Universidad Fermín Toro.

Facultad de Ingeniería.

Cabudare-Edo. Lara.

Turbina de Vapor.

(Informe Técnico)

Integrantes:

Ixis Yepez.

C.I.:23.486.810.

Universidad Fermín Toro.

Facultad de Ingeniería.

Cabudare-Edo. Lara.

Turbina de Vapor.

(Informe Técnico)

Resumen.

Una turbina de vapor es una turbo máquina 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, una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las

turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que

pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el

vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión.

En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que,

típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En la estructura

de una turbina se pueden distinguir, el rotor y el estator. La turbina de vapor es muy

utilizada para referirse a una máquina motora la cual cuenta con unos conjuntos de turbinas

para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores

en el siguiente informe desarrollaremos a mayor amplitud la estructura de las turbinas de

vapor, su clasificación y elementos y algunas prevenciones que se deben tener en cuenta

para el mantenimiento preventivos de los equipos.

Contenido

Resumen .............................................................................................................................................. 2

Introducción. ....................................................................................................................................... 4

Turbina de vapor: ................................................................................................................................ 5

Turbinas de acción .................................................................................................................. 5

Turbinas de reacción ............................................................................................................... 5

¿Cómo Funciona una Turbina de Vapor? ............................................................................................ 5

Turbinas mono etapa .............................................................................................................. 7

Turbinas multietapa ................................................................................................................ 7

Contrapresión .......................................................................................................................... 7

Escape libre ............................................................................................................................. 8

Condensación .......................................................................................................................... 8

Axiales ..................................................................................................................................... 8

Radiales ................................................................................................................................... 8

Turbinas con y sin extracción .................................................................................................. 8

Elementos de las turbinas de vapor: ................................................................................................... 8

Cada elemento de una turbina viene caracterizado por una serie de criterios, como ....................... 9

Características mecánicas ................................................................................................................... 9

El 70% de la energía que se genera en el mundo emplea turbinas de vapor como equipo que

acciona el generador. ........................................................................................................................ 11

Circuito de vapor a través de una turbina: ................................................................................... 12

Sistemas de vacío y condensado en turbinas de condensación. .................................................. 12

Principales averías que se pueden presentar en las turbinas de vapor: ....................................... 13

Los principales problemas que pueden presentarse en una turbina de vapor se indican a

continuación: ................................................................................................................................. 13

Para el buen funcionamiento de las turbinas de vapor, se sugiere realizar mantenimiento ....... 13

Conclusión. ........................................................................................................................................ 15

Introducción.

Hoy en día la mayor parte de las turbinas están diseñadas para el flujo axial de

vapor de gas por lo cual en el informe desarrollaremos el estudio y funcionamiento de una

turbina de vapor

El vapor fluye hacia afuera en dirección radial a través de álabes en rotación. Juegos de

álabes alternativos giran en direcciones opuestas, por lo cual son posibles velocidades de

vapor relativamente altas, lo que implica buena performance. Se han construido numerosas

pequeñas turbinas de flujo radial, sea con flujo del exterior hacia el eje o vice versa.

Las turbinas de vapor tienen la temperatura máxima limitada a unos 540 a 600ºC. Las

presiones máximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa

El desarrollo de la turbina a vapor es el producto de los esfuerzos de muchos

investigadores, entre los que destacan cuatro nombres. Durante la década de 1880 G.C.P.

de Laval produjo las primeras turbinas a vapor de importancia comercial. Esta era una

máquina simple de una etapa, y el diseño básico fue mejorado

por C.G.Curtis y A.C.E.Rateau (a través de escalonamientos de velocidad y de presión

respectivamente). Las máquinas anteriores son todas del tipo acción; C.A.Parsons,

trabajando en forma independiente con un enfoque diferente produjo una turbina a reacción

exitosa.

Turbina de vapor:

Una turbina de vapor transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a

través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el 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. En la turbina se transforma la energía interna del

vapor en energía mecánica que, normalmente, se transmite a un generador para

producir electricidad. 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.

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.

La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por sir Charles Parsons, cuyo primer

modelo fue conectado a una dinamo que generaba 7.5 kW (10 hp) de potencia. La

invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible una electricidad barata y

abundante y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval.

Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado de reacción:

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 estátor, cuando este salto ocurre únicamente en el

rotor la turbina se conoce como de reacción pura neta.

¿Cómo Funciona una Turbina de Vapor?

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. Una olla (caldera) y la salida de vapor por el agujero de la olla.

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, al llegar a la turbina golpea

los álabes (paletas) y hace girar la turbina y su eje. El eje de la turbina se llama rotor.

Puedes ver las partes de la turbina de vapor en la imagen anterior. La caldera no forma

parte de la turbina propiamente dicha, es un elemento externo a la turbina.

A una fila de álabes se le llama carrete. Se observar que una turbina está formada por

varios carretes y cada carrete tiene varios álabes.

En definitiva la energía química del combustible utilizado para calentar el agua se

transforma en energía cinética (movimiento rotación del eje).

Si el rotor está enganchado, por ejemplo, a una dinamo o un generador de electricidad, al

moverlo producirá corriente eléctrica.

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 lo aprovecharemos condensándolo (convirtiéndolo de vapor

gaseoso a líquido) y lo volveremos a llevar a la caldera para posteriormente volver a

calentarlo y utilizarlo de nuevo en el circuito.

Como ves es un circuito cerrado de vapor-líquido. De esta forma aprovechamos el calor y

la presión residual del vapor a la salida de la turbina siendo mucho menores las pérdidas

que si lo enviáramos 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 pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo.

Clasificación de las turbinas de vapor:

Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado:

Según el número de etapas o escalonamientos:

Turbinas mono etapa, son turbinas que se utilizan para pequeñas y medianas

potencias.

Turbinas multietapa, aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada,

y además interesa que el rendimiento sea muy alto.

Según la presión del vapor de salida:

Contrapresión, en ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el

proceso.

Escape libre, el vapor de escape va hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas

despilfarra la energía pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos

como calentamiento, etc.

Condensación, en las turbinas de condensación el vapor de escape es condensado

con agua de refrigeración. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en

máquinas de gran potencia.

Según la dirección del flujo en el rodete.

Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo un con que tiene el mismo eje que la

turbina. Es el caso más normal.

Radiales, el paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones

perpendiculares al eje de la turbina.

Turbinas con y sin extracción, En las turbinas con extracción se extrae una

corriente de vapor de la turbina antes de llegar al escape.

Elementos de las turbinas de vapor:

Estator o carcasa, parte fija que aloja el rotor y sirve de armazón y sustentación a la

turbina.

Rotor, es la parte móvil de la turbina.

Álabes, órganos de la turbina donde tiene lugar la expansión del vapor.

Álabes fijos, van ensamblados en los diagramas que forman parte del estator. Sirven

para darle la dirección adecuada al vapor y que empuje sobre los álabes móviles.

Diafragmas, son discos que van dispuestos en el interior de la carcasa

perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los álabes fijos.

Cojinetes, son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la

turbina. Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los

esfuerzos verticales y el peso del eje, o axiales, soportan el esfuerzo en la dirección

longitudinal del eje.

Sistemas de estanqueidad, son aquellos sistemas de cierre situados a ambos

extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina.

Sellados del rotor, son elementos mecánicos que evitan que escape vapor de la

turbina al exterior, por los lados del eje en las carcasas de alta y de media presión y

además evitan la entrada de aire en las carcasas de baja presión. Pueden ser de metal

o de grafito. Normalmente en las máquinas de gran potencia los cierres son

metálicos de tipo laberinto.

Regulación del sistema de sellado en una turbina de condensación.

Estanqueidad interior, son los mecanismos que evitan la fuga de vapor entre los

álabes móviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina.

Cada elemento de una turbina viene caracterizado por una serie de criterios,

como:

Su función, solicitaciones de que es objeto, dimensiones, tipo de fabricación., que

permiten elegir los materiales idó- neos que aseguren los servicios exigidos en el

funcionamiento, en las mejores condiciones económicas posibles.

Características mecánicas:

Las características mecánicas de los metales se modifican extraordinariamente con

la temperatura; en los aceros, a partir de los 400°C aparece el fenómeno de fluencia, que

modifica su resistencia mecánica y su resiliencia, disminuyendo el módulo de elasticidad.

La fluencia afecta a los mecanismos que se encuentran a temperaturas elevadas y están

sometidos a esfuerzos de tracción prolongados, tales como las aletas móviles o los

armazones de AP. Para determinadas piezas, el material constitutivo debe tener una buena

resiliencia en caliente y conservarla en frío, lo que conduce a fenómenos de relajación. La

variación del módulo de elasticidad produce una modificación en las frecuencias propias de

vibración de las aletas. Características físicas y químicas

Los materiales deben presentar a temperaturas elevadas una buena estabilidad

estructural durante un espacio de tiempo muy prolongado; la no estabilidad se caracteriza,

generalmente, por la fragilidad de algunos aceros débilmente aleados debido al fenómeno

de grafitización y por fenómenos de precipitaciones cristalinas, (combinación del cromo

con el carbono libre), que se manifiestan sobre todo en los aceros 18-8 - Los materiales

deben presentar una buena resistencia a la oxidación y a la corrosión; las aletas de BP

tienen que presentar una dureza superficial que las permita resistir la erosión sin dejar por

ello de ser mecanizables por medios convencionales.

En algunos elementos, la soldadura es el único modo de montaje aconsejado por

consideraciones de resistencia y construcción, por lo que se necesitan materiales que sean

soldables y que no se hagan frágiles por la soldadura. El acero es el material que se utiliza

en la construcción de las turbinas de vapor; para hacer frente a los imperativos señalados se

alea con otros elementos que mejoran sus cualidades, como el níquel, cromo, molibdeno,

vanadio, volframio, titanio, niobio, manganeso, algunos de estos materiales son costosos,

por lo que su utilización tiene una gran influencia en el coste de la máquina; a título

indicativo, un acero austenítico con un porcentaje elevado de níquel cuesta

aproximadamente cien veces más que un acero ordinario.

Alabes de la corona del rotor:

Un álabe móvil consta de:

El pie que asegura la unión con el disco o el tambor.

El cuerpo que recibe la acción del vapor

La cabeza unida generalmente a las aletas vecinas.

Las formas y disposiciones elegidas resultan de compaginar las exigencias de la resistencia

de los materiales y las del movimiento del vapor; el trazado de las aletas de BP,

fuertemente solicitadas por la acción del vapor y las fuerzas centrífugas, es muy delicado.

En los escalones de cabeza de la AP, los álabes operan a temperaturas próximas a la

máxima temperatura del vapor, por lo que hay que tener en cuenta la fluencia, que no debe

superar nunca una deformación del 0,2% (límite elástico) al cabo de 100000 horas de

funcionamiento. A fin de resistir la erosión ocasionada por las gotas de agua arrastradas por

el vapor en las últimas etapas, las aletas de BP presentan a menudo una arista de entrada

templada o recubierta de stellita en la proximidad del extremo. Los perfiles de las aletas

permanecen sensiblemente iguales de un constructor a otro; no sucede lo mismo con las

formas de fijación, que presentan una gran diversidad, como se indica en los ejemplos que

se presentan.

El 70% de la energía que se genera en el mundo emplea turbinas de vapor como

equipo que acciona el generador.

Además de las centrales de ciclo combinado, muchas otras emplean turbinas de vapor como

equipo principal:

- Centrales de biomasa

- Centrales termo solares

- Centrales térmicas de carbón

- Centrales nucleares

- Plantas de cogeneración

Circuito de vapor a través de una turbina:

Turbinas de contrapresión.

Turbinas de condensación

Turbinas de extracción y condensación.

A. Válvulas de parada, actúan por seguridad de la turbina y en situaciones de

emergencia. Tienen la misión de cortar el flujo de vapor de entrada.

B. Válvulas de control y regulación, válvulas de vapor de entrada que proporcionan

el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la turbina.

Sistemas de vacío y condensado en turbinas de condensación.

o Condensador, su función es establecer el mayor vacío posible eliminando el calor de

condensación del vapor de agua.

o Eyectores, se encargan de eliminar los gases incondensables que hay en el

condensador, procedente de las fugas de aire y de los gases disueltos en el

condensado, etc.

o Bombas de condensado, tienen por misión desalojar el condensado producido en el

escape de la turbina. Problemas si el nivel de condensado es demasiado alto y no

quedan tubos libres para condensar el vapor.

o Purgas de condensado del cuerpo de la turbina y líneas de vapor de entrada y salida,

sistema que permite la eliminación del condensado de equipo y líneas cuando la

turbina está en situación de parada y puesta en marcha.

Principales averías que se pueden presentar en las turbinas de vapor:

Igual que sucede en otras máquinas térmicas, detrás de cada avería grave suele haber una

negligencia de operación o de mantenimiento, ya que las turbinas suelen ser equipos

diseñados a prueba de operadores.

Los principales problemas que pueden presentarse en una turbina de vapor se indican

a continuación:

ALTO NIVEL DE VIBRACIONES

FALLOS DIVERSOS DE LA INSTRUMENTACIÓN

FUGA DE VAPOR

FUNCIONAMIENTO INCORRECTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL

DIFICULTAD O IMPOSIBILIDAD DE LA SINCRONIZACIÓN

BLOQUEO DEL ROTOR POR CURVATURA DEL EJE

Para el buen funcionamiento de las turbinas de vapor, se sugiere realizar

mantenimiento

Preventivo: Al ser un equipo en general bien conocido (es la máquina térmica más

antigua), los fabricantes suelen haber resuelto ya la mayor parte de sus problemas de

diseño. Por tanto, una operación cuidadosa y un adecuado plan de mantenimiento

programado se traducen necesariamente en una alta disponibilidad

Mensual: tomando muestra de aceite para análisis, comprobación de lubricación de

reductor y de alternador, análisis del espectro de vibración en turbina, reductor y

alternador, a velocidad nominal

Anual: Si se realizan todas las actividades que se detallan en esta lista, en realidad

se están eliminando todas las causas que provocan las averías más frecuentes. Si se

compara esta lista de tareas con la lista de averías más frecuentes se puede

comprobar que esta revisión está orientada a evitar todos los problemas habituales

de las turbinas.

Limpieza y mantenimiento del cuadro de control. Curiosamente, muchas averías en

sistemas eléctricos y electrónicos están causadas por la suciedad. Mantener los cuadros en

su correcto estado de limpieza garantiza la ausencia de estos problemas

Prueba de potencia. Al finalizar la inspección será conveniente comprobar las prestaciones

de la turbina, especialmente la potencia máxima que es capaz de alcanzar

Inspección visual de los sellos laberínticos, por si se hubieran dañado desde la última

inspección

Verificación eléctrica del alternador. Es necesario verificar tanto el alternador como sus

protecciones. En el caso de que el personal habitual no tenga los conocimientos oportunos

es conveniente realizarlo con empresas especializadas

Conclusión.

En el presente informe logramos desarrollar ampliamente las calderas de vapor la

cual muestra su estructura y mantenimiento que se debe tener en cuenta para un buen

funcionamiento en la industria, en las calderas debemos tener presente su acción y reacción

ya que las mismas nos ayudaran en el salto entálpico

De su funcionamiento 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.

Por esta razón se debe tener presente su clasificación ya que de las mismas existen mono

etapa, multietapa, contrapresión, axiales radiales entre otras igualmente sus características

muestran la variación de la temperatura que se pueden mostrar de la misma

En la industria actualmente se pueden observar las diferentes tipos y características

de las caldera estas básicamente depende el tipo de trabajo que realice la empresa ya que

estas ayudara a definir el mantenimiento preventivo que debe tener el equipo en caso de

falla ya que los equipos que utilizan las mismas pueden parar una producción por falta de

stock de equipos para el cambio por esa razón se sugiere realizar mantenimiento

preventivo, mensual y anual en el que el anual son los mantenimientos que pueden

presentar las calderas por el tiempo de uso en largo plazo.