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Santa
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Ing. Serapio Quillos Ruiz
Las turbinas de vapor son turbomquinas en las que
slo se efecta el proceso de expansin. Si bien
existen turbinas a vapor del tipo radial, la inmensa
mayora son del tipo axial, que se estudian en esta
unidad.
El fluido de trabajo es comnmente el vapor de agua,
por obvias razones econmicas y tcnicas.
En comparacin con otras mquinas (alternativas a
vapor, de combustin interna) ofrecen una mayor
relacin potencia/tamao.
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Turbinas de condensacin: son las de mayor
tamao, utilizadas en centrales trmicas. La presin
de descarga puede ser inferior a la atmosfrica
debido a la condensacin del vapor de salida.
Turbinas de descarga atmosfrica: son
generalmente de baja potencia, antieconmicas si
utilizan agua tratada. No utilizan condensador.
Turbinas de contrapresin: se utilizan como
expansoras para reducir la presin del vapor
generando al mismo tiempo energa. Descargan el
vapor a una presin an elevada, para ser utilizado
en procesos industriales.
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labe accin labe reaccin
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labe accin labe reaccin
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Segn el principio operativo se distinguen las
turbinas de Accin y de Reaccin, tanto de una
como de varias etapas. La diferencia fundamental
es que en las turbinas de accin no hay cambio de
presin en la rueda mvil, obtenindose el
intercambio de energa por el cambio de velocidad
absoluta del fluido.
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Para obtener mayores potencias sin aumentar el
caudal de vapor es necesario aumentar el salto
entlpico, es decir, la presin del vapor. Al hacer
esto, se aumenta la velocidad absoluta de entrada
C1.
Como C1 se compone con U para dar la velocidad
relativa W1, que debe tener el ngulo de la paleta,
rpidamente se llega a ngulos de paleta muy
pequeos y velocidades relativas muy altas, lo que
causa grandes prdidas por rozamiento en la paleta
mvil.
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Otra solucin es incrementar U para que no
disminuya el ngulo. Pero la aplicacin ms
frecuente de las TV es para la generacin de
electricidad, la velocidad de rotacin de la turbina
est fijada por la del alternador, para producir
corriente alterna de 50 o 60 ciclos: 3000, 3600 rpm.
Con velocidades de rotacin fijas, mayores U
implican mayores dimetros, y el tamao de la
turbina resulta excesivo por razones mecnicas
(fuerzas centrfugas, balanceo dinmico).
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Se apela entonces a la solucin de dividir el salto
entlpico en dos o ms etapas, lo que se denomina
escalonamiento.
Al planear el escalonamiento se puede elegir entre
dividir la cada de velocidad absoluta entre dos o
ms ruedas mviles, o bien dividir la cada de
presin esttica entre dos o ms ruedas fijas. El
primero es el escalonamiento tipo Curtis y el
segundo el escalonamiento tipo Rateau.
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La Figura ilustra las
transformaciones en
una turbina Curtis de
dos etapas, cada una de
las cuales consta de una
rueda de toberas fijas y
una rueda de labes
mvil.
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Notar que las velocidades relativas W son
constantes en las ruedas mviles, como
corresponde a una turbina de accin, ya que la
presin no cambia en las ruedas mviles.
Al ser una turbina tipo Curtis, la presin tampoco
cambia en la segunda rueda fija, ya que lo que se
escalona es la velocidad absoluta. En la primera
rueda mvil la velocidad absoluta slo cae parte del
total, y cae el resto en la segunda rueda mvil.
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La Figura ilustra las
transformaciones en una
turbina Rateau de tres
etapas. Se nota que la
cada de presin y de
entalpa se ha dividido
entre las tres ruedas
fijas, y la velocidad
absoluta sube en cada
rueda fija:
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Una turbina Curtis de dos etapas para reducir C con
un dimetro aceptable.
Una turbina Rateau de dos etapas para continuar
reduciendo C con un dimetro similar a la Curtis
Etapas Parsons para completar la expansin con
buena extraccin de energa, ya que C ha
disminuido lo suficiente.
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Las prdidas por friccin en los conductos
formados por los labes, el disco y la carcasa se
cuantifican afectando a las velocidades de salida
isentrpicas de las ruedas fijas y mviles.
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La energa cintica de salida, ya que el vapor
inevitablemente debe tener cierta velocidad para
salir de la turbina.
El rozamiento sobre los discos mviles.
Si la turbina trabaja con admisin parcial el
movimiento de las paletas inactivas que giran en
el vapor sin producir trabajo (prdidas por
ventilacin).
Fugas por los espacios entre los extremos de las
paletas y la carcasa (mviles) o el disco (fijas).
Fugas por los ejes, en los laberintos
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Si se considera el rotor de la turbina de vapor
simplemente como un objeto cilndrico en una
carcasa, se observa que un extremo est sometido
a la alta presin del vapor de entrada y el otro a una
presin de descarga que es muy inferior.
Como resultado el rotor experimenta un empuje
axial hacia la descarga.
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Dadas las altas presiones de alimentacin y los
grandes dimetros de las turbinas de potencia, el
empuje puede ser sumamente elevado, ms de lo
que razonablemente pudiera soportarse con
cojinetes de empuje axial.
Para reducir este empuje se utilizan tcnicas de
balance de fuerzas utilizando la misma presin de
vapor.
Una tcnica efectiva es la del mbolo compensador.
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mbolo compensador
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En las instalaciones modernas, una mejora en el
vaco del condensador de 1 mm de Hg, es decir, de
un 1,3%, para una presin atmosfrica de 760 mm
de Hg, equivale a una elevacin de la presin en la
caldera de 1 atm.
Una mejora en el vaco del condensador de un 1%
(entre 90% y 95%), determina una disminucin en el
consumo de vapor de un 2% a un 3% por Kw.
Una mejora de 1C en la temperatura Ts de salida del agua de refrigeracin, determina una mejora del
orden de un 0,4% en el grado de vaco del
condensador.
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