Una turbina de vapor es una Una turbina de vapor es una turbomáquina motora motora, que , que transforma la transforma la energía de un flujo de de un flujo de vapor en energía mecánica a en energía mecánica a través de un intercambio de través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el entre el fluido de trabajofluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las Las turbinas de vaporturbinas de vapor están presentes en diversos están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, , entre éstos el más importante es el entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el , el cual genera el vapor en una vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de , de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es que, típicamente, es aprovechada por un aprovechada por un generador para producir para producir electricidad..

CICLO TERMODINÁMICO DE LAS TURBINAS DE VAPORCICLO TERMODINÁMICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR           El El principio de funcionamiento de las principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como el ciclo termodinámico conocido como Ciclo Rankine, al final del cual el fluido de Ciclo Rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en inicial. Cuatro procesos se distinguen en un Ciclo Rankine ideal:un Ciclo Rankine ideal:

1-2. Proceso de bombeo adiabático y 1-2. Proceso de bombeo adiabático y reversible.reversible.

2-3. Transferencia de calor al fluido de 2-3. Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión trabajo en una caldera a presión constante.constante.

3-4. Expansión adiabática y reversible del 3-4. Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina.fluido en la turbina.

4-5. Transferencia de calor desde el fluido 4-5. Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante en el de trabajo a presión constante en el condensadocondensado

Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de vapor.

Esquema del ciclo básico de las turbinas de vapor

En el ciclo Rankine ideal con recalentamiento, el vapor se expande isentrópicamente de 3 a 4 y de 5 a 6 y se recalienta a presión constante de 4 a 5

En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator.

El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina.

El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

Presentamos una turbina de vapor seccionada donde se pueden apreciar Presentamos una turbina de vapor seccionada donde se pueden apreciar tanto el estator como el rotor de la misma.tanto el estator como el rotor de la misma.

Clasificación Clasificación

Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo, hasta turbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 compresores y otro equipo, hasta turbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomáquinas son son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas. Por otro susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado de reacción::

Turbinas de Acción: El cambio o Turbinas de Acción: El cambio o saltosalto entálpico o expansión es o expansión es realizada en los álabes directores o las toberas de inyección si se trata realizada en los álabes directores o las toberas de inyección si se trata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos están de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos están sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presión se sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad. mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad.

Turbinas de Reacción: La expansión, es decir, el Turbinas de Reacción: La expansión, es decir, el salto entálpicosalto entálpico del del vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando este salto ocurre únicamente en el rotor la turbina se conoce como de este salto ocurre únicamente en el rotor la turbina se conoce como de reacción purareacción pura..

Turbina de Laval (de Acción) Turbina Parsons (de reacción, 1884)

TURBINAS DE IMPULSOTURBINAS DE IMPULSO

También conocidas como turbinas de También conocidas como turbinas de acción aprovechan la energía cinética del acción aprovechan la energía cinética del fluido (vapor o gases calientes de alta fluido (vapor o gases calientes de alta presión para producir trabajo. presión para producir trabajo. Dependiendo de su diseño de las turbinas Dependiendo de su diseño de las turbinas de impulso constan de una o varias de impulso constan de una o varias etapas y cada una de ellas construido por etapas y cada una de ellas construido por un estator y un rotorun estator y un rotor

Vista ortogonal de una turbina de impulso. El perfil de los álabes debe notarse claramente.

EFICIENCIA DE UNA ETAPA DE IMPULSOEFICIENCIA DE UNA ETAPA DE IMPULSO

Diagrama T-s de la eficiencia de una etapa de impulso

RENDIMIENTO DE UNA ETAPA LAVALRENDIMIENTO DE UNA ETAPA LAVALUna etapa Laval también conocida como una turbina de impulso con etapa simple, consta de un juego de Una etapa Laval también conocida como una turbina de impulso con etapa simple, consta de un juego de toberas en el cual se expande el flujo de vapor o gas y una sola rueda de impulso. Los álabes de las toberas en el cual se expande el flujo de vapor o gas y una sola rueda de impulso. Los álabes de las turbinas de impulso son en la mayoría de los casos simétricos y en algunas ocasiones el ángulo relativo turbinas de impulso son en la mayoría de los casos simétricos y en algunas ocasiones el ángulo relativo de salida es menor que el de entrada aunque la diferencia entre los dos es siempre mínima .de salida es menor que el de entrada aunque la diferencia entre los dos es siempre mínima .

ALTURA DE LOS ALABES ALTURA DE LOS ALABES 

A medida que el fluido de trabajo pasa a través de los álabes, su velocidad disminuye gradualmente. Con A medida que el fluido de trabajo pasa a través de los álabes, su velocidad disminuye gradualmente. Con el fin de compensar esta disminución y mantener un flujo estable, el área debe incrementarse a través de el fin de compensar esta disminución y mantener un flujo estable, el área debe incrementarse a través de su recorrido de acuerdo con la ecuación de continuidad y para lograrlo se aumenta la altura del álabe.su recorrido de acuerdo con la ecuación de continuidad y para lograrlo se aumenta la altura del álabe.

Normalmente en la primera etapa de una turbina de impulso el conjunto de toberas que entrega el fluido Normalmente en la primera etapa de una turbina de impulso el conjunto de toberas que entrega el fluido de trabajo no cubre toda la circunferencia de la rueda de turbina sino parte de ella; cuando esto sucede de trabajo no cubre toda la circunferencia de la rueda de turbina sino parte de ella; cuando esto sucede

se dice que tiene una admisión parcial.se dice que tiene una admisión parcial.

Toberas. Toberas. El vapor es alimentado a la turbina a El vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor conseguir una correcta distribución del vapor entrante/saliente al/desde el interior de la entrante/saliente al/desde el interior de la turbina.turbina.

TURBINAS DE REACCIONTURBINAS DE REACCION

Las turbinas de reacción aprovechan la energía del fluido (vapor o Las turbinas de reacción aprovechan la energía del fluido (vapor o gases calientes a alta presión), pero a diferencia de las turbinas de gases calientes a alta presión), pero a diferencia de las turbinas de impulso, su expansión ocurre en los álabes fijos y en los álabes impulso, su expansión ocurre en los álabes fijos y en los álabes móvilesmóviles. .

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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOPRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La etapa de una turbina de reacción esta constituida por un juego de álabes La etapa de una turbina de reacción esta constituida por un juego de álabes fijos o toberas y un juego de álabes móviles. Sin embargo, ocurre una caída de fijos o toberas y un juego de álabes móviles. Sin embargo, ocurre una caída de presión en los álabes móviles que están dispuestos en forma de toberas.presión en los álabes móviles que están dispuestos en forma de toberas.El flujo de gases o vapor que entra en los álabes fijos de una etapa de reacción El flujo de gases o vapor que entra en los álabes fijos de una etapa de reacción lo hace a través de toda su circunferencia, por lo que se dice que es de lo hace a través de toda su circunferencia, por lo que se dice que es de admisión total.admisión total.En los álabes fijos, el fluido es acelerado mientras que su presión y entalpía En los álabes fijos, el fluido es acelerado mientras que su presión y entalpía disminuyen debido a la disposición de tobera de los canales formados por cada disminuyen debido a la disposición de tobera de los canales formados por cada par de álabes. El flujo que sale de estos, entra al conjunto de álabes móviles par de álabes. El flujo que sale de estos, entra al conjunto de álabes móviles cuyos canales tienen también forma de tobera, haciendo que el fluido cuyos canales tienen también forma de tobera, haciendo que el fluido incremente su velocidad relativa con respecto a los álabes mientras que la incremente su velocidad relativa con respecto a los álabes mientras que la presión y entalpía disminuyen. La energía producida por el cambio en el presión y entalpía disminuyen. La energía producida por el cambio en el momentum de los gases, es absorbida por los álabes móviles y transmitida al momentum de los gases, es absorbida por los álabes móviles y transmitida al eje en forma de trabajo útil. eje en forma de trabajo útil.

Esquema del incremento escalonado en la altura de los álabes de una turbina de reacciónEsquema del incremento escalonado en la altura de los álabes de una turbina de reacción

Tecnologías AplicablesTecnologías Aplicables

Turbinas de VaporTurbinas de Vapor• • La turbina de vapor es parte del Ciclo Termodinamico La turbina de vapor es parte del Ciclo Termodinamico

conocido como Rankine. (Etapa de expansión/Generación conocido como Rankine. (Etapa de expansión/Generación del trabajo útil). del trabajo útil).

• • Por el tipo de exhausto, se clasifican en:Por el tipo de exhausto, se clasifican en: -Turbinas a Condensación-Turbinas a Condensación -Turbinas a Contrapresión-Turbinas a Contrapresión• • Ambos tipos pueden tener extracciones “sangrados” de Ambos tipos pueden tener extracciones “sangrados” de

vapor en las etapas intermedias, de los cuales se obtiene el vapor en las etapas intermedias, de los cuales se obtiene el vapor necesario en el proceso.vapor necesario en el proceso.

Turbina de vapor a contrapresiónTurbina de vapor a contrapresión

Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.

Pérdidas

Vapor

Caldera

Combustible

Aire

Vapor demediapresión

Turbogenerador

Vapor debajapresión

Proceso

Agua dealimentación

Turbina de vapor de extracción condensaciónTurbina de vapor de extracción condensaciónLas turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.agua para mejorar la eficiencia del ciclo.

Pérdidas

Caldera

Aire

Combustible

Vapor

Vapor demediapresión

Turbogenerador

Proceso

Agua dealimentación

Condensador

Vapor debajapresión

Velocidad y potencia de la Velocidad y potencia de la turbina a vaporturbina a vapor

Potencia de la turbinaPotencia de la turbinaEn la tabla están indicadas las dimensiones de turbinas a En la tabla están indicadas las dimensiones de turbinas a condensación modernas construidas por la General Electric.condensación modernas construidas por la General Electric.Con excepción de la altura de las maquinas de mayor potencia no hay Con excepción de la altura de las maquinas de mayor potencia no hay diferencias notables entre las dimensiones principales de las turbinas diferencias notables entre las dimensiones principales de las turbinas de acción y reacción.de acción y reacción.

  

Esquema de Montaje Típico en Planta de una Turbina de Esquema de Montaje Típico en Planta de una Turbina de

Vapor de Extracción / Condensación SST-700Vapor de Extracción / Condensación SST-700 Leyenda:Leyenda:

1. Generador1. Generador 2. Turbina AP2. Turbina AP 3. Turbina BP3. Turbina BP 4. Condensador 4. Condensador 5.Condensador del 5.Condensador del

prensaestopasprensaestopas 6. Unidad de aceite lubricante6. Unidad de aceite lubricante 7. Unidad hidráulica 7. Unidad hidráulica    DimensionesDimensiones

Largo (L) 22 m / 73 pies Largo (L) 22 m / 73 pies Ancho (W) 15 m / 50 pies Ancho (W) 15 m / 50 piesAltura (H) 6 m / 20 piesAltura (H) 6 m / 20 piesPeso aproximado de la Peso aproximado de la turbina: 85 toneladas turbina: 85 toneladas