Turbina de Vapor
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que
transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un
intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el
vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o
álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el
intercambio energético.
El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse
a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para
transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes
directores
Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de
las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la
energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella
el eje al que está unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias
etapas, en las que la presión va disminuyendo
de forma escalonada en cada una de ellas.
La turbina se compone de tres partes principales:
• El cuerpo
del rotor, que contiene las coronas giratorias de alabes
• La
carcasa, conteniendo las coronas fijas de toberas
• Alabes
Además, tiene una serie de elementos estructurales,
mecánicos y auxiliares, como son cojinetes, válvulas de regulación, sistema de
lubricación, sistema de refrigeración, virador, sistema de control, sistema de
extracción de vahos, de aceite de control y sistema de sellado del vapor.
El rotor:
El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con
ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de
diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los
alabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de
una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar
los alabes.
Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de
cromo-hierro, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor
y las velocidades necesarias. Son criticas las últimas etapas por la
posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los alabes.
Por ello se fija una cinta de metal satélite soldado con soldadura de plata en
el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosión.
La carcasa:
La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida
a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas
contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan
de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de
trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de
materiales más resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe
ser de un 10% para las últimas etapas.
Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante
que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se
enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante
suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y
permite desmontarla con mayor facilidad.
Alabes:
Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor
del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos,
fijándolos a su posición por medio de un pequeño seguro, en forma perno, o
mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se
remachan, y los más largos a menudo se amarran entre si con alambres o barras
en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
Válvula de regulación:
Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los
elementos más importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente
con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o
neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la
velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la
turbina.
Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales:
Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando,
y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos
de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia
establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por
observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado
deficiente.
Cojinete de empuje o axial:
El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del
rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el
efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se
encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma
parte solidaria con el eje.
El cojinete está construido en un material blando y
recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y
el cojinete. Además, debe encontrarse convenientemente lubricado.
Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la
medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma
constante el desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, el sistema
de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta
en marcha.
Sistema de lubricación:
Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para
asegurar la circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar
equipado con tres bombas:
• Bomba
mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre
que este girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión
de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta
bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al
menos una bomba adicional
• Bomba
auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la
correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este
servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas
revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de
la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas
de la turbina.
• Bomba de
emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta,
esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que las turbina
se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para
evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de
emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de
baterías.
Sistema de extracción de vahos:
El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la
atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una
posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de
lubricación suele ir equipado con un extractor.
Sistema de refrigeración de aceite:
El aceite en su recorrido de lubricación se calienta
modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes,
llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de
lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos
intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se
evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al
circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.
Sistema de aceite de control:
Cuando la válvula de regulación se acciona oleo
hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para
el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente
entre los 50 y los 200 bares de presión hidráulica. El sistema de control
gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la
válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada.
Sistema de sellado de vapor:
Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón,
que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar
que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la
turbina.
Virador:
El sistema virador consiste en un motor eléctrico o
hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando
no está en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio
peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy
baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se
vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna
razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina,
inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de
arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
Compensador:
Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el
resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador
o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios
de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y
amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones.
La energía del vapor puede convertirse a energía eléctrica mediante un arreglo de turbina y generador. El vapor sobrecalentado y altamente presurizado de la caldera se expande en la turbina de vapor, que transforma la energía calorífica del vapor a energía cinética, para posteriormente transformarse en eléctrica por el generador.
El exceso de calor del vapor a baja presión se convierte en agua caliente dentro de un condensador y se pasa ya sea a una red para calentamiento o simplemente se recircula a la caldera.
Ecuación de continuidad de la Turbina de Vapor
Primera ley de Termodinámica para Turbinas cerradas
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