Tapachula CHIAPAS A 14 DE ENERO 2015MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II

INVESTIGACION DE turbinas de gas y vaporALUMNO:HECTOR JESUS GONZALEZ HUESCA

DOCENTE:ING. MIGUEL ANGEL CHOY ROMEROIngeniera electromecnica,VII semestre

TURBINAS DE GASPrincipios de FuncionamientoUna turbina de gas es un motor trmico rotativo de combustin interna, donde a partir de la energa aportada por un combustible se produce energa mecnica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxgeno.

La mquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a travs de ella.El aire es aspirado de la atmsfera y comprimido para despus pasar a la cmara de combustin, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignicin. Los gases calientes, producto de la combustin, fluyen a travs de la turbina. All se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.Las prdidas de energa se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energa aportada.

Tipos de Turbinas de GasLas turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energa qumica contenida en un combustible en energa mecnica, ya sea para su aprovechamiento energtico o como fuerza de impulso de aviones, automviles o barcos. En este artculo prestaremos atencin a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneracin junto con turbinas de vapor, o en diseos hbridos con otras tecnologas renovables.Pueden clasificarse segn el origen de su desarrollo, por el diseo de su cmara de combustin y por su nmero de ejes. Turbina de gas aeroderivadas: Provienen del diseo de turbinas de para fines aeronuticos, pero adaptadas a la produccin de energa elctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales caractersticas son su gran fiabilidad y su alta relacin potencia/peso, adems cuentan con una gran versatilidad de operacin y su arranque no es una operacin tan crtica como en otros tipos de turbinas de gas.Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseo facilita las operaciones de sustitucin y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

Turbina de gas industriales:La evolucin de su diseo se ha orientado siempre a la produccin de electricidad, buscndose grandes potencias y largos periodos de operacin a mxima carga sin paradas ni arranques continuos.Su potencia de diseo puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneracin. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamao y peso, buscndose alargar lo ms posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

Turbina de cmara de combustin tipo silo:En estos diseos la cmara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cmara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansin por una abertura inferior conectada a sta.Su diseo no est muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales. Turbina de cmara de combustin anular:En este caso la cmara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un nico tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeracin de los gases de combustin y bajas perdidas de carga, aunque su distribucin de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cmaras tubo anulares.Este diseo se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.. Turbina de cmara de combustin tubo anular:Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseo de cmara de combustin. Cada una posee un nico inyector y buja. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Adems si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transicin, que es la que recoge todos los gases de combustin para dirigirlos a la turbina de expansin, es una parte delicada de la instalacin.Esta tecnologa es utilizada en sus diseos por Mitsubishi y General Electric . Turbina mono eje:El compresor, turbina de expansin y generador giran de forma solidaria con un nico eje de rotacin. La velocidad de giro es en la inmensa mayora de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador elctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseo usual en las grandes turbinas comerciales de generacin elctrica.

Turbina multieje:La turbina de expansin se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presin, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda seccin comparte eje con el generador, aprovechndose la energa transmitida en la generacin de electricidad. Esta tecnologa es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequea potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

TURBINA DE VAPORTurbina de Vapores un motor rotativo que convierte enenergamecnica, la energa de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hlices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energamecnicase transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador elctrico o una hlice. QUE SON LAS TURBINAS DE VAPOR Y COMO SE CLASIFICANLas turbinas se clasifican en turbinas hidrulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustin. Hoy la mayor parte de la energa elctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Una turbina de vapor es una turbo mquina que transforma la energa de un flujo de vapor en energa mecnica. Este vapor se genera en una caldera de vapor, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que, tpicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad.Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presin del vapor (se expande) aumentando as su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los labes mviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee ms de un conjunto tobera-labe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presin y temperatura posee demasiada energa trmica y, si sta se convierte en energa cintica en un nmero muy reducido de etapas, la velocidad perifrica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrfugas muy grandes causando fallas en la unidad.En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El estator tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.El xito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energa del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivn desarrollada por el inventor e ingeniero escocs James Watt utilizaban la presin del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar tambin la energa cintica de este. La turbina puede ser ms pequea, ms ligera y ms barata que una mquina de vapor de vaivn de la misma potencia, y puede ser de un tamao mucho mayor que las maquinas de vapor convencionales.

Desde el punto de vista de la mecnica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algn otro medio de convertir la energa de vaivn en energa rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor a remplazado a las maquinas de vaivn en las centrales generadoras de energa elctrica, y tambin se utiliza como una forma de propulsin a chorro.La turbina de vapor no fue inventada por una nica persona, sino q fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales delsiglo XIX. Algunos de los participantes ms notables en este desarrollo fueron el britnicoCharles Algernon Parsons, responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expanda en varias fases aprovechndose su energa en cada una de ellas y De Laval fue el primero en disear chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansin del vapor.Primeras turbinas de vaporHistricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Hern de Alejandra alrededor del ao 175 A. C., la cual consista en un esfera metlica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor.Hasta1629no se tiene constancia de un nuevo diseo independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningn uso industrial til.La primera aplicacin industrial para una turbina de vapor fue patentada enSueciapor De Laval en1878y consista en una maquina centrifuga desnatadora que revolucion la produccin de leche, impulsada por vapor.El ltimo impulso para la utilizacin de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en1884, con el diseo y construccin de una turbina de vapor de alta velocidad que poda a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios del siglo veinte la mayora de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor.Tipos de turbinas de vaporLa clasificacin de las turbinas de vapor puede hacerse segn la forma de aprovechamiento de la energa contenida en el flujo de vapor (reaccin o accin), segn el nmero de etapas (multietapa o monoetapa), segn la direccin del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extraccin de vapor antes de llegar al escape y por ltimo por la presin de salida del vapor (contrapresin, escape libre o condensacin).-Turbina de vapor de reaccin: En la turbina de reaccin la energa mecnica se obtiene de la aceleracin del vapor en expansin. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas mviles y las otras fijas. Las palas fijas estn colocadas de forma que cada par acta como una boquilla a travs de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reaccin, que se montan en un tambor que acta como eje de la turbina.En la turbina de reaccin se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran cada de presin en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.Se denomina grado de reaccin a la fraccin de la expansin producida en la corona mvil respecto al total, un grado de reaccin 1 ndica que la turbina es de reaccin pura, mientras que para el valor cero ser una turbina de vapor de accin. Turbina de vapor de accin: Una turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:1. Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misin es transformar la energa trmica del vapor puesta a su disposicin, total (accin), o parcialmente (reaccin), en energa cintica.2. Una corona mvil, fija sobre un eje, cuyos labes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energa mecnica de rotacin, la energa cintica puesta a su disposicin.Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a travs de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energa cintica del vapor en expansin, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que est unida. Las turbinas de accin habituales tienen varias etapas, en las que la presin va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas. Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de ms simple construccin son las ms robustas y seguras, adems de acarrear menores costes de instalacin y mantenimiento que las multietapa. Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes prxima al valor optimo con relacin a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presin de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sera necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sera viable mecnicamente por las dimensiones que debera tener el reductor (caja de engranajes que ajustara la velocidad final del eje a la deseada).

Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, adems pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presin, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de accin y las finales de reaccin. Turbina de flujo axial: Es el mtodo ms utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina. Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina. Turbina con extraccin de vapor: Se realiza en etapas de alta presin, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor tambin puede ser extrado de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales. Turbina de contrapresin: La presin del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosfrica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obtenindose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento trmico posterior. Turbinas de condensacin: El vapor sale a una presin inferior a la atmosfrica, en este diseo existe un mayor aprovechamiento energtico que a contrapresin, se obtiene agua de refrigeracin de su condensacin. Este diseo se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.Uso de las Turbinas de vaporLas turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales elctricas de generacin de energa elctrica, cuyos componentes principales son: Caldera: su funcin es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. Turbina: es la encargada de utilizar la energa del vapor de la caldera y transformarla en trabajo til para mover un generador elctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.

Principio de funcionamientoLas primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace mediados delsiglo XIX, la que aprovechaba la energa cintica del vapor para impulsar un rotor que tena una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a travs de un Boquerel.

Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseo, se colocaron varios Boquereles, tratando de cubrir en mejor forma el rotor.En ambos diseos el vapor empleado se dispersaba en la atmsfera; para recuperarlo se ideo una carcasa para as poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posicin de las paletas en el rotor, ubicndolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y adems el Boquerel vario su forma circular a arco de corona circular, llamndose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes mviles.Al analizar el primer diseo de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energa cintica del vapor que acta directamente sobre los alabes del rotor.Partes Construidas de una TurbinaLas turbinas de vapor estn constituidas por dos partes principales; la parte giratoria- el rotor y la parte estacionaria- el estator. El estator (cilindro), est constituido por pedestales, cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y en ocasiones por el sistema de distribucin de vapor y por el condensador.Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores. Los cilindros de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre s por la unin horizontal y apretada mediante tornillos y esprragos. Para garantizar la coincidencia plena de ambas mitades, en la unin horizontal.Se practican orificios guas con esprragos especialmente construidos para ello.Las turbinas que se construyen con parmetros de vapor vivo, que superan las 90 atm. Y los 500 C y que poseen cilindros de alta y media presin con recalentamiento intermedio, normalmente estn construidos con cilindros interiores. Los cilindros interiores tambin son unidos por la unin horizontal. Las turbinas que se construyen con cilindros interiores tienen la ventaja de disminuir las tensiones trmicas e hidrulicas que sufre el metal del cilindro y como consecuencia el espesor de las bridas de la unin horizontal y, adems, facilitar la aceleracin del arranque con un calentamiento ms uniforme.Dentro del cilindro estn maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y sellos. Algunos cilindros como los de las mquinas de reaccin tienen ranuras para insertar losalabesestacionarios y otros cilindros por razones tecnolgicas tienen cargadores que agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el espacio y ubicar las extracciones de forma ms compacta, tambin disminuye considerablemente la cantidad de tornillos lo que agiliza el mantenimiento.Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las prdidas entre los pasos y para evitar la penetracin del aire en el cilindro sometido al vaco se construyen sistemas de empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el exterior del cilindro se llaman estufas.