1. Introducción ........................................................... Pág. 3, 4
Clasificación ........................................................... Pág. 5, 6, 7
T de V Para generación de electricidad .................. Pág. 8
Principio de Funcionamiento de Una turbina ......... Pág. 9, 10
Partes Constituidas de una Turbina de Vapor ......... Pág. 10, 11
Turbinas con etapas de Velocidad .......................... Pág. 12
Turbinas con etapas de Presión ..............................Pág. 13, 14
Ciclo de Vapor de Carnót ....................................... Pág. 15
Ciclo Ideal Rankine ................................................ Pág. 16
Ciclo de Recalentamiento Ideal .............................. Pág. 17
Procedimientos Instrucciones y Formularios ......... Pág. 18
Rendimiento Térmico ............................................. Pág. 19
Rendimiento de una Planta de Vapor ..................... Pág. 19
Consumo Teórico de Vapor .................................... Pág. 19
Reparación y Mantenimientos de Turbinas ............ Pág. 20
Mantenimiento de T de V en Central Eléctrica ...... Pág. 20
Conclusión ..............................................................Pág. 21
2. Introducción
La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una
corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor,
que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia,
de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la
rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para
proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador eléctrico o una
hélice.
Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de
combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando
generadores movidos por turbinas.
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.
El Éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para
extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivén
desarrollada por el inventor e ingeniero escocés James Watt utilizaban la presión del
vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de
este. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una maquina de
vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las
maquinas de vapor convencionales.
Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un
movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la
energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor a
remplazado a las maquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y
también se utiliza como una forma de propulsión a chorro.
3. La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el resultado del
trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más
notables en este desarrollo fueron el Británico Charles Algernon Parsons fue responsable
del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias
fases aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar
chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor.
Clasificación
Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP
(0.75 Kw.) Usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por
flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 Kw.) Utilizadas para generar
electricidad.
Existen diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas.
Se distinguen dos tipos de turbinas: de acción o de reacción. La forma más sencilla de
turbina de vapor es la denominada turbina de acción, en la que los chorros de la turbina
están sujetos a un punto dentro de la carcaza de la turbina, y las palas están dispuestas en
los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las
boquillas y alcanza las palas. Estas absorben una parte de la energía cinética del vapor en
expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que esta unida. La turbina esta
diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a
través de una serie de boquillas hasta que a perdido la mayor parte de su energía interna.
En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en
expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas unas móviles y otras
fijas. Las palas esta colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de
la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las turbinas de reacción suelen
montarse en un tambor en lugar de una rueda, el tambor actúa como eje de la turbina.
Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de turbina, es
necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte en energía
4. cinética, una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la conversión de los
dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la rueda seria excesiva.
Por lo general se utilizan mas escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de
acción. Se puede comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía,
la turbina de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo.
Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la
reacción al principio del recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas
de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce
él numero de escalones necesarios.
A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario aumentar en
cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el vapor. Durante el
diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las palas de un escalón a
otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que están acopladas las palas.
También se agregan dos o más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto,
una turbina industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más
pequeño en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo
de salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro
rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja
presión y flujo doble.
Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte
móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar:
cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la
posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de
estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La
velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La
caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas
móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un
empuje en sentido opuesto al del vapor.
La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el
avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la
posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de
recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en movimiento la energía
teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia termodinámica de una
instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la pérdida de energía del
vapor que sale de la turbina.
Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento,
extracción e inducción.
Las turbinas de no-condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para
aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula
reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se
encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de
desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja
presión.
Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica.
Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad
mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.
5. Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de
potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección
a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar.
El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su
expansión.
Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de
extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos
industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia
del ciclo.
Los fluidos extraídos pueden ser controlados mediante una válvula o pueden no
controlarse. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa
intermedia para producir potencia adicional.
Turbina de vapor para generación de electricidad
Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación
de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:
Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la
turbina.
Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en
trabajo útil para mover un generador eléctrico.
Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina.
Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.
Componentes básicos de una central termoeléctrica
6. Principio de funcionamiento de las turbinas
Las primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace
mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un
rotor que tenia una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el
vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel.
Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquereles,
tratando de cubrir en mejor forma el rotor.
En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se
ideo una carcaza para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario
variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para
darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel vario su forma circular a arco de corona
circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor
se conocen actualmente como alabes móviles.
Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de
funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre
los alabes del rotor.
7. Partes constituidas de una turbina
Las turbinas de vapor están constituidas por dos partes principales; la parte giratoria- el
rotor y la parte estacionaria- el estator. El estator (cilindro), está constituido por pedestales,
cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y en ocasiones por el sistema de
distribución de vapor y por el condensador.
Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores. Los cilindros
de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre sí por la unión
horizontal y apretadas mediante tornillos y espárragos. Para garantizar la coincidencia
plena de ambas mitades, en la unión horizontal
Se practican orificios guías con espárragos especialmente construidos para ello.
Las turbinas que se construyen con parámetros de vapor vivo, que superan las 90 atm. y
los 500° C y que poseen cilindros de alta y media presión con recalentamiento intermedio,
normalmente están construidos con cilindros interiores. Los cilindros interiores también
son unidos por la unión horizontal. Las turbinas que se construyen con cilindros interiores
tienen la ventaja de disminuir las tensiones térmicas e hidráulicas que sufre el metal del
cilindro y como consecuencia el espesor de las bridas de la unión horizontal y, además,
facilitar la aceleración del arranque con un calentamiento más uniforme.
Dentro del cilindro están maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y sellos.
Algunos cilindros como los de las máquinas de reacción tienen ranuras para insertar los
alabes estacionarios y otros cilindros por razones tecnológicas tienen cargadores que
agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el espacio y ubicar las extracciones de
forma más compacta, también disminuye considerablemente la cantidad de tornillos lo que
agiliza el mantenimiento.
Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las pérdidas entre los pasos y para
evitar la penetración del aire en el cilindro sometido al vacío se construyen sistemas de
8. empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el exterior del cilindro se
llaman estufas
TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS)
Estas turbinas toman la energía cinética 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; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes
móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal razón a
ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtís. La admisión del vapor es
parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las
toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor
Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o
Curtis.
Turbinas con etapas de Presión
9. Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas de la
turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en medio de las
etapas.
Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de turbinas, la
turbina Rateau y la de Reacción.
Turbinas Rateau:
En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que
actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento
de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la
energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los
rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5
y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión
total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo
Laval o Curtis.
En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo
cual permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser
robusto, debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor.
Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a
continuación de la otra.
Turbinas de reacción (Parsons):
Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran numero de etapas (entre 15 y 50);
cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en
los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran numero de partes
donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos;
por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regímenes de rotación son bajos.
Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol,
generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las
últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia.
En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las
turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos,
colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o
Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente
en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las
etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau
o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la
carcaza de la turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la
admisión del vapor en los alabes, se realice.
El Ciclo de vapor de Carnót
La eficiencia de un ciclo de potencia se maximiza si todo el calor suministrado por una
fuente de energía ocurre a la máxima temperatura posible, y si toda la energía expulsada a
un sumidero ocurre la mínima temperatura posible. Para un ciclo reversible que opere en
estas condiciones, la eficiencia térmica es la eficiencia de Carnót, dada por (Ta - Tb.)/Ta.
Un ciclo teórico que satisface estas condiciones es el ciclo del motor térmico de Carnót.
Un ciclo de Carnót se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos
adiabáticos reversibles ( o procesos isoentrópicos). Si durante las partes del ciclo el fluido
10. de trabajo aparece tanto en la fase líquida como en la fase de vapor, entonces el diagrama
Ts es como sigue:
Ciclo Rankine Ideal
En termodinámica se conoce como ciclo Rankine ideal, el empleado en las centrales
termoeléctrica. El vapor que sale de la caldera (estado 1), es recalentado, a una presión
relativamente alta, este es conducido a trabes de una tubería hasta la turbina donde recibe
el vapor y produce una expansión isentrópica, permitiendo de esta forma mover su rotor y
así producir el trabajo (Wt) necesario para mover el generador, el vapor sale de la turbina
(estado 2), generalmente vapor húmedo a presión baja; pasa el condensador donde se
transforma en liquido saturado (estado 3), en un proceso de extracción de calor (Qr) que
se realiza a presión constante; allí el agua es tomada por la bomba y con un trabajo de
bombeo (Wp) se aumenta la presión, en un proceso de compresión isentrópica hasta el
estado liquido sub. enfriado (estado 4), donde se alcanza la presión del trabajo de la
caldera; en esta se adiciona calor (Qa) transformando él liquido en vapor recalentado a
través de un proceso a presión constante, obteniéndose nuevamente el vapor necesario
para alimentar la turbina (estado 1). En algunos ciclos se acostumbra extraer vapor de la
turbina en partes intermedias, para recalentarlo y volverle a permitir que se expanda hasta
la presión final, este proceso se llama ciclo Rankine con recalentamiento, el cual permite
obtener un mayor trabajo de la turbina.
11. El Ciclo de Recalentamiento Ideal
En el ciclo de Rankine ideal, la eficiencia se puede incrementar mediante el empleo de un
sobre calentador. El proceso de sobrecalentamiento en general hace que se eleve la
temperatura promedio a la cual se suministra calor al ciclo, elevando así la eficiencia
teórica. Se puede lograr un aumento equivalente en la temperatura promedio durante el
proceso de entrada de calor elevando la presión máxima del ciclo, es decir, la presión en la
caldera. Esto puede dar por resultado un mayor costo inicial del generador de vapor,
debido a la mayor presión que debe soportar, pero a través de los años la mayor eficiencia
de toda la unidad compensa con creces ese desembolso. Sin embargo, con una
temperatura máxima dada en el generador de vapor, un aumento de presión del
evaporador da por resultado una disminución en la cantidad de vapor que sale de la
turbina. Para evitar el problema de la erosión sin perder la ventaja de las mayores
temperaturas logradas mediante el incremento de la presión en la caldera, se ha
desarrollado el ciclo de recalentamiento.
En el ciclo de recalentamiento no se permite que el vapor se expanda completamente
hasta la presión del condensador en una sola etapa. Después de una expansión parcial el
vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. Luego se regresa a la
turbina para expandirlo más hasta la presión del condensador. Puede considerarse que la
turbina consiste en dos etapas, una de alta presión y otra de baja presión
Procedimientos Instrucciones y Formularios.
Las turbinas generadoras de electricidad de las Centrales Eléctricas trabajan durante
largos períodos de tiempo, con poco períodos de interrupción. Para asegurar una
explotación segura del equipo se realizan diferentes tipos de mantenimientos. Los
mantenimientos prolongan la vida útil de la turbina y la eficiencia del Sistema Electro
energético.
13. mantener el equipo en buen estado de funcionamiento y reducir al mínimo las
posibilidades de avería.
Mantenimiento de turbinas de vapor para centrales eléctricas
Las centrales de turbinas de vapor producen la mayor parte de la electricidad necesaria
para las industrias del mundo. Por ejemplo, representan cerca del 70 por ciento del
consumo de electricidad en América. Por lo tanto, las averías de estos equipos no son sólo
costosas, sino que pueden causar muchos problemas.
Ayudamos a los técnicos de las centrales eléctricas y a los fabricantes originales a reparar
y modificar las turbinas de vapor durante los cierres planificados y en situaciones de
emergencia. Podemos llevar a cabo las reparaciones de las turbinas de vapor in situ,
siendo éstos algunos de los servicios que ofrecemos:
Maquinado orbital de chumaceras de rotores de turbina
Perforación en línea y fresado de envueltas de turbinas, bombas y cajas de engranajes
Taladrado, aterrajado y encabillado de piezas de turbina
Conclusión
Mediante este informe acerca de todo lo relacionado a las turbinas de vapor, hemos
aprendido muchas cosas acerca de ellas, desde como están compuestas, su
funcionamiento, distintos tipos de turbinas, y más.
También este informe esta dedicado a aquellas personas que estén interesados en el tema
y quieran informarse.
La turbina de vapor se consiste en una turbo-maquina que produce energía mecánica a
partir de un flujo de vapor. 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.
Estas turbo-maquinas pueden dividirse en dos grandes grupos: las turbinas de acción ( la
expansión del vapor se realiza en el estator); y las turbinas de reacción (la expansión se
realiza en el rotor).
También podemos decir que las turbinas están compuestas por dos partes: el rotor y el
estator. El rotor esta formado por ruedas de alabes unidas al eje y que constituye la parte
móvil de la turbina; y el estator también esta formado por alabes, pero no unidos al eje sino
a la carcasa de la turbina.
Se puede decir que el uso de ellas tiene un margen muy amplio de tamaños y potencias,
ya que se la puede utilizar desde maquinas con baja potencia (bombas, compresores), y
también en aquellas que poseen 1500000 Kw. para generar electricidad.
Estas turbinas son utilizadas en la generación de energía de origen nuclear, como en la
propulsión de los buques con plantas nucleares, así también como en aplicaciones de
cogeneración que requieran calor, y en ciclos combinados con un generador de vapor que
recupera el calor que se perdería.
14. En fin, espero que el trabajo les guste, los informe, y les sirva de algo en un futuro. Desde
ya a nosotros nos a servido y esperamos recordar las distinta información agrupada en él,
para un mejor desempeño en algún trabajo relacionado a TURBINAS.
