Turbinas De Vapor

TURBINAS DE VAPOR.

Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña, al hacerlo el chorro de vapor adquiere una gran velocidad, parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina. Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes se denominan turbinas de acción. En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero también es posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entre los álabes tengan la forma de toberas. En este caso la reacción ejercida sobre estas toberas por el vapor saliente hace girar el rodete.

Este principio es el que caracteriza una turbina de reacción pura. Tanto a las turbinas de acción como de reacción es aplicable la ley de Newton del movimiento, la cual dice que a cada acción corresponde una reacción igual y sentido contrario.

Las toberas en las turbinas de vapor.

En una turbina el vapor se dirige permanentemente de las toberas a los alabes uniformemente repartidos en la periferia del rodete. La transformación de energía se lleva a cabo mediante fuerzas ejercidas sobre los álabes del rodete, a causa de los cambios de cantidad de movimiento del vapor al pasar a través de los canales de los alabes. De esta forma la entalpía se convierte en energía cinética a medida que el vapor circula por la tobera. En una turbina ideal toda variación de entalpia del vapor aparece en forma de energía cedida al eje. La turbina ideal tiene interés al estudiar la velocidad que adquiere el chorro de vapor, su comportamiento y las dimensiones de la tobera requerida. Se aplica la ecuación d continuidad, es decir:

(A_1 V_1)/v_1 = (A_3 V_3)/v_3 = (A_2 V_2)/v_2 = m, flujo de masa, en kg/seg

En donde A = área, en m2, V = velocidad, en m/seg. Y v =volumen especifico, en ms/kg.

Al pasar el vapor de un punto a otro las transformaciones de energía se expresan por la ecuación del flujo permanente. Si el flujo es isoentrópico, resulta:

h_1-h_2=V_(2^2 )/2gJ

En donde V2 es la velocidad en m/seg adquirida como consecuencia de la variación de entalpia. Puesto que g=9,81 m/seg resulta:

V^2= 426 x 2 x 9.81 (h1-h2) V= 91.4√(h_(1 )-h_2 )

Al proyectar una tobera ideal para una expansión de entropía constante, puede calcularse el área de la sección recta en cualquier punto n utilizando la ecuación de continuidad, es decir,

A_n=〖mv〗_n/V_n

En donde:

A_n= área, en m^2

m= Masa de vapor que circula, en kg/seg.

v_n= Volumen especifico neto del vapor por la presión P en m3/kg.

V_n= Velocidad del vapor en el punto n, en m/seg.

Según esto el área de la sección recta de la tobera en un punto cualquiera es función del volumen, y de la masa de vapor que pasa por ella. Cuando la evolución del vapor es adiabática y se realiza sin rozamientos, la entropía del vapor en un punto cualquiera de la tobera es igual a la entropía inicial. Al proyectar una tobera de turbina es preciso escoger una área para la sección recta correspondiente a la garganta tal, que pueda pasar la cantidad de vapor requerida con la caída de presión prevista, toda vez que la velocidad viene determinada por dicha caída de presión. Esto se hace trabajando sobre la base de 1 kg de vapor, debido a que las fórmulas, tablas y gráficos están referidos a dicha unidad.

La sección recta de la garganta normalmente se toma como referencia para el diseño de la tobera. La porción divergente de esta se construye generalmente con un ángulo de divergencia constante de aproximadamente 6° con el eje de la tobera hasta alcanzar la sección recta de la salida requerida, si el ángulo de divergencia es demasiado grande, se producen torbellinos, y si es demasiado pequeño, la longitud de la tobera se hace demasiado grande. Esta longitud puede relacionarse con la sección recta de la garganta por medio de la ecuación empírica:L=√(〖15A〗_0 ) donde,

A_0= área de la sección recta de la garganta en cm.

L= longitud de la tobera desde la garganta hasta la salida en cm.

La forma de la sección recta de las toberas puede ser circular, elíptica, cuadrada, o rectangular con ángulos redondeados.

Tipos de turbinas.

Turbinas de acción, en las turbinas de acción toda la caída de presión tiene lugar en la tobera, y una parte de la energía cinética resultante del vapor en movimiento es absorbida por los alabes de rotor. Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de la periferia del rotor, por cuya razón en un momento dado solamente parte de los álabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor. Las primeras turbinas de este tipo eran las De Laval. El vapor se expansionaba desde la presión inicial a la de escape en el interior de las toberas, y la energía cinética del chorro era absorbida por una sola hilera de álabes montados en la periferia del rotor. Dichos álabes desvaían el chorro de vapor absorbía la mayor parte de la energía cinética, de forma que el vapor salía del rodete con una velocidad muy reducida. Algunas turbinas de este tipo están en servicio, pero en la actualidad ya no se construyen, debido a que giran a velocidades comprendidas entre 10 000 y 30 000 r.p.m.

En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una tobera debería llevarse al reposo en los alabes y de esta forma, cedería toda su energía cinética a los mismos. En las turbinas de acción reales esto no es posible por razones de tipo constructivo. Por este motivo siempre se produce una pérdida de energía en la turbina a causa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.

Para conseguir un mínimo de perdidas en la entrada, el chorro de vapor debería entregarse según la tangente a la curva interior del álabe en su borde de entrada, y si el Alabe no se moviese, el chorro de vapor seguiría entonces dicha dirección. Ahora bien, como quiera que el Alabe se mueve hacia adelante y se aparta del chorro, el vapor debe dirigirse en la dirección indicada por Va para que llegue al Alabe en la dirección de V.

La energía absorbida del vapor al pasar esto por el Alabe es

(mV_(δ^2 ))/2g=(m〖(〖V´〗_a)〗^2)/2g

En donde m es el flujo de masa de vapor, en kg/seg.

Si el álabe fuese teóricamente perfecto, la velocidad absoluta V’a sería cero y absorbería toda la energía cinética del vapor. Esto es prácticamente imposible en una turbina real, y siempre existe una perdida debida a la velocidad residual

...