Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda
Complejo Académico El Sabino Programa de Ingeniería Industrial
Unidad curricular: Equipos máquinas e instalaciones industriales
Prof. Ing. Caracciolo Gómez. MSc.
TEMA IV. Introducción a las Turbomaquinas. Turbinas Térmicas
1. Introducción.
Vista interior de una turbina
2. Clasificación de las Turbomaquinas.
Las turbomaquinas se clasifican según tres criterios:
a) Según la compresibilidad del fluido
Térmicas: Cuando el fluido experimenta una variación de la densidad en su
paso a través de la máquina, es decir el flujo se considera compresible. Ejemplo. Turbinas de vapor, gas y compresores.
Hidráulicas: Su diseño se hace sin tener en cuenta la variación de la densidad o del volumen específico a través de la máquina. En estas turbomaquinas el flujo de trabajo no necesariamente es agua aunque etimológicamente esto es lo que signifique, ni siquiera tiene que ser líquido, el fluido tiene que ser incompresible. Ejemplo: bombas, turbinas hidráulicas, ventiladores.
Turbina Francis
b) Según el intercambio de energía.
Motoras: Producen potencia expandiendo el fluido hasta una presión más baja. Ejemplo: Turbinas de vapor, gas, hidráulicas.
Generadoras: La energía aumenta a su paso por la máquina. Absorben potencia para incrementar la presión del fluido. Ejemplo: Bombas, compresores y ventiladores.
c) Dirección del flujo.
Axial: Cuando la trayectoria del flujo que atraviesa la máquina es paralela al eje de rotación.
2.1 Turbinas 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 parte de la energía 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. Son turbomaquinas en las que sólo se efectúa el proceso de expansión. Si bien existen turbinas a vapor del tipo radial, la inmensa mayoría son del tipo axial. El fluido de trabajo es comúnmente el vapor de agua, por obvias razones económicas y técnicas. En comparación con otras máquinas (alternativas a vapor, de combustión interna) ofrecen una mayor relación potencia/tamaño.
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.
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.
En las turbinas de vapor existen unos elementos fijos que son las toberas y los distribuidores de álabes; si el salto entálpico se transforma totalmente en energía cinética, la turbina es de acción y la entalpía a la salida de la tobera para un proceso isentrópico será igual a la entalpía final del vapor; en estas circunstancias, en los álabes dispuestos sobre el rotor o corona móvil, habrá únicamente una transformación de energía cinética en mecánica.
Si la conversión de entalpía en energía cinética no es total, se utilizan distribuidores de álabes, en los que tienen lugar dos tipos de transformaciones simultáneas, por cuanto una fracción de la energía cinética adquirida en la tobera se transforma en energía mecánica, y el resto en energía cinética y posteriormente en mecánica. La transformación de energía cinética en energía mecánica se produce haciendo seguir al fluido una determinada trayectoria, (entre álabes), de forma que su velocidad absoluta disminuya; cualquier cambio de magnitud o de dirección en dicha velocidad, tiene que ser debido al efecto de una fuerza, que es la acción de los álabes de la corona sobre el fluido.
2.1.1. Elementos de una Turbina de vapor.
Los elementos principales de una turbina de vapor son:
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 mecanismo de unión de los alabes del rotor al eje del mismo.
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.
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.
Válvula de cierre rápido: es un dispositivo que actúa en caso de emergencia cuando el rotor alcanza velocidades por encima de la máxima permitida o de diseño. Actúa cortando el flujo de fluido en la entrada de la tubería.
Sistema de rotación lenta: se utiliza en turbinas de varias etapas y con ejes largos, su función es mantener la rotación del eje hasta que éste se enfríe luego que la turbina está fuera de servicio. Se hace con el fin de que el eje no se doble o flexione, ya que si esto ocurre la turbina no puede ser arrancada de nuevo. Porque si el eje se dobla los álabes móviles se encontrarían incrustados en la carcasa y los fijos en el eje.
Sistema de lubricación: se utiliza para levantar el eje en el arranque de la turbina y para proporcionar una película de aceite en el cojinete y el eje.
Válvula de drenaje: se utilizan para drenar las turbinas antes del arranque ya que si existe agua, durante el arranque de la turbina se producen deformaciones en los álabes.
2.1.2. Clasificación de las turbinas de vapor:
Se las puede clasificar según el salto térmico y según el principio operativo.
Según el salto térmico se las separa en:
Turbinas de condensación: Son las de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida.
Turbinas de descarga atmosférica: son generalmente de baja potencia, antieconómicas si utilizan agua tratada. No utilizan condensador de salida. Turbinas de contrapresión: se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aún elevada, para ser utilizado en procesos industriales.
obteniéndose el intercambio de energía por el cambio de velocidad absoluta del fluido.
Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan.
𝑅 = ∆ℎ𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 ∆ℎ𝑡 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛
Se define grado de reacción de una turbomáquina a la relación es decir 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. R≤ 0 (Negativo ligeramente debido a la disminución
de entalpía en el rotor 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. R=0
La figura anterior muestra el esquema de una turbina de reacción axial: 1. Válvula de admisión
2. Rodete de acción en el empuje axial es nulo 3. Tambor de reacción
4. Conducto de interconexión con la presión del condensador 5. Embolo compensador
6. Laberintos del embolo compensador Ae, A1, Atk
Turbina Centrípetas:
Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución:
En el estator se produce una expansión aumentando la velocidad,
disminuyendo la entalpía.
En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la
2.1.3. Pérdidas en turbinas de vapor:
Las pérdidas por fricción en los conductos formados por los álabes, el disco y la carcasa se cuantifican afectando a las velocidades de salida isentrópicas de las ruedas fijas y móviles.
Las pérdidas que sufre la energía del vapor en las turbinas son principalmente: La energía cinética de salida, ya que el vapor inevitablemente debe tener
cierta velocidad para salir de la turbina. El rozamiento sobre los discos móviles.
Si la turbina trabaja con admisión parcial, el movimiento de las paletas
inactivas que giran en el vapor sin producir trabajo (pérdidas por ventilación, “windage”)
Fugas por los espacios entre los extremos de las paletas y la carcasa
(móviles) o el disco (fijas)
Fugas por los ejes, en los laberintos
Punto de operación económica:
Las pérdidas se pueden clasificar según su variación con la potencia desarrollada como:
Pérdidas que decrecen con el aumento de la potencia, como ser, las
pérdidas por ventilación de paletas inactivas.
Pérdidas constantes, tales como pérdidas mecánicas en cojinetes,
accionamiento de accesorios, pérdidas de calor al exterior.
Pérdidas proporcionales a la carga, tales como las fugas en los laberintos y
por los extremos de paletas.
Pérdidas que crecen con el cuadrado de la carga, como la energía cinética
de salida.
2.2. Turbinas de Gas.
2.2.1. Principio de funcionamiento de una turbina a gas
Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.
La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella.
El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
Las pérdidas de energía se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energía aportada.
2.2.2. Partes principales de una turbina de gas:
Las turbinas de gas pueden dividirse en: Compresor
Carcasa
Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
Compresor:
Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.
Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaria para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.
El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades.
Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.
Cámara de combustión:
A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar.
Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión está enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no está diseñadas para soportar tan altas temperaturas.
Están diseñadas mediante una doble cámara:
Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.
Turbina de expansión:
generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.
Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.
Carcasa:
La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:
Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.
Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.
Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior.
Otros componentes de la turbina de gas:
Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en ángulo para detectar vibraciones.
Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por una turbina eléctrica extra. Entre sus componentes principales están el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.
Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contra incendios y de ventilación.
Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.
desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
2.2.3 Clasificación de las turbinas de gas:
Turbina de gas Aero derivadas: Provienen del diseño de turbinas para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas. Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.
Turbina de gas industrial: La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos.
cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.
Turbina de cámara de combustión tipo silo: En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.
Turbina monoeje: El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.
2.2.4. Rendimiento de Turbinas de Gas:
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.
Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.
Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.
2.2.6. Beneficios de las turbinas de gas:
Comparativamente bajos costos de instalación por MW de salida.
Incrementa la disponibilidad de gas natural como contratos de bajo precio. Incremento en la demanda para aplicación de capacidad pico en marcados
La más alta eficiencia en turbinas aeroregenerativas.
La posibilidad de ubicar e instalar unidades de 1,7 a 40 MW ( o más
