Introduction
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TURBINAS DE VAPOR |
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Webquest equipo#8 |
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Alan Hernández · Felipe Arroyo · Edwin Quesada |
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-INTRODUCCION-
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TURBINA DE VAPOR PRINCIPALES ELEMENTOS Y FUNCIONAMIENTO
Una turbina de vapor es una máquina que transforma la energía cinética del vapor de agua, a trabajo, y posteriormente a energía mecánica a través de un intercambiador de cantidad de movimiento.
Principales elementos de una turbina de vapor y su función.
Rotor: Su finalidad es convertir la energía cinética del vapor en energía mecánica rotativa. El rotor esta elaborado principalmente por aceros al carbón.
Carcasa: Cobre el rotor con la finalidad de que los gases no salgas a otro medio. Este elemento esta construido de fundición de acero, la cual permite soportar altas temperaturas e impide la deformación
Detector: Mide los desplazamientos horizontales del rotor, con la finalidad de que el rotor no se desplace en este sentido ya que las partes fijas y móviles pueden dañarse debido a que este movimiento se genera por las vibraciones mecánicas y no son benéfico para la turbina. Este elemento puede ser elaborado de cualquier material , ya que solo mide el desplazamiento del eje.
Cojinetes: Pone en contacto las partes fijas con las partes móviles, permiten el movimiento rotativo del rotor y lo mantiene lubricado disminuye la fricción.
Venteo de cojinetes: Elemento de salida que permite la salida de gases o vapor que se pueda generar en los cojinetes.
Toberas: Tubos por los cuales se inyecta el vapor a la turbina. Estan echas principalmente de aleaciones de níquel, esto con la finalidad de aguantar grandes temperaturas y presiones ocasionadas por los fluidos
Válvulas en las toberas :
*Válvula de regulación: Controla la entrada específica de vapor a la turbina.
*Válvula de stop o emergencia: Abre o cierra totalmente el paso de vapor.
Cierres laberinticos: Evitan la salida del vapor por las pequeñas ranuras que existe entre la carcasa y el eje del rotor.
Virador: (un motor eléctrico, compuesto por un sistema de engranes). Este elemento se usa cuando la turbina esta parada, y permite que la turbina siga girando a bajas revoluciones, esto debido a que cuando el eje se detiene por completo tiende a curvarse y perder su eje de simetría, esto debido a que el aire caliente se sitúa en la parte alta de la turbina y el aire frio abajo esto provoca la helgadura en el eje. El objetivo del virador es evitar este problema.
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 mas largos a menudo se amarran entre si con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
Para los álabes de turbinas de gas, los materiales más usados son las superalaciones de titanio o de níquel y las aleaciones de wolframio-molibdeno, esto debido a que operan solicitados a grandes esfuerzos de vibratorios para lo que requieren suficiente resistencia a fatiga. En particular, debe fabricarse con procesos cuidadosos para que soporte condiciones de desgaste y resonancia, así como funcionar óptimamente en función de las situaciones de presión, temperatura y viscosidad del fluido.
Compensador: Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación. 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.
PRINCIPALES FALLAS EN UNA TURBINA DE VAPOR
1.- Fallas en las válvulas de control:
Las válvulas de control se encargan de enviar el vapor procedente de la caldera a las toberas de admisión de la turbina. La energía que se produce en la expansión es muy grande en comparación con el tamaño de la válvula. Dicho salto entálpico puede producir holguras o fisuras en la válvula además de formar óxidos gracias a las elevadas temperaturas que posee el vapor. Los problemas comentados anteriormente pueden producir un mal funcionamiento de la misma lo que puede acarrear serios problemas pudiendo alcanzar, la turbina, velocidades superiores a las nominales y una consecuente ensalada de paletas.
2.- Falla en los álabes
En cada cuerpo de una turbina, ya sea de baja presión, alta presión o presión intermedia, los álabes aumentan su tamaño a medida que realizan escalonamientos debido a la expansión del vapor y su consecuente aumento de volumen. Por este motivo es esencial realizar cálculos de vibraciones, mediante espectros, para evaluar las frecuencias a las que está sometida cada rueda de álabes. A medida que los álabes poseen mayor longitud, tienen una frecuencia natural inferior y consecuentemente una frecuencia de resonancia inferior. En caso que la frecuencia de un álabe coincida con la frecuencia de resonancia se producirían vibraciones en el mismo que podría conllevar a la rotura del álabe.
3.-Vibraciones
Al tratarse de turbomáquinas que giran a gran velocidad, se debe tener muy en cuenta las vibraciones que se puedan ocasionar. Para evitarlo se realiza un equilibrado del rotor mediante unos pesos ubicados en unos orificios practicados en el eje . Para mayor seguridad se realizan ensayos no destructivos para el control de vibraciones mediante acelerómetros.
4.-Entrada de agua
Es la causa de fallo más frecuente en turbinas de vapor. En el momento que entra agua al cuerpo de la turbina, que está a una temperatura elevada, produce cambios térmicos en los elementos, como álabes, además de producir golpes contra los mismos pudiendo provocar desde un incremento del rendimiento hasta erosión en las partes mecánicas de la turbina. Se puede ver provocada, la entrada de agua a la turbina, gracias a retornos de líneas de purga o aperturas erróneas de diferentes válvulas.
5.-Tensión térmica
A diferencia de las turbinas de gas y los motores diesel, las turbinas de vapor carecen de buen comportamiento ante cambios rápidos de carga. Por ello en las etapas de puesta en marcha y apagado se debe tener en cuenta especialmente el fenómeno de tensión térmica.
El vapor cuando entra en contacto con una superficie fría, como lo es la turbina en la etapa de puesta en marcha, puede transmitir el calor a través del metal a una velocidad superior que la capacidad de transferencia de calor que posee el metal, esto conlleva a una diferencia de temperaturas en los cuerpos de la turbina muy elevadas dependiendo de la altura de los mismos. Para contrarrestarlo se debe introducir el vapor en la cantidad exacta sin provocar cambios bruscos en la admisión del vapor. También recordar que en estas etapas se utiliza el virador que contribuye a evitar el fenómeno de la tensión térmica.
6.-Corrosión:
Se debe a la concentración de agentes químicos en el agua, estos compuestos están formados por óxidos, silicatos, sulfatos, cloruros, etc. Y afectan depositándose en las superficies de los elementos de la turbina. Industrialmente se realizan medidas en continuo del PH del agua, oxígeno, conductividad de cationes, contenido de sodio y cloro en vapor para determinar que se cumple con los rangos permitidos.
Es importante pues, realizar un buen tratamiento de aguas de admisión a caldera aunque no es suficiente, ya que los requisitos de admisión del agua de la caldera no son tan exigentes como los de la turbina, y se requieren métodos de análisis químico y muestreo.
TIPOLOGIAS DE TURBINAS DE VAPOR
TURBINAS AXIALES DE IMPULSO (ACCIÓN)
El rotor de la turbina está previsto de alabes, a los que procede una serie de toberas de alimentación tipo convergente-divergente, que convierten energía de presión en energía de velocidad, prácticamente sin perder energía de velocidad, prácticamente sin perder energía, para así tener chorros de vapor de alto poder dinámico que atacan directamente los alabes del rotor y lo hacen girar. En el rotor la presión se mantiene constante y disminuye la velocidad del vapor.
Es muy difícil aprovechar toda la energía cinética de los gases en un solo escalonamiento en la turbina, debido a las altas velocidades de salida de la tobera, que giraron al rotor a girar a más de 20,000 r.p.m., y en consecuencia, dado el diámetro de la máquina, se producirían zonas donde la velocidad periférica seria supersónica, condición que debe evitarse. En caso de producirse se tendrían discontinuidades, en la presión, la densidad y la temperatura del fluido (onda de choque). Con el escalonamiento se logran velocidades de giro mucho más bajas y, por tanto, re reducirán los problemas ocasionados por las vibraciones.
TURBINAS AXIALES DE REACCIÓN
En los estatores de fluidos de trabajo se acelera, ganando velocidad a expensas de la presión. En los rotores, los gases ceden energía de velocidad y también de presión. Las velocidades de incidencia del fluido en los alabes son menores que en las turbinas de impulso. Cuando en un mismo eje hallamos turbinas de impulso y de reacción a la vez, el diámetro de los rotores ha de ser mayor en estas últimas, para mantener la misma velocidad angular. Debido a la progresiva caída de presión los alabes deben irse haciendo más grandes para lograr acciones equivalentes en los distintos escalonamientos, puesto que los rotores van montados todos sobre el mismo eje.
FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS
Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde se envía aire comprimido a la cámara de combustión (en rojo en la figura) en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua (Las flechas en el dibujo indican la dirección del flujo). La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa (Dispositivo de puesta en marcha). El aire, calentado en la cámara de combustión o combustor, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes o cangilones de la turbina. Una fracción de esta energía se emplea para accionar el compresor y el resto para producir trabajo
En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración).
APLICACIONES DE UNA TURBINA DE GAS
Aviación militar: Para helicópteros, aviones de combate o caza bombarderos, aviones de despegue vertical (Harrier V/tol y V/stol) En este caso se buscan turbinas con temperaturas de admisión más elevada para lograr más altas velocidades y despegues verticales
Aviación comercial: Se utilizan aviones de turbina de chorro (turbo-jet) y de turbina de hélice (turbo-fan). En las aerolíneas de carga se emplean turbinas de gran potencia.
Tuberías para transmisión de gas. Es de las industrias que más utilizan turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas superiores a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz.
Transporte: En barcos, la alta potencia específica de las turbinas de gas permite realizar diseños de altas velocidades. Esto es muy útil para barcos tipo containers, botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. También se usan en ferrocarriles, en locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros, pero solo en los últimos ha representado un cambio significativo.
Aeromodelismo: Actualmente se construyen pequeñas turbinas de gas que impulsan aeromodelos a control remoto. Estas se han vuelto las favoritas de los seguidores de este hobby ya que le brindan al modelo una gran velocidad y potencia, mejorando su rendimiento y versatilidad.
Generación eléctrica: Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque, aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.
Task
Actividad
Cada equipo se le dará turno para escoger una pregunta que tendrá diferente valor dependiendo a su dificultad.
Process
Aqui algunas de las preguntas
¿Qué es una turbina de vapor?
¿Cuál es el nombre del ciclo de la turbina de vapor?
¿Cuáles son los criterios de clasificación dentro de las turbinas de vapor?
¿A qué se debe el empleo de vapor como fluido de trabajo en la turbina?
¿Cuáles son los elementos que conforman el conjunto motriz de vapor?
1¿Menciona 3 elementos principales de una turbina?
2¿Cuál es la función principal del rotor?
3¿Permite el movimiento rotativo del rotor, disminuye su fricción y lo mantiene lubricado?
4¿A que se debe la tensión térmica en una turbina?
5Menciona 1 fallas frecuentes en los alabes?
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