Escuela de Ingeniería Mecánica
Universidad Cesar Vallejo Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica MÁQUINAS TÉRMICAS Eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee TURVINAS DE VAPOR Eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee ALUMNO:
Laguna Avila, Santos Eduardo Bazán Castañeda, Andy Paoli
DOCENTE: Mg. Ing. Luis Julca Verástegui
Trujillo- Perú 2012
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Escuela de Ingeniería Mecánica Resumen. (Descripción, componentes, método y limitaciones, limitaciones, conclusiones) Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que 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. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera−álabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad. 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.
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Escuela de Ingeniería Mecánica Introducción. (Enfoque del trabajo realizado para la ingeniería) La turbina de vapor es una máquina de fluido en la que la energía de éste pasa al eje de la máquina saliendo el fluido de ésta con menor cantidad de energía. La energía mecánica del eje procede en la parte de la energía mecánica que tenía la corriente y por otra de la energía térmica disponible transformada en parte en mecánica por expansión. Esta expansión es posible por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina. El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada a la turbina y el de salida. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Este ratio en el caso del agua es tres veces mayor que en el caso del aire de forma para dos turbinas, una de vapor y otra de gas con la misma potencia de salida se tiene que el gasto másico de la turbina de vapor es tres veces menor que el de la turbina de gas. Dada la gran diferencia que se debe obtener entre la presión de entrada y de salida de la turbina es necesario producir esta expansión en distintas etapas, escalonamientos, con el fin de obtener un mejor rendimiento de la operación. Si sólo se realizase la expansión en una etapa las grandes deflexiones a que tendría que estar sometido el fluido provocarían pérdidas inaceptables. Las pérdidas en una turbina de n escalones no son iguales a la suma de las pérdidas de n turbinas sino que son menores, ya que los escalones de la turbina son capaces de recuperar parte de la energía degradada en el anterior escalón para generar energía mecánica. Sin embargo a medida que aumenta el número de escalonamientos la máquina se encarece, por lo que hay que buscar un buen compromiso entre rendimiento y costes.
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Escuela de Ingeniería Mecánica TABLA DE CONTENIDOS:
Resumen. (Descripción, componentes, método y limitaciones, conclusiones) ...................................2 Introducción. (Enfoque del trabajo realizado para la ingeniería) ........................................................3 TABLA DE CONTENIDOS: .............................................................................................................4
I.
Generalidades ...........................................................................................................................5 1.1
Objetivos. (Lo que se quiere lograr: requisitos y resultados) ........................................5
1.2
Identificación de las aplicaciones o utilización de la máquina térmica.........................5
II. Recopilación de Información ..................................................................................................6 2.1
Descripción de partes y/o componentes. .........................................................................6
2.2 Prestaciones complementarias a las condiciones del diseño de la máquina térmica, accesorios y soporte estructural. .................................................................................................9 2.3
Operación y/o funcionamiento de la máquina térmica:...............................................11
2.4
Tipos de Turbinas de Vapor: .........................................................................................12
2.5 Planos y esquemas reales de la máquina y componentes diseñados en instalaciones de la industria. .................................................................................................................................14 III. 3.1 IV. 4.1
Fundamento y Justificación Teórica .................................................................................15 Algoritmo de diseño de la máquina térmica. (Sólo metodología) ................................15 Investigación .......................................................................................................................22 Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento. 22
V. Sugerencias o recomendaciones. (Posibles tesis de investigación, proyectos de d esarrollo, manejo de parámetros de funcionamiento u otros referentes)....................................................23 VI.
Bibliografía. ........................................................................................................................23
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Escuela de Ingeniería Mecánica I.
Generalidades 1.1Objetivos. (Lo que se quiere lograr: requisitos y resultados) Definir a una turbina de vapor como máquina térmica. Estudiar cada una de sus partes o componentes. Requisitos para su funcionamiento. Estudiar los tipos de turbinas a vapor
1.2Identificación de las aplicaciones o utilización de la máquina térmica.
Las turbinas de vapor posibilitan una generación eficiente de electricidad y mejoran la rentabilidad de procesos industriales.
Sectores
Campos de aplicación
Empresas energéticas
Plantas de ciclo combinado
Productores independientes de electricidad (IPP)
Plantas de cogeneración (electricidad y calor)
Industria química
Plantas de recuperación de calor
Ventajas más importantes Alto rendimiento, eficiencia Gran fiabilidad y disponibilidad
Petroquímica / refinerías
Soluciones comprobadas a medida del cliente Centrales energéticas de biomasa Diseño compacto
Madereras, papeleras
Plantas incineradoras de basura
Minería, metalúrgica y siderurgia, acerías Industria procesadora, cementera Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma Industria de alimentos y bebidas
Centrales termo-solares
Puesta en servicio y mantenimiento sencillo
Plantas geotérmicas Accionamientos mecánicos Barcos / plataformas marítimas
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.
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Escuela de Ingeniería Mecánica II.
Recopilación de Información
2.1Descripción de partes y/o componentes. Rotor: Es el elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina está dividida en un cierto número de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con él.
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Estator: El estator está constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor, el estator está formado por una serie de coronas de alabes, correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina.
Presentamos una turbina de vapor seccionada donde se puede apreciar tanto el estator como el rotor de la misma:
Toberas: El vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor entrante/saliente al/desde el interior de la turbina.
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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.
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Escuela de Ingeniería Mecánica 2.2Prestaciones complementarias a las condiciones del diseño de la máquina térmica, accesorios y soporte estructural. 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. 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. 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:
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Escuela de Ingeniería Mecánica 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.
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Escuela de Ingeniería Mecánica 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
2.3Operación y/o funcionamiento de la máquina térmica: El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras. Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los MÁQUINAS TÉRMICAS
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Escuela de Ingeniería Mecánica tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.
2.4Tipos de Turbinas de Vapor: 1. Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: • Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. • Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.
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Escuela de Ingeniería Mecánica 2. Por su mecanismo de funcionamiento Turbina axial: Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan. A la disminución de entalpía en el rotor dividida por la disminución de entalpía total (entalpía más energía cinética específica) en el escalonamiento. Atendiendo a esto se tienen los tres casos característicos siguientes: • Turbina axial de acción con presión constante en el rotor. La presión disminuye completamente en el estator mientras que se mantiene constante en el rotor donde la velocidad del fluido no varía apenas salvo una leva disminución por la fricción. • Turbina axial de acción con entalpía constante en rotor. La entalpía es constante en el rotor y se produce una expansión en el estator con aumento de la velocidad del gas. En el rotor, sin embargo, la velocidad relativa es constante. Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad debido a que es debida a la fricción. • Turbina axial de reacción. La expansión se produce en el estator y en el rotor con una disminución de entalpía en el estator debido a la expansión y un aumento de la velocidad. En el rotor también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. Turbina Centripetas: Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: • En el estator se produce una expansión aumentando la velocidad, dismuyendo la entalpía. • En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión.
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2.5Planos y esquemas reales de la máquina y componentes diseñados en instalaciones de la industria.
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III. Fundamento y Justificación Teórica 3.1Algoritmo de diseño de la máquina térmica. (Sólo metodología)
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IV. Investigación 4.1Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento. Pérdidas en la turbina a) Por rozamiento del vapor en las paredes del álabe y la tobera: Turbulencias Fugas de vapor Choque en borde de entrada al álabe b) Pérdidas correspondientes a la energía cinética del vapor que aún tiene a la salida del rodete. c) Pérdidas por rozamiento al girar el rodete en los álabes vacíos en turbinas de admisión parcial. d) Pérdidas por conducción y radiación térmicas, no adiabáticas. e) Pérdidas mecánicas: rozamientos cojinetes, mecanismos, regulación...etc.
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V.
Escuela de Ingeniería Mecánica Sugerencias o recomendaciones. (Posibles tesis de investigación, proyectos de desarrollo, manejo de parámetros de funcionamiento u otros referentes)
VI.
Ing. Javier Martínez Hamed. DISTRIBUCION DE VELOCIDADES EN ÁLABES DE TURBINAS DE VAPOR DE FLUJO AXIAL. Instituto Politécnico nacional. México D.F. Mayo 2004. Ing. José Juárez Ferrer. DESARROLLO DE PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS DE EQUIPO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA Y MEJORAS AL SISTEMA DE GOBIERNO EN TURBINAS. Universidad Autónoma de Nuevo León. San Nicolás de los Garza, Nuevo León. Junio 1999 Ing. Arturo Zaragoza García. ANÁLISIS DE DESVIACIONES EN EL COMPORTAMIENTO TERMODINÁMICO EN LAS TURBINAS DE VAPOR. Instituto Politécnico Nacional. Querétaro 2005
Bibliografía.
Pedro Fernández Díez. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LAS TURBINAS DE FLUJO AXIAL (http://libros.redsauce.net/).
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