Compuesto de turbinas de vapor.

Método de extracción de energía del vapor en una turbina de vapor.

La composición de turbinas de vapor es un método para extraer energía del vapor en múltiples etapas en lugar de en una sola etapa en una turbina de vapor . Una turbina de vapor compuesta tiene múltiples etapas con más de un conjunto de boquillas y rotores . Estos están dispuestos en serie, ya sea enchavetados al eje común o fijados a la carcasa. El resultado de esta disposición permite que la turbina absorba la presión del vapor o la velocidad del chorro en varias etapas. ^{[1] [2]}

Las turbinas de vapor compuesto se utilizan para reducir las velocidades del rotor y lograr revoluciones operativas óptimas por minuto . El vapor producido en la caldera tiene una entalpía suficientemente alta cuando se sobrecalienta . En todas las turbinas la velocidad de las palas es directamente proporcional a la velocidad del vapor que pasa sobre las palas. Ahora bien, si toda la energía del vapor se extrae en una sola etapa, es decir, si el vapor se expande desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador en una sola etapa, entonces su velocidad será muy alta. Por lo tanto, la velocidad del rotor (al que están acopladas las palas) puede alcanzar unas 30.000 rpm, lo que es demasiado alto para usos prácticos debido a la vibración muy alta. Además, a velocidades tan altas las fuerzas centrífugas son inmensas y pueden dañar la estructura. Por lo tanto, es necesaria la capitalización. El vapor de alta velocidad simplemente golpea un solo anillo del rotor, lo que provoca un desperdicio de vapor del 10 % al 12 %. Para evitar el desperdicio de vapor, se utilizan turbinas de vapor.

Tipos de turbinas de vapor

1. Impulso : No hay cambios en la presión del vapor a medida que pasa a través de las palas móviles. Sólo hay cambios en la velocidad del flujo de vapor.
2. Reacción : Hay cambios tanto en la presión como en la velocidad a medida que el vapor fluye a través de las aspas en movimiento.

Tipos de composición

En una turbina de vapor de Impulso la combinación se puede lograr de las tres formas siguientes:

1. Composición de velocidad
2. composición de presión
3. Composición presión-velocidad

En una turbina de reacción, la combinación sólo se puede lograr mediante combinación a presión.

Composición de velocidad de una turbina de impulso.

Fig-1: Diagrama esquemático de la turbina de impulso de etapa Curtis

La turbina de impulso de velocidad compuesta fue propuesta por primera vez por CG Curtis para resolver el problema de la turbina de impulso de una sola etapa para el uso de vapor a alta presión y temperatura.

Los anillos de palas móviles están separados por anillos de palas fijas. Las palas móviles están enchavetadas al eje de la turbina y las palas fijas están fijadas a la carcasa. El vapor a alta presión que sale de la caldera se expande primero en la boquilla. La boquilla convierte la energía de presión del vapor en energía cinética. La caída de entalpía total y, por tanto, la caída de presión se produce en la boquilla. Por tanto, la presión a partir de entonces permanece constante.

Este vapor de alta velocidad se dirige al primer conjunto (anillo) de aspas móviles. A medida que el vapor fluye sobre las palas, debido a la forma de las mismas, imparte parte de su impulso a las palas y pierde algo de velocidad. Estas palas sólo absorben una parte de la alta energía cinética. El resto se agota en el siguiente anillo de hoja fija. La función de las palas fijas es redirigir el vapor que sale del primer anillo de palas móviles al segundo anillo de palas móviles. No hay cambios en la velocidad del vapor cuando pasa a través de las palas fijas. Luego, el vapor ingresa al siguiente anillo de palas móviles; este proceso se repite hasta que se haya absorbido prácticamente toda la energía del vapor.

En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de la turbina de impulso de etapa Curtis, con dos anillos de palas móviles y un anillo de palas fijas . La figura también muestra los cambios en la presión y la velocidad absoluta del vapor a medida que pasa por las etapas.

dónde,

${\displaystyle P_{i}}$= presión del vapor en la entrada

${\displaystyle V_{i}}$= velocidad del vapor en la entrada

${\displaystyle P_{e}}$= presión del vapor en la salida

${\displaystyle V_{e}}$= velocidad del vapor en la salida

En la figura anterior hay dos anillos de palas móviles separados por un único anillo de palas fijas. Como se analizó anteriormente, toda la caída de presión ocurre en la boquilla y no hay pérdidas de presión posteriores en ninguna de las siguientes etapas. La caída de velocidad se produce en las palas móviles y no en las palas fijas.

Diagrama de velocidad

Como se muestra en el diagrama anterior, hay dos anillos de palas móviles separados por un anillo de palas fijas. El diagrama de velocidad en la figura 2 muestra los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de las palas en movimiento.

dónde,

${\displaystyle V_{a}}$= velocidad absoluta del vapor

${\displaystyle V_{r}}$= velocidad relativa del vapor

${\displaystyle V_{b}}$= Velocidad de la hoja

${\displaystyle \theta }$= Ángulo de la boquilla

${\displaystyle \Phi }$= Ángulo de entrada de la hoja

${\displaystyle \gamma }$= Ángulo de salida de la hoja

${\displaystyle \delta }$= ángulo de salida del fluido

En la figura anterior se puede ver que el vapor, después de salir de las palas móviles, entra en las palas fijas. Las aspas fijas redirigen el vapor hacia el siguiente conjunto de aspas móviles. Por lo tanto, el vapor pierde su velocidad en múltiples etapas en lugar de en una sola etapa.

Velocidad óptima

Es la velocidad de las palas a la que se puede alcanzar la máxima potencia. Por lo tanto, la velocidad óptima de la hoja para este caso es,

${\displaystyle V_{b,optimum}={\frac {V_{a1}\cos \theta _{1}}{2n}}}$

donde n es el número de etapas.

Este valor de velocidad óptima es 1/n veces el de la turbina de una sola etapa. Esto significa que se puede producir la máxima potencia a velocidades de pala mucho más bajas.

Sin embargo, el trabajo producido en cada etapa no es el mismo. La proporción de trabajo producido en una turbina de 2 etapas es de 3:1 a medida que se pasa de una presión más alta a una más baja. Esta relación es de 5:3:1 en una turbina de tres etapas y cambia a 7:5:3:1 en una turbina de cuatro etapas.

Desventajas de la capitalización de velocidad

• Debido a la alta velocidad del vapor se producen elevadas pérdidas por fricción.
• El trabajo producido en las etapas de baja presión es mucho menor.
• El diseño y fabricación de palas que puedan soportar velocidades tan altas es difícil.

Composición de presión de turbina de impulso.

Fig-3: Diagrama esquemático de la turbina de impulso compuesta por presión

La turbina de impulso compuesta por presión también se llama turbina Rateau, en honor a su inventor. Esto se utiliza para resolver el problema de la alta velocidad de las palas en la turbina de impulso de una sola etapa.

Consta de anillos alternos de toberas y álabes de turbina. Las boquillas están montadas en la carcasa y las palas están enchavetadas al eje de la turbina.

En este tipo de mezcla, el vapor se expande en varias etapas, en lugar de solo una (boquilla) en la mezcla de velocidad. Se realiza mediante palas fijas que actúan como boquillas. El vapor se expande por igual en todas las filas de aspas fijas. El vapor procedente de la caldera se alimenta al primer conjunto de palas fijas, es decir, al anillo de boquilla. El vapor se expande parcialmente en el anillo de la tobera. Por tanto, hay una disminución parcial de la presión del vapor entrante. Esto conduce a un aumento en la velocidad del vapor. Por lo tanto, la presión disminuye y la velocidad aumenta parcialmente en la boquilla.

Luego se pasa sobre el conjunto de palas móviles. A medida que el vapor fluye sobre las aspas en movimiento, se absorbe casi toda su velocidad. Sin embargo, la presión permanece constante durante este proceso. A continuación se introduce en el anillo de boquilla y se vuelve a expandir parcialmente. Luego se introduce en el siguiente conjunto de aspas móviles y este proceso se repite hasta que se alcanza la presión del condensador.

Este proceso se ilustra en la figura 3, donde los símbolos tienen el mismo significado que el indicado anteriormente.

Es una turbina de impulso compuesto de presión de tres etapas. Cada etapa consta de un anillo de palas fijas, que actúan como boquillas, y un anillo de palas móviles. Como se muestra en la figura, la caída de presión se produce en las boquillas y se distribuye en muchas etapas.

Un punto importante a tener en cuenta aquí es que las velocidades del vapor de entrada a cada etapa de las paletas móviles son esencialmente iguales. Esto se debe a que la velocidad corresponde a la disminución de la presión. Ya que, en una turbina de vapor compuesto a presión, sólo una parte del vapor se expande en cada boquilla. La velocidad del vapor es menor que en el caso anterior. Se puede explicar matemáticamente a partir de la siguiente fórmula, es decir

${\displaystyle {\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{h_{1}}={\frac {V_{2}^{2}}{2}}+{h_{2}}}$

dónde,

${\displaystyle V_{1}}$= velocidad absoluta de salida del fluido

${\displaystyle h_{1}}$= entalpía del fluido a la salida

${\displaystyle V_{2}}$= velocidad absoluta de entrada del fluido

${\displaystyle h_{2}}$= entalpía del fluido en la entrada

Se puede ver en la fórmula que sólo una fracción de la entalpía se convierte en velocidad en las palas fijas. Por tanto, la velocidad es menor en comparación con el caso anterior.

Diagrama de velocidad

Fig-4: Diagrama de velocidad de la turbina de impulso compuesta por presión

El diagrama de velocidad que se muestra en la figura 4 brinda detalles sobre los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de la pala.

donde los símbolos tienen el mismo significado que el indicado anteriormente.

Un punto importante a tener en cuenta en el diagrama de velocidad anterior es que el ángulo de salida del fluido (δ) es 90⁰. Esto indica que la velocidad de remolino del fluido a la salida de todas las etapas es cero, lo que cumple con el concepto de velocidad óptima (como se analizó anteriormente).

La proporción de trabajo producido en las diferentes etapas es similar al tipo anterior.

Desventajas de la composición por presión

• Como hay una caída de presión en las boquillas, es necesario hacerlas herméticas.
• Son mucho más grandes con 34 pulgadas.

Turbina de impulso compuesto presión-velocidad

Fig-5: Diagrama esquemático de una turbina de impulso compuesta presión-velocidad

Es una combinación de los dos tipos de capitalización anteriores. La caída de presión total del vapor se divide en varias etapas. Cada etapa consta de anillos de palas fijas y móviles. Cada conjunto de anillos de palas móviles está separado por un único anillo de palas fijas. En cada etapa hay un anillo de palas fijas y de 3 a 4 anillos de palas móviles. Cada etapa actúa como una turbina de impulso de velocidad compuesta.

Las palas fijas actúan como boquillas. El vapor procedente de la caldera pasa al primer anillo de palas fijas, donde se expande parcialmente. La presión disminuye parcialmente y la velocidad aumenta correspondientemente. La velocidad es absorbida por los siguientes anillos de palas móviles hasta llegar al siguiente anillo de palas fijas y todo el proceso se repite una vez más.

Este proceso se muestra esquemáticamente en la figura 5 .

donde los símbolos tienen su significado habitual.

Composición de presión de la turbina de reacción.

Fig-6: Diagrama esquemático de la turbina de reacción compuesta de presión

Como se explicó anteriormente, una turbina de reacción es aquella en la que hay pérdida de presión y velocidad en las palas en movimiento. Las aspas móviles tienen una boquilla de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre las palas fijas, se expande al disminuir la presión del vapor y aumentar la energía cinética.

Este tipo de turbina tiene una serie de anillos de palas móviles unidos al rotor y un número igual de palas fijas unidas a la carcasa. En este tipo de turbinas las caídas de presión se producen en varias etapas.

El vapor pasa sobre una serie de palas alternas fijas y móviles. Las palas fijas actúan como boquillas, es decir, cambian la dirección del vapor y también lo expanden. Luego, el vapor pasa por las aspas móviles, que expanden aún más el vapor y también absorben su velocidad.

Esto se explica en la figura 6 .

donde los símbolos tienen el mismo significado que el anterior.

Diagrama de velocidad

Fig-7: Diagrama de velocidad de la turbina de reacción compuesta de presión

El diagrama de velocidad que se muestra en la figura 7 brinda detalles sobre los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de la pala (los símbolos tienen el mismo significado que arriba).

Ver también

• Compuesto de presión en turbinas.

Referencias

1. Bolso, S (2023). "UNA REVISIÓN SOBRE LA COMPUESTO DE TURBINA DE VAPOR" (PDF) . Revista internacional de investigación sobre modernización en tecnología y ciencia de la ingeniería . 5 (8) . Consultado el 1 de marzo de 2024 .
2. Mazur, Z (2008). "Análisis de fallos de palas de turbinas de vapor". Análisis de fallas de ingeniería . 15 (1): 129–141 . Consultado el 1 de marzo de 2024 .

• Jachens, WB (marzo de 1966). «Turbinas de vapor - Su construcción, selección y operación» (PDF) . Actas de la Asociación Sudafricana de Tecnólogos del Azúcar . SASTA. Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2018 . Consultado el 11 de mayo de 2014 .
• "Estudio de Turbina - Ejercicio" (PDF) . pacetmechanical.weebly.com . Facultad de Ingeniería y Tecnología de PA.

Otras lecturas

• Venkanna BK, Fundamentos de turbomáquinas , PHI Learning Private Limited, Nueva Delhi, 2011.
• Yahya SM, Turbinas, compresores y ventiladores (cuarta edición) , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Nueva Delhi, 2011.
• El-Wakil MM, Tecnología de centrales eléctricas , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Nueva Delhi, 2010.
• MSGOVINDE GOWDA: MM EDITORES DAVANGERE, KARNATAKA, INDIA
• Singh Onkar, Termodinámica Aplicada , New Age International (P) Ltd., Nueva Delhi, 2009.