TURBOMÁQUINAS TÉRMICASCT-3412CT-3412

4. Aspectos Generales de las Máquinas 1

Prof. Nathaly Moreno SalasIng. Victor Trejo

Contenido (1/3)

� Turbinas a vapor

� Definición

� Ámbito de aplicación

� Desarrollo técnico de las turbinas a vapor� Desarrollo técnico de las turbinas a vapor

� Clasificación

� Expansión en una turbina a vapor

� Particularidades de las turbinas de baja presión:� Cambio del flujo volumétrico

� Condensación

Contenido (2/3)

� Turbinas a gas� Definición� Características� Desarrollo de las turbinas a gas� Parámetros de influenciaParámetros de influencia� Enfriamiento de álabes� Potencia útil en una turbina a gas� Ámbito de aplicación:

� Propulsión de aviones� Aplicaciones industriales� Turbinas a gas aeroderivadas� Microturbinas a gas

� Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas� Límites de temperatura y presión

Contenido (3/3)

� Turbocompresores� Definición

� Características

� Principio de trabajo

� Compresores centrífugos� Compresores centrífugos

� Compresores axiales

� Inestabilidades:

� Stall (entrada en pérdida)

� Rotating stall (entrada en pérdida rotativa)

� Surge (bombeo)

� Construcción

� Carcasa partida

� Tipo barril

Turbinas a vapor

Turbina a vapor con recalentamiento usada en ciclo de combinado (General Electric Co.)

Turbinas a vapor: Definición

� Una turbina a vapor es una TMT que tiene como fluido

de trabajo el vapor de una sustancia (generalmente sustancia (generalmente agua). Se emplea una

fuente de energía primaria para producir vapor que

será expandido para extraerle energía.

Turbina a vapor diseñada por Herón de Alejandría (10-70d.C) conocida como eolípila

Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (1/2)

� Son empleadas en:

� Plantas de generación:� A carbón

� Nucleares

� De ciclo combinado

(turbina a gas + turbina a vapor)

� Termosolares

� Geotérmicas

Esquema de funcionamientode una central termosolar

Esquema de funcionamientode una central geotérmica

Esquema defuncionamientode una centralnuclear

Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (2/2)

� Son empleadas en:

� Aplicaciones industriales (industria química)

� Propulsión de grandes barcos (>15MW, buques cisterna, portaaviones)

Turbina a vapor del Titanic que impulsaba la hélice centralEl barco era accionado por motor y turbina a vapor

Turbina de baja presión a vapor en elportaviones USS Hornet

Turbinas a vapor: Desarrollo técnico

� Con el aumento de la capacidad de las turbinas de vapor de trabajar a niveles de niveles de temperatura y presión más altos, aumenta su eficiencia térmica. Estos dos factores son importantes en su diseñoDesarrollo técnico de las turbinas de vapor en el tiempo (1900-2010)

Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Turbinas a vapor: Clasificación (1/2)

� Las turbinas a vapor se clasifican según el nivel de presión que manejan en:

� De baja presión

� De presión media� De presión media

� De alta presión

Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Cuando el vapor de agua se expande, su densidad

aumenta de forma importante. Esto se ve reflejado en el gran

tamaño de una turbina a vapor de baja presión con respecto al de una de alta

presión.

Turbinas a vapor: Clasificación (2/2)

Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Proceso de expansión en una turbina a vapor (1/2)

¡Gran

aumento

del flujo

volumétrico!

Proceso de expansión en una turbina a vapor (2/2)

Expansión en turbina a vaporde baja presión

Línea de saturación

¡Condensación!

Particularidades de las turbinas de baja presión

� Al ver cómo se desarrolla el proceso deexpansión en las turbinas a vapor,encontramos dos aspectos resaltantes en lasturbinas de baja presión:turbinas de baja presión:� El aumento del flujo volumétrico

� La presencia de condensación

Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (1/3)

� Como vimos, en las turbinas a vapor de baja presión, el volumen puede aumentar más de 1500 veces. Esto tiene importantes consecuencias en:

� Diseño de la planta: 2 o 3 turbinas de baja presión Diseño de la planta: 2 o 3 turbinas de baja presión para manejar el mismo flujo másico que pasó por 1 turbinas de media presión

Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (2/3)

…esto tiene importantes consecuencias en:

� Diseño de la turbina:

� Incremento importante del tamaño de la máquina con respecto a una de media o baja presión

Incremento rápido del tamaño de los álabes entre etapas� Incremento rápido del tamaño de los álabes entre etapas

Álabes de turbina de baja presión (doble flujo)

Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (3/3)

� …esto tiene importantes consecuencias en:

� Diseño y dimensiones del condensador: El condensador debe ser capaz de recibir todo el vapor expandido en caso de parada.

Turbinas a vapor: Condensación (1/3)

� La condensación tiene dos efectos importantes:

� La producción de pérdidas

� La erosión de los álabes

Zonas de nucleación en una Zonas de nucleación en una turbina de vapor de baja

presión

Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial –Trejo V.

Diagrama h-s para distintos puntos de operación de la

misma turbina.Nótese que en la expansión se pasa la línea de saturación y

se entra en el domo

Turbinas a vapor: Condensación (2/3)

� La condensación produce 3 tipos de pérdidas:

� Pérdidas termodinámicas: Intercambio de calor entre las fases produce irreversibilidades

� Pérdidas de arrastre: Las gotas con � Pérdidas de arrastre: Las gotas con menor velocidad que el fluido son arrastradas y se produce fricción

� Pérdidas por choque: Las gotas poseen una alta velocidad relativa con respecto al rotor y al chocar se producen pérdidas y erosión

En total, se estima un 1% de pérdidas por 1% de humedad (Regla de Baumann)

Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial –Trejo V.

Turbinas a vapor: Condensación (3/3)

� La erosión de los álabes se produce generalmente en la última

etapa. Las fuerzas centrífugas llevan a las gotas hacia las

cercanías de la carcasa y en esta cercanías de la carcasa y en esta zona impactan los álabes.

� Como medida correctiva se puede:� Reforzar los álabes en la zona de

impacto

� Retirar una pequeña fracción del flujo másico cerca de la carcasa para extraer las gotas

Erosión de álabes por impacto de gotas

Fuente: Presentaciones de la asignatura Fundamentos de las turbomáquinas térmicas de la universidad de Stuttgart