilleria, lainas, engranes, rejillas)

Verificar alineamiento Registrar lecturas.

Desconectar varillas del sistema de gobierno

Marcar referencia del brazo del gobernador.

Retirar gobernador de velocidad.

Verificar ajuste de cople y cuña de flecha de gobernador.

Verificar ajuste de cople y cuña de flecha de la turbina (disparo).

Verificar entredos del acoplamiento.

Verificar juego axial de la turbina.

Registrar lectura.

Retirar líneas de agua de enfriamiento a chumaceras.

Desmontar las tuercas uniones, verificar continuidad de las líneas.

Retirar tubería de cajas de chumaceras.

Retirar tapas superiores de Cajas de chumaceras radiales

Retirar pernos guías

Retirar chumaceras superiores en ambos lados.

Observar las condiciones físicas de las chumaceras (metal babbit), así como de la flecha (ralladuras).

Verificar claro radial.

Purgar aceite de lubricación de cajas inferiores de chumaceras.

Retirar tornilleria de tapa superior de carcasa.

Retirar carcasa superior Efectuar la maniobra adecuada.

Verificar nuevamente juego axial de la turbina

Comparar con la lectura anterior.


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Verificar claro del rodete con toberas.

Registrar lecturas

Retirar sellos de vapor.

Retirar chumaceras radiales inferiores.

Retirar rotor de carcasa inferior.

Efectuar al maniobra adecuada.

Evaluación de partes y daños para su recuperación o reemplazo.

Rotor Limpieza general al rotor.

Verificar el desgaste de los rodetes, como de los alabes.

Dimensionar el rotor para determinar si se encuentra dentro de los limites de dimensiones originales, recuperar si es necesario.

Verificar rectitud.

Componentes del rotor. Recuperar y ajustar si es necesario (cople, disparo)

Ensamblar rotor para su balanceo dinámico.

Verificar balanceo por partes (ensamble de cada componente).

Rodamiento de fijación axial del rotor.

Evaluar si requiere cambio.

Anillos levantadores de aceite Redondez del anillo

Espesor contra la ranura de la chumacera

Carcasa superior de la turbina. Verificar contacto de las tapas superior e inferior con azul de Prusia

Tapas de chumaceras radiales Verificar contacto delas tapas superior e inferior con azul de Prusia

Tapas de sellos de vapor Verificar contacto de las tapas superior e inferior con azul de prusia.

Alojamiento de los carbones en buen estado

Sellos de vapor Ajustar de acuerdo al claro requerido.

Componentes del disparo por sobre-velocidad.

Verificar claro entre cuerpo del disparo y el actuador.

Verificar dispositivo de fijación del disparo (candado, tuerca, suplemento, etc.)

Verificar engrane de transmisión.

Verificar rectitud de la espiga del cuerpo del disparo.

Ajuste del disparo con respecto ala flecha.


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Desgaste de la cuña del disparo.

Condiciones del perno de disparo.

Condiciones del resorte.

Válvula de corte rápido. Reportan fuga de vapor

Rectitud y/o desgaste del vastago

Resorte del vastago.

Resorte del brazo de disparo.

Bujes de la tapa de la válvula.

Asientos de la válvula.

Válvula de gobierno. Reportan fuga de vapor

Rectitud y/o desgaste del vastago

Bujes de la tapa de la válvula.

Empaquetadura del prense.

Asientos de la válvula.

Posición del brazo de gobierno.

Ensamble de la Turbina

Ensamblar rotor. Colocarle laberintos de aceite, anillos levantadores de aceite, rodamiento de fijación axial con su laina de ajuste de claro de tobera, candado o tuerca del rodamiento, collar de disparo por sobrevelocidad, cople del gobernador.

Colocar rotor en carcasa inferior.

Colocar chumaceras radiales inferiores.

Observar guía.

Observar si cuenta con vena de lubricación.

Aplicar aceite a chumacera inferior.

Ajustar claro de toberas. Verificar entre rodete y tobera, ajustar laina del rodamiento si es necesario.

Juego axial del rotor Juego axial de diseño del rodamiento

Verificar claro de chumaceras radiales.

Colocar plastigate en la flecha del rotor.

Colocar chumaceras radial superiores en ambos lados.

Colocar tapas superiores de caja de chumacera radial, colocar y apretar su tornilleria.


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Aflojar tornilleria y retirar tapas superiores, verificar el claro radial.

Agregar nivel de aceite.

Colocar sellos de vapor. Previamente se ajustaron.

Montar carcasa superior. Colocar hilo de pavilo, sobre la superficie de la carcasa inferior.

. Colocar carcasa supeior.

Colocar tornilleria de carcasa, aplicarle compuesto antiferrante.

Montar gobernador de velocidad.

Verificar nivel de aceite.

Verificar centrado del engrane de transmisión

Colocar varillas del gobernador a la válvula de gobierno

Alinear equipo. Solicitar lecturas en frío.

Calibrar disparo por sobrevelocidad.

Ajustar si es necesario 15% arriba de su velocidad normal de operación.

Acoplar equipo.

Probar equipo


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Detalle del claro entre toberas y rodeteDetalle del claro entre toberas y rodete


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Mantenimiento a una turbina a vapor de alta potencia 38,400 HP

VERIFICACION Y/O CORRECCION DEL CENTRADO DE APOYO DE CHUMACERAS LADO EXHAUSTO Y LADO GOBIERNO DE LA CARCASA INFERIOR.

VERIFICACION Y/O CORRECCION DEL CENTRADO DE GUIAS DE LOS DIAFRAGMAS EN CARCASA INFERIOR.


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Buje de la barra instalada en la caja de chumacera radial.

VERIFICACION Y/O CORRECCION DEL CENTRADO DE GUIAS DE LOS DIAFRAGMAS EN CARCASA INFERIOR INSTALADA LA BARRA EN CAJA PORTACHUMACERA RADIAL.


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VERIFICACION Y/O CORRECCION DEL CENTRADO DE GUIAS DE LOS DIAFRAGMAS EN CARCASA SUPERIOR.


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Centrado de la herramienta para el registro de concentricidad de guías de diafragmas en carcasa superior.

VERIFICACION Y/O CORRECCION DEL CENTRADO DE GUIAS DE LABERINTOS DE LOS DIARAGMAS EN CARCASA SUPERIOR.


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VERIFICACION Y/O CORRECION DEL CENTRADO DE LABERINTOS DE LA CARCASA INFERIOR.


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manual de turbinas de vapor imp

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