Turbomaquinas de Vapor 2011

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FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I

TurboMquinas de Vapor

Ing. ELIAS Roberto J.

2011

Definiciones:

Turbina de VaporTransforman la energa potencial de tipo trmico, en energa mecnica. La energa potencial trmica disponible es la diferencia de entalpas entre el estado inicial del vapor, a la entrada de la turbina, y su estado final, a la salida de la misma; esta diferencia de entalpas se conoce como salto entlpico o salto trmico. La historia de las turbinas de vapor tal como se conocen en la actualidad se remonta s finales del siglo XIX (1884), cuando apareci la turbina mas similar a lo que conocemos ahora. Fueron De Laval y Persons, quienes crearon las primeras turbinas de vapor. Antes de la primer guerra mundial las turbinas trabajaban con presiones de 1,2 a 1,6 MPa y temperaturas inferiores a 350C. Entre 1915 y 1940 las presiones de trabajo estaban entre 12 y 17 Mpa. Con la aparicin de los aceros austeniticos se consiguieron presiones de trabajo de 35MPa y temperaturas de 500 a 580C. En la actualidad se construyen calderas que trabajan en condiciones supercrticas por encima de 600C y 35MPa.FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I TurboMquinas de Vapor Ing. ELIAS Roberto J. 2011

Definiciones:

Turbina de VaporLa turbina de vapor es el motor numero uno en importancia para la generacin elctrica, tanto en las centrales de combustible fsil (carbn o derivados del petrleo) como en las de combustible nuclear. Una prueba de ello es que un 75% de la energa elctrica del mundo, proviene de centrales trmicas, con la turbina de vapor jugando un papel preponderante. Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desde unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipos, hasta turbinas de 2.000.000 hp (1.500.000 kW) utilizadas para generar electricidad. Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales de generacin de energa elctrica, como elemento motor del generador de electricidad utilizando para esto el ciclo de Rankine.

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Turbina de vapor y el

Ciclo de Rankine

Componentes bsicos de un ciclo de Rankine

Ciclo de Rankine en el diagrama T-S

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Turbina de vapor: Turbina De Laval

Esquema BsicoLa primer turbina de tipo industrial fue creada por el invento Sueco DE LAVAL en el ao 1882.

1. Tobera 2. Alabes 3.Eje del Rotor 4. Disco porta alabes o rotor FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I

Corte esquemtico de una turbina De Laval Imagen1 TurboMquinas de Vapor Ing. ELIAS Roberto J. 2011

Turbina de vapor: Forma de actuar del vapor

ClasificacinDe acuerdo a la forma de actuar del vapor sobre los alabes de la turbina estas se clasifican en:

Turbinas de Accin: El cambio o salto entlpico o expansin es realizadaen los labes directores o las toberas de inyeccin. En el paso del vapor por el rotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin de la velocidad.

Turbinas de Reaccin: La expansin, es decir, el salto entlpico del vaporpuede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando este salto ocurre nicamente en el rotor la turbina se conoce como de reaccin pura.

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Turbina de vapor:

Transformacin de Calor en TrabajoLa transformacin de energa se lleva a cabo mediante fuerzas ejercidas sobre los labes del rotor, a causa de los cambios de la cantidad de movimiento del vapor al pasar a travs de los canales de los labes. De esta forma la entalpia se convierte en energa cintica a medida que el vapor circula por la tobera. En una turbina ideal toda variacin de entalpia del vapor aparece en forma de energa cedida al eje. Ecuacin de Euler. Trabajo perifrico especifico sobre un alabe.

WU = u1c1u u2 c2uEn una turbina de vapor de flujo axial

u1 = u2 = u

WU = u (c1u c2u )FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I TurboMquinas de Vapor Ing. ELIAS Roberto J. 2011

Turbina de vapor:

Transformacin de Calor en TrabajoAnalizando el triangulo de velocidades de entrada

w12 = u 2 + c12 2uc1 cos 1 = u 2 + c12 2uc1u

u 2 + c12 w12 u.c1u = 2De manera similar para el triangulo de velocidades de salida

u.c 2 u Wu =

2 2 u 2 + c2 w2 = 2

Sustituyendo en la ecuacin de Euler

1 2 2 w 2 w12 + c12 c 2 2

[(

) (

)]

Escribiendo el primer principio entre la entrada y la salida de un escalonamiento, considerando que el pasaje se producen en forma adiabtica.

Q = h + W = 0

1 2 2 W = h = h0 h2 = w2 w12 + c12 c2 2FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I

[(

) (

)] Ing. ELIAS Roberto J. 2011

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Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera o Alabes directoresTurbinas de Accin: El cambio o salto entlpico o expansin es realizadaen los labes directores o las toberas de inyeccin. En el paso del vapor por el rotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin de la velocidad.

Las Toberas o los Alabes directores: En un salto de accin tienen comoobjetivo convertir todo el salto entlpico disponible en energa cintica a ser transformada en trabajo sobre los alabes mviles del rotor.

Corte de una Tobera Convergente divergente: 0. Ingreso c. Punto Critico 1. Salida FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I TurboMquinas de Vapor Ing. ELIAS Roberto J. 2011

Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera y Alabes directoresComo en el salto de accin la tobera o los alabes directores convierten todo el salto entlpico en aumento de energa cintica del chorro de vapor.

h = EC

h0 h1 =

1 2 2 c1 c0 2

(

)

En la mayora de los casos la velocidad de entrada c0 es despreciable respecto al valor de la velocidad de salida c1.

c1 = 2(h0 h1 )

c1 = 91,48 hAD

hAD = Salto entalpico adiabatico (Kcal/kg) c = velocidad del vapor (m/s)

Aplicando la ecuacin de continuidad en un punto de la tobera: & ac = mv Sobre la lnea de saturacin de vapor. Debajo de la lnea de saturacin de vapor. & a c = m xv La velocidad del vapor en un punto n cualquiera de la tobera ser: Reemplazando en la ecuacin de continuidad ser posible dimensionar el rea transversal de la tobera.FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I

a = area de la tonera transvers al al flujo c = velocidad del vapor en la seccion & m = flujo msico v = volumen espesifico del vapor x = titulo del vapor

2 cn = 2(h0 hn ) + c0

an vn = 2 & m 2(h0 hn ) + c0 Ing. ELIAS Roberto J. 2011

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Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera y Alabes directoresA pesar de que se puede calcular el rea para cualquier presin intermedia, no puede determinarse el perfil o forma de la tobera a lo largo de su eje longitudinal. El diseo del perfil de la tobera depende de cmo cae la presin a lo largo de su longitud y a su vez la variacin de la presin depende del perfil de la tobera. Considerando que la cada de presin es uniforme a lo largo de la tobera, puede calcularse la variacin del rea transversal, velocidad y volumen especfico para el vapor o gas que fluye a travs de ella..

an =

2 2(h0 hn ) + c0

& mvn

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Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera y Alabes directoresEn una tobera convergente divergente puede demostrarse que para una condicin inicial dada, suponiendo una expansin adiabtica, cuando la presin supere cierto valor llamado critico, el cambio de velocidad del medio expansivo es mayor que el cambio de volumen especifico, mientras que, por debajo de la presin critica tiene lugar lo contrario. La velocidad alcanzada en el punto critico es la del sonido.

Al principio la velocidad del vapor aumenta rpidamente, si bien los & c m = volmenes correspondientes v a aumentan en menor proporcin. Debido a que el flujo de masa es constante, necesariamente el rea deber disminuir, hasta que el flujo alcanza la seccin para la cual el rgimen de aumento del volumen especifico es igual al de aumento de velocidad, para esta condicin el rea ser mnima (rea de la garganta o critica) .FI UNaM Maquinas e Instalaciones Trmicas I TurboMquinas de Vapor Ing. ELIAS Roberto J. 2011

Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera y Alabes directoresSi se ensaya una tobera determinada y se grafica el flujo msico en funcin de la relacin p/p0 resulta la curva siguiente: Si la presin a la salida de la tobera es igual a la presin de entrada no habr circulacin de vapor. Si se disminuye gradualmente la presin de salida gradualmente aumentara el gasto msico entre p0>p>pc.(regin supercritica) El gasto msico mximo se da cuando p=pc . Si se disminuye aun mas la presin de salida (regin subcritica) el gasto msico se mantendr constante e igual al valor mximo. Esto se debe a que no se propaga alteracin alguna en el medio para velocidades mayores a la del sonido, una ulterior disminucin de la presin de salida no altera la presin existente delante de la garganta.

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Turbina de vapor: Salto de Accin

Tobera y Alabes directoresDesviacin respecto a las condiciones isoentrpicasLa circulacin del vapor por la tobera es un proceso NO isoentropico. Investigaciones realizad