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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Turbinas de gas Profesor: Félix ortega

integrante: Jorge mollega c.i: 26.225.892

Puerto Ordaz, octubre de 2018

INDICE:

pág.

Introducción……………………………………………....……………….…1 1. Definición, descripción y funcionamiento de una planta termoeléctrica. 2. El ciclo de Carnot con vapor de agua 3. Ciclo de Rankine. 4. Rendimiento térmico del ciclo de Rankine. 5. Formas de mejorar el rendimiento térmico del ciclo de Rankine. 6. rendimiento global de una planta. 7. Generadores de vapor: Descripción de sus componentes. Clasificación más usada. 8. Turbina de vapor: 9. Clasificación. 10. Turbina de Ljunströn. 11. Turbina de vapor De Laval. 12. Turbinas de vapor axiales de varios escalonamientos: Tipo Curtís, Rateaux, Parson´s. 13. Disposiciones de las turbinas de vapor en las plantas termoeléctricas.

Introducción: Actualmente, el término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores.

1. Definición, descripción termoeléctrica:

y

funcionamiento

de

una

planta

 Definición: Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada por combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica, liberando dióxido de carbono a la atmósfera. Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, de energía solar, térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia. Las centrales termoeléctricas no nucleares, particularmente las de combustibles fósiles se conocen también como centrales térmicas o centrales termoeléctricas convencionales.  Descripción: Una central termoeléctrica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental, y en ella se produce la combustión del carbón, fuelóleo o gas. El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido (agua) contenido dentro de ella La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, pre calentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, sobre calentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos, etc.

 Funcionamiento: El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo. El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.

2. El ciclo de Carnot con vapor de agua: Es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor 𝑄1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor 𝑄2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, por lo que el ciclo puede invertirse y la máquina absorbería calor de la fuente fría y cedería calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría (para mantenerla fría) se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor. El ciclo de Carnot es el más eficiente de los ciclos que operan entre dos límites especificados de temperatura. Así, es natural considerar primero a este ciclo como un prospecto de ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Si fuera posible, se adoptaría como el ciclo ideal.

Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura, como se muestra en la (figura 2-a). El fluido se calienta de manera reversible e isotérmicamente en una caldera (proceso 1-2); se expande isentrópicamente en una turbina (proceso 2-3); se condensa reversible e isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4), y se comprime de manera isentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (proceso 4-1). Con este ciclo se asocian varias situaciones imprácticas: 1. La transferencia isotérmica de calor hacia o desde un sistema de dos fases no es difícil de alcanzar en la práctica, porque una presión constante en el dispositivo fija automáticamente la temperatura en el valor de saturación. Por consiguiente, los procesos 1-2 y 3-4 pueden aproximarse bastante a los de las calderas y los condensadores reales. Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura máxima que puede utilizarse en el ciclo (tiene que permanecer debajo del valor del punto crítico, el cual es de 374 °C para el agua). Restringir la temperatura máxima en el ciclo limita también la eficiencia térmica. 2. El proceso de expansión isentrópica (proceso 2-3) puede aproximarse bastante mediante una turbina bien diseñada. Sin embargo, la calidad del vapor disminuye durante este proceso, como se observa en el diagrama (T-s de la figura 2-a). Por lo tanto, la turbina tiene que manejar vapor con baja calidad, es decir, vapor con un alto contenido de humedad. El choque de gotas líquidas sobre los álabes de la turbina produce erosión y es una de las principales fuentes de desgaste. Así, el vapor con calidades menores a 90 por ciento no puede ser tolerado en la operación de centrales eléctricas. Este problema podría eliminarse utilizando un fluido de trabajo con una línea muy inclinada de vapor saturado. 3. El proceso de compresión isentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una mezcla de líquido y vapor hasta un líquido saturado. Hay dos dificultades asociadas con este proceso: primero, no es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan precisa como para obtener finalmente la calidad deseada en el estado 4; y segundo, no es práctico diseñar un compresor que maneje dos fases. Algunos de estos problemas pueden eliminarse al ejecutar el ciclo de Carnot de manera diferente, como se muestra en la figura 2-b). Sin embargo, este ciclo presenta otros problemas, como la compresión isentrópica a presiones extremadamente altas y la transferencia isotérmica de calor a presiones variables.

Figura 1. Diagama T-s, para dos ciclos de Carnot. 3. Ciclo de Rankine: El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo surge como una mejora del Ciclo de Carnot al buscar tener una mejor relación de trabajo (trabajo útil respecto del trabajo total). El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos: 1-2 Compresión isentrópica en una bomba. 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera. 3-4 Expansión isentrópica en una turbina. 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

Descripción de un proceso de Rankine ideal simple: El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se condensa isentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua. El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. Él va por sobrecalentado en él estado 3 entra a la turbina donde se expande isentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conecta do a un generador eléctrico. La presión y la temperatura del va por disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. El vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo Figura 2. Ciclo básico de una turbina de vapor.

4. Rendimiento térmico del Ciclo Rankine: Se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada. La ecuación que describe el rendimiento de este ciclo es:

𝜂=

𝑊̇𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 − 𝑊̇𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ; 𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑄̇𝑠𝑢𝑚

𝑄̇𝑠𝑢𝑚 : Calor suministrado. (Potencia térmica de entrada). 𝑊̇𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 : Energía generada por la turbina. = 𝑚̇ × (ℎ1 − ℎ2 ) 𝑊̇𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 : Energía absorbida por la bomba. = 𝑚̇ × (ℎ4 − ℎ3 ) 𝑚̇: Caudal másico.

5. Formas de mejorar el rendimiento térmico del ciclo de Rankine: Para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:  Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina.  Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.  Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.  Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalendatores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.

 Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan. 6. rendimiento global de una planta: El rendimiento es el cociente entre la energía generada (eléctrica y/o térmica) en un periodo de tiempo y la energía térmica aportada en forma de combustible o vapor en el mismo periodo, ambos expresados en las mismas unidades. 𝜂=

𝐸𝑒 𝑄

Dónde: Ee: Energía generada (eléctrica y/o vapor) en un periodo de tiempo. Q: Energía aportada en forma de combustible y/o vapor en un periodo de tiempo. 𝜂:Rendimiento(%). El rendimiento se expresa en forma de porcentaje y se refiere bien a las condiciones estándar indicadas en la norma ISO 3977 o bien de acuerdo a las condiciones ambientales y de carga. Los valores habituales oscilan en ciclo abierto son de 30% a 35% y en ciclo combinado de 50% a 60%. El Heat Rate (HR) o consumo específico es otra forma de indicar el rendimiento para turbinas de gas, se define como la cantidad de energía térmica producida por el gas de combustión expresada en kJ o en BTU necesaria para generar un kWh de energía eléctrica. 𝐻𝑅 =

𝑄 𝐸𝑒

Ya que las unidades en que se expresa el HR son kJ/kWh y que un kJ equivale a un kWseg. 7. Generadores de vapor: Descripción Clasificación más usada:

de

sus

componentes.

Son máquinas que su principal función es producir vapor para ser utilizado en la generación de energía mecánica y energía eléctrica, y para la alimentación a equipos de procesos. Se ha llegado a plantear que el generador de vapor es el corazón de toda la industria moderna.

Descripción de sus componentes -Partes sometidas a presión: a.- Superficie de calefacción de la caldera. b.- Tanques de almacenamiento de agua y vapor. c.- Superficies de sobrecalentamiento y recalentamiento. - Equipos de combustión: a.- Quemadores. (Combustibles líquidos) b.- Alimentadores. (Carbón en pedazos) - Órganos auxiliares: a.- Preparación del combustible. b. -Sistema de tiro. c.- Remoción de cenizas. d.- Instrumentación y control. Clasificación: Acuotubulares: es aquel generador donde el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación. Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes, debido a la circulación de los gases de escape. No confundir esta definición con la de un intercambiador de calor. 8. Turbinas de vapor: La turbina de vapor es un motor térmico cíclico rotativo, de combustión externa, que movido por vapor produce energía mecánica. El vapor entra a alta presión y temperatura, y se expansiona en la turbina, transformando una parte de su entalpía en energía mecánica. A la salida de la turbina, el vapor ha perdido presión y temperatura. Al igual que en el caso de las turbinas de gas, el eje suele estar acoplado a un generador directamente o a través de un reductor, donde se transforma la energía mecánica en eléctrica

Funcionamiento: En una caldera se obtiene el vapor haciendo hervir agua. El combustible para calentar el agua puede ser gas, petróleo, carbón o incluso uranio en las centrales nucleares. El vapor de agua producido es un vapor a mucha presión (alta presión) y con alta velocidad. A través de unos tubos, llamado toberas, el vapor generado en la caldera se lleva hasta la turbina. Este vapor conducido por las toberas hasta la turbina, donde golpea los álabes (paletas) y hace girar el rotor.

Figura

3.

Representación

de

las

partes

de

una

turbina

de

vapor.

A una fila de álabes se le llama carrete. Una turbina está formada por varios carretes y cada carrete tiene varios álabes. Una vez que el vapor sale de la turbina ha perdido su fuerza y parte de su calor, pero el vapor que quede a la salida se aprovecha al condensarlo (convirtiéndolo de vapor gaseoso a líquido) y llevarlo a la caldera para posteriormente volver a calentarlo y utilizarlo de nuevo en el circuito. Es un circuito cerrado de vapor-líquido. De esta forma se aprovecha el calor y la presión residual del vapor a la salida de la turbina siendo mucho menores las pérdidas que si se enviara al exterior (a la atmósfera) perdiéndolo. Las pérdidas son menores y el rendimiento de la máquina es mucho mayor al ser un circuito cerrado. La forma de condensar el vapor a la salida de la turbina es mediante lo que se conoce como un condensador, simplemente son unos tubos de agua fría, que al entrar en contacto con el vapor de la turbina, enfrían el vapor y lo condensa. El vapor así condensado, ahora líquido, todavía tiene calor y por lo tanto llega a la caldera con ese calor, lo que hará más fácil (que se gaste menos energía) pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo.

Para mejorar el rendimiento, a veces, las turbinas tienen enganchado a su eje dos o tres turbinas diferentes, de tal forma que el vapor golpea primero la primera, después la siguiente y así una a una hasta salir por la última. Lo que se logra con esto es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, golpeando varias turbinas, en lugar de solo una. Se trata de que salga de la turbina con la mínima presión, y que toda la energía que tenía se aproveche al máximo antes de que salga de la turbina. Si tiene 3 turbinas, se llaman respectivamente, turbina de alta, de media y de baja presión. La primera será la que golpea el vapor en alta presión, la segunda turbina será golpeada con vapor a media presión y la última a baja presión.

9. Clasificación: Tipos de turbinas de vapor. La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multietapa o monoetapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación). I.

Según la forma de aprovechamiento de la energía. 



II. 

Turbinas de acción: El cambio o salto entálpico o expansión es 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 sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad. Turbinas de reacción: La expansión, es decir, el salto entálpico del 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 reacción pura neta. Según el número de etapas. Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.



III.

Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada). Según la dirección del Flujo de Vapor.



Turbina de flujo axial: Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.



Turbina de flujo radial: Las turbinas radiales de fluido compresible son las turbomaquinas térmicas capaces de aprovechar la energía proveniente del fluido en forma de impulso rotatorio. En ella los gases fluyen radialmente en relación al eje de la máquina. Son las más utilizadas para demandas pequeñas de potencia ya que conjugan una relativa sencillez constructiva con un diseñó robusto, de fácil mantenimiento y un costo menor que las axiales. Además de esto, las turbinas radiales pueden manejar niveles de flujo más lentos que los que podría manejar una axial.

IV. 

V.

Con extracción de vapor. Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales. Según la presión de salida del vapor.



Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior.



Turbinas de condensación: El vapor sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que

a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.

10. Turbina de Ljunstron: La turbina Ljungström es una turbina de vapor especial desarrollada a principios del siglo XX por los hermanos suecos Birger (1872-1948) y Fredrik Ljungström (1875-1964).

Funcionamiento. El vapor fluye en sentido radial desde el interior hacia el exterior a través de la máquina, que se compone de dos mitades que giran una hacia la otra, en sentido contrario. Como resultado, cada pala de rotor de una de las mitades sirve simultáneamente como pala de guía de la otra mitad. El diferente sentido de rotación de las dos mitades es compensado por un engranaje o, en el caso de la generación de energía eléctrica, por dos generadores separados. La turbina Ljungström se puede utilizar como condensador o como fuente de alimentación para un sistema de calefacción urbana y, por tanto, es flexible en su uso. Así pues, ha tenido grandes aplicaciones industriales, que han sido capaces de utilizar tanto el vapor de escape de este motor para la cogeneración como su energía eléctrica. En principio, la potencia máxima era de 32 MW ya que las dos mitades de las turbinas no podían construirse de cualquier tamaño. Vinculada a la turbina Parsons, su rendimiento podía aumentar hasta 50 MW. Dado que las actuales centrales de vapor tienen una producción significativamente mayor, la turbina Ljungström ya no se fabrica. Figura de turbina Ljungström:

11. Turbina de vapor De Laval: El motor Laval es una turbina que utiliza directamente la fuerza viva del vapor; pero diferenciándose esencialmente de los aparatos del mismo género, en que el vapor llega a efectuar su trabajo completamente expansionado y no ejerce su esfuerzo sobre los dientes o paletas del disco, sino como consecuencia de la velocidad adquirida en esta previa expansión. En ella el vapor entra por unas toberas de admisión en las cuales se expande. Su expansión significa una caída de presión gradual en la tobera acompañada de un considerable aumento de volumen y de velocidad. En la expansión el volumen se ve incrementado en 2.050 veces su volumen de entrada. La corriente de vapor a alta velocidad que fluye y sale de las toberas, incide convenientemente dirigida sobre la única rueda de álabes móviles calada sobre el eje que tiene esta turbina. Puede observarse el perfil simétrico de estos álabes de acción. La rueda de álabes que es solidaria al eje, hace girar a este obteniéndose una potencia disponible. El vapor que pasa por los álabes finalmente sale por el escape.

Figura 5 de Turbina De Laval.

Funcionamiento. Se compone en principio de un disco con eje horizontal, provisto en la proximidad de su contorno de dientes o paletas inclinadas, sobre las cuales el vapor obra después de haber sido conducido a una especie de anillo, del cual parten los tubos que vienen a morir en el contorno del disco, conforme se ve en la figura 5. El trazado interior de estos tubos está de tal modo hecho y calculado, que el vapor se expansiona completamente en el trayecto que efectúa desde las válvulas de admisión hasta las paletas del disco. Adquiere así en su expansión una velocidad considerable representada por 1000 a 1200 metros por segundo, la cual se comunica al disco gracias a la inclinación dicha de las paletas; sale por el otro lado, habiendo perdido casi toda su velocidad, a la cámara de escape, puesta en comunicación, ya con la atmósfera, bien con el condensador. En razón de la considerable velocidad adquirida por el vapor expansionado, el disco toma a su vez una velocidad de rotación que llega en algunas turbinas hasta 30.000 revoluciones por minuto; ya que es una velocidad demasiado alta, es necesario utilizar un reductor formado por un doble par de ruedas de engrane con dientes, inclinados 45º en un sentido para el primer par y en el otro para el segundo, oponiéndose así con ellos, además, mediante esta disposición, a los movimientos longitudinales del eje. Sobre este eje de las ruedas de engrane grandes, es sobre el que se asocia la armadura del dinamo. Un regulador de velocidad está montado sobre el eje que soporta las grandes ruedas estriadas del reductor y obra sobre la válvula de admisión. 12.Turbinas de vapor axiales de varios escalonamientos:

Figura 7. Triángulos de velocidades. Para obtener mayores potencias sin aumentar desmedidamente el caudal de vapor (y por lo tanto el tamaño de la máquina y del generador de vapor) es necesario aumentar el salto entálpico, es decir, la presión 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 ángulo de la paleta, rápidamente se llega a ángulos de paleta muy pequeños y velocidades relativas muy altas, lo que causa grandes pérdidas por rozamiento en la paleta móvil. Otra solución es incrementar U para que no disminuya tanto el ángulo. Pero como la aplicación más frecuente de las turbinas de vapor es para la generación de electricidad, la velocidad de rotación de la turbina está fijada por la del alternador, para producir corriente alterna de 50 (o 60 en los EEUU) ciclos: 3000, 1500, etc. rpm (3600, 1800, etc). Con velocidades de rotación fijas, mayores U implican mayores diámetros, y el tamaño de la turbina resulta excesivo por razones mecánicas (fuerzas centrífugas, creep, balanceo dinámico). Se apela entonces a la solución de dividir el salto entálpico en dos o más etapas, lo que se denomina escalonamiento. Al planear el escalonamiento se puede elegir entre dividir la caída de velocidad absoluta entre dos o más ruedas móviles, o bien dividir la caída de presión estática entre dos o más ruedas fijas. El primero es el escalonamiento tipo Curtis y el segundo el escalonamiento tipo Rateau. Escalonamiento tipo Curtis. Estas turbinas toman la energía del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominado al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el ingeniero Curtís y por tal razón esta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtis. La admisión del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben vapor, los otros alabes trabajan en vacío.

Figura 6. Turbina Curtis con dos etapas de velocidad. Rendimiento de la turbina Curtis El rendimiento de una turbina Curtis es inferior al de coronas simples, pero las pérdidas por rozamiento de los discos son más reducidas, por cuanto la rueda Curtis no lleva más que un solo disco; estas pérdidas mecánicas son proporcionales al peso específico del vapor, por lo que en aquellas turbinas de escalonamientos múltiples de presión (acción y reacción), la turbina Curtis va colocada siempre en cabeza, a la entrada del vapor procedente del recalentador.

Figura 30. Rendimiento de una turbina Curtis para: a) Una corona; b) Dos coronas; c) Tres corona Para una turbina Curtis de dos coronas y una relación cinemática, ξ1 = 0,2, la primera corona genera un 80% de la potencia total, y la segunda el 20% restante. Si la relación cinemática fuese, ξ1 = 0,285, la primera corona generaría aproximadamente un 95% de la potencia total, y la segunda el 5% restante. Escalonamiento tipo Rateaux. El francés Rateau construye en 1890 un tipo de turbina de acción, tangencial, que funciona con dos escalonamientos de presión. Posteriormente subdivide el salto térmico utilizado por la máquina en un gran número de escalonamientos de presión, dando lugar a la turbina Rateau multicelular, que a pesar de ser de acción, se la dota de un ligero grado de reacción en los últimos escalonamientos, a fin de aumentar la velocidad de paso y salida del

vapor y la consiguiente disminución de la altura de los álabes; el primer rodete de alta presión es de tipo Curtis, y lleva dos escalonamientos de velocidad.

Figura. 8 Esquema de una turbina Rateau.

Escalonamiento Tipo Parsons Esta turbina, muy empleada hoy día en los buques, lo mismo en los dedicados al comercio que en los de guerra, pertenece al tipo de turbinas de acción y reacción. La Figura 9 nos va a permitir apreciar la manera de accionar el vapor sobre las paletas. D D son las coronas de paletas directrices o guías, y G G las de giratorias; el vapor se encuentra, con una corona de las primeras y es guiado para accionar sobre las segundas, imprimiéndole al rotor un movimiento de rotación en el sentido que indican las flechas. Como la inclinación de las paletas giratorias es contraria u opuesta a la de las directrices, el vapor sufre un cambio de dirección, y atravesando esta corona de paletas, pasa a otra de las directrices; pero como el tambor a su vez ha girado, esta masa de vapor que consideramos entrará en unas directrices que no pertenecen o se encuentran en la misma generatriz que las primeras. La velocidad que el vapor adquiere es muy grande; prácticamente la que alcanza en la turbina puede evaluarse en unos l00 metros por segundo, sabiendo que la

velocidad que comunica a las paletas es de 3 a 8 décimas de esta velocidad; es decir, que la velocidad lineal de las paletas (producto del número de vueltas por segundo por la circunferencia media de las paletas) es de 30 a 80 metros por segundo. A medida que el vapor recorre las distintas coronas de paletas de rotor y gira, va perdiendo en presión; no sólo desciende la presión de uno a otro extremo de la turbina, sino que también hay un descenso en la temperatura, debido al trabajo útil generado al imprimirle al rotor el movimiento de rotación, venciendo las resistencias que el propulsor o aparato acoplado al eje encuentre en su marcha.

Figura 9. Dirección del vapor sobre las paletas. Se sabe que al atravesar el vapor las coronas de paletas, resulte una pérdida de energía por fricción con ellas; pérdida inevitable, pero tanto menor cuanto más suaves sean las superficies de las paletas; además, el agua producida por la condensación del vapor hace un efecto análogo, y de ahí el empleo beneficioso del vapor recalentado. El aumento de volumen del vapor se encuentra favorecido por los espacios de expansión que existen entre las distintas series de paletas, por la mayor altura de estas y, por consiguiente, diámetros crecientes de la turbina, por la forma, curvatura y separación de ellas.

13. Disposiciones de las turbinas de vapor en plantas termoeléctricas: Las turbinas de vapor, normalmente son utilizadas en las centrales termoeléctricas bajo ciclos combinados para obtener el mayor rendimiento posible. Al ser conectadas a generadores acordes a la potencia que estas puedan producir, permitirán generar grandes cantidades de energía eléctrica, durante ciertos periodos de tiempo.

Dependiendo de las necesidades de la planta, estas turbinas pueden trabajar como principales, o turbinas auxiliares acorde de la distribución que tenga la planta. En ciertos casos, se utilizan turbinas de avión, las cuales son reacondicionadas para ser usadas como turbinas auxiliares en ciertas empresas, cuyo consumo eléctrico requiera ser continuo y en la magnitud que estas turbinas puedan producir.

Conclusión:

Gracias al desarrollo de esta tecnología, lugares en donde no es factible construir represas hidroeléctricas, o instalar una turbina pelton, se puede construir una planta termoeléctrica, ya que, esta ocupa mucho menos espacio, y en cierta manera es rentable para la población. Estas plantas al estar bien diseñadas, pueden generar un grado de contaminación mucho menor al que genera una planta nuclear. A pesar de que estas plantas utilicen combustibles fósiles para generar el calor necesario para producir el vapor que requieren las turbinas de vapor, existen actualmente investigaciones que buscan combustibles alternativos que generen menor grado de contaminación, con el mismo poder calorífico que las convencionales, así como el uso de ciclos combinados para aprovechar en mayor medida toda la energía que estos combustibles fósiles puedan producir por su combustión.

Bibliografía:

 https://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Ljungstr%C3%B6m  https://prezi.com/uycy5pqhc3co/rendimiento-de-plantas-de-generacion-electrica/  http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1815-59442014000200006  http://www.xtec.cat/~cgarci38/ceta/tecnologia/turbinas.htm  https://es.scribd.com/document/347176595/Turbina-Laval

 https://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica