TRABAJO TURBINAS GAS VS VAPOR

DIFERENCIAS CONSTRUCTIVAS EN TURBINAS DE GAS VS VAPOR 

Introducción a las turbomaquinas con definiciones y aproximación a las turbinas de gas y a las de vapor centrándonos en su diferente funcionamiento y estructura de las mismas.

Palabras clave: Turbomaquina, Turbomaquina, turbina, rodete, r odete, alabe, gas, vapor, central, fluido, compresor, bomba.

Autor: Álvaro Machín Calleja

INTRODUCCIÓN Este trabajo sigue una estructura que es la siguiente: Las primeras páginas son unas definiciones fundamentales para el entendimiento del resto de artículos expuestos en el trabajo ya que debido a su tecnicidad el registro es un tanto complejo. Seguido he incluido una descripción a grosso modo de las turbinas en general. Las ultimas dos secciones del trabajo pertenecen a la explicación mas centrada y detallada de cada una de las turbinas, las de vapor y las de gas. Por ultimo hay una conclusión y la bibliografía de donde se ha obtenido toda la información del trabajo.

Definiciones Fundamentales:

Turbomáquina: Las turbomáquinas se definen como maquinas cuya función principal es la transformación de energía para un fluido, ya sea aportándosela como energía potencial y cinética, o extrayéndosela para producir movimiento y con este, electricidad. Su elemento fundamental es el rodete, que es un disco de alabes que mueve, o es movido por el fluido que circula constantemente a través de el. Según si su función es aportar o recolectar energía, las turbomáquinas se diferencian en:  bombas (aportar energía al fluido) y turbinas (utilizan la energía del fluido para mover  rodetes con alabes que producen electricidad.

Turbina: Se les llama así a las turbomaquinas que se encargan de la transferencia de energía fluidomaquina. Funcionan mediante un rodete de alabes por los que a través de los pasa fluido de forma continua haciendo que estos giren en torno a un eje conectado a un generador eléctrico.

Rodete: Es un elemento giratorio de forma circular que normalmente va en el interior de la  bombas (para impulsar fluido) o turbinas (para recibir energía de giro), esta compuesto de una serie de alabes o palas curvadas en contra del movimiento del fluido que son las que chocaran directamente con este, el disco es perpendicular al eje de revolución. El fluido accede al rodete por su interior o “ojo” y de este es centrifugado por los alabes en dirección radial hacia la voluta. Su geometría es muy importante para determinar el rendimiento y las características de la turbomaquina.

Rotor y estator: Una turbomaquina siempre esta compuesta por estos dos elementos, el rotor es la parte móvil de la turbina o bomba, es decir el “rodete”, el estator es la parte fija de la maquina o “voluta”, el estator alberga en su interior al rotor.

Turbinas: Como se ha explicado mas atrás este elemento sirve para intercambiar la energía  potencial y cinética, fluido  maquina. Hay muchos tipos de turbinas atendiendo a su función. De diferente forma, tamaño y diseño. Esto varia en función del fluido a tratar y de la cantidad de energía que queramos transformar, si se trata de poca cantidad de fluido y poca energía se instalara un turbina simple, si por el contrario la cantidad fluido es mucha al igual que la energía a recolectar, se instalara una turbina de varias etapas, formada por varios rodetes, de alta  presión, de media presión y de baja presión para aprovechar al máximo la energía que circula a través de ella. Hasta hoy en día las turbinas son unos de los motores más eficientes que existen en comparación con los de combustión interna. Las turbinas pueden clasificarse en: Turbinas hidráulicas y turbinas térmicas. Las hidráulicas se caracterizan por que el fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad a su paso por los alabes, normalmente suelen ser las turbinas de agua. Dentro de este grupo hay turbinas de acción y turbinas de reacción, las primeras son aquellas en las que el fluido no sufre ningún cambio de presión, y en las segundas el fluido sufre una gran depresión a su paso por los alabes. Las térmicas se caracterizan porque el fluido sufre un cambio de densidad a su paso por  la turbina, estas turbinas a la vez se subdividen en dos grupos, las turbinas de vapor y las turbinas de gas, que son las que estudiaremos a fondo mas adelante. En las turbinas de vapor el fluido puede cambiar de fase a si paso por los alabes, en este grupo entran las turbinas de mercurio, y las turbinas de vapor de agua (estas son las mas comunes). En las turbinas de gas por el contrario no se espera ningún cambio de fase a su paso por  el rodete. Según el fluido a tratar, la turbina será diferente en algunos aspectos. Existen turbinas de agua, de vapor, de gas, de aire… En este trabajo nos centraremos en 2 tipos de turbinas, las que utilizan como fluido de trabajo el vapor y las que utilizan el gas.

Turbina de agua

Turbina de vapor

Turbina de gas

TURBINAS DE VAPOR: Como ya se ha definido anteriormente son turbomaquinas que transforman la energía de un flujo de vapor en energía mecánica, a través de un intercambio de la cantidad de movimiento entre el fluido (vapor) y la maquina (rodete). Este tipo de turbinas es empleada en algunos ciclos de potencia para la obtención de trabajo, el mas común es el ciclo Rankine, que consiste en un circuito cerrado de vapor  con una serie de elementos para sus cambios de estado, el básico consta de: una caldera, donde se le aporta energía calorífica al fluido y este se transforma en vapor a altas  presiones; una turbina encargada de la transformación de energía térmica o presión a energía mecánica, un condensador para transformar el vapor sobrante a liquido saturado  para que su posterior paso por la bomba no resulte problemático o dañino para esta, y finalmente la bomba cuyo cometido es darle energía al fluido para que sea capaz de regresar a la caldera. Este es el circuito básico, luego existen diversas transformaciones que mejoran su rendimiento y eficiencia.

Existen turbinas de vapor de muchos tamaños diferentes, desde las pequeñas que son usadas para accionar bombar o compresores, hasta las turbinas grandes que sirven para generar electricidad. También se pueden clasificar en turbinas de acción y de reacción. De acción se les llama a las turbinas que producen el cambio de energía o salto entalpico en el estator, a su paso por el rotor la presión se mantiene igual y se reduce la velocidad. Las turbinas de reacción son aquellas que producen su salto entalpico en el rotor o estator indiferentemente, y si solamente lo producen en el rotor, se las llamara turbinas de reacción puras. Según las condiciones de escape, existen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extracción e inducción. Las turbinas de no condensación son usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La  presión a la salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías e instalaciones de desalinización, Las turbinas condensadoras se encuentran en plantas de potencia eléctrica, sacan de ellas el vapor prácticamente saturado, a una presión bastante inferior a la atmosférica. Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi solamente en plantas eléctricas, en estas el vapor sale de una sección a alta presión y se vuelve a llevar a la caldera para sobrecalentarlo y devolverlo a otra etapa de la turbina de menor presión.

En las turbinas de extracción el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado para distintos procesos industriales, o enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo. En las turbinas de vapor, dada la gran diferencia existente entre la presión a la entrada y la presión a la salida, es necesario producir esta expansión en distintas etapas de la turbina, ya que si solo se produciría en una etapa las grandes deflexiones a las que estaría sometido el fluido provocaría unas perdidas enormes. Las perdidas en una turbina de “n” etapas no son iguales a la suma de perdidas de “n” turbinas por lo que hay que realizar un estudio para economizar y buscar la mejor solución en cualquier  instalación, ya que a medida que aumenta el numero de etapas de una turbina también aumenta su precio. En este tipo de turbinas hay que tener mucho cuidado con las presiones de entrada a la turbina ya que si son muy altas (mayores que la de saturación) puede producirse el fenómeno de “cavitacion” que consiste en el cambio de estado del fluido dentro de la turbina, produciendo choques brutales de partículas contra los alabes del rodete ocasionando un desgaste rápido.

 Rodetes afectados por la cavitación.

Elementos de una turbina de vapor: Rotor: Es la parte móvil de la maquina, la energía desprendida por el vapor es aprovechada por  este elemento en energía mecánica. Dado que la turbina esta dividida en varias etapas, el rotor esta compuesto por una serie de rodetes, uno por etapa.

Estator: El estator esta constituido por la propia carcasa de la turbina, al igual que el rotor, esta también esta formado por una serie de coronas de alabes, siendo cada una de una etapa de la turbina.

Tobera: El vapor entra a la turbina a través de estos elementos. Se encargan de conseguir una correcta distribución del entrante o saliente, al o desde el interior de la turbina.

Estas turbinas también se clasifican en función de la dirección del vapor en el interior de estas. Se distinguen Radiales y Axiales. Radiales: La dirección del vapor es en un plano perpendicular al eje de la turbina. Axiales: La circulación permanece paralela al eje de la turbina.

TURBINAS DE GAS: Una turbina de gas es una maquina térmica motora accionada por la expansión de los gases calientes. Hay 2 maneras de clasificar las turbinas de gas: 1- Según el ciclo termodinámico: Abierto: El fluido comprimido es tomado de la atmósfera y al final del ciclo expulsado de nuevo a esta Cerrado: El gas fluye en un circuito cerrado intercambiando el calor con dos focos que a su vez son otros circuitos secundarios. Regenerativo: Se aprovechan los gases que según salen de la primera turbina calientan el aire que entra antes del foco caliente. Los componentes principales de estas turbinas son el compresor, la cámara de combustión y la turbina de una o varias etapas Diferentes tipos de turbinas de gas: Turbina simple:

Turbina con enfriamiento y doble compresión de fluido:

Turbina con recalentamiento:

Turbina regenerativa:

2- Según su aplicación: Generación eléctrica en centrales, o propulsión motora de aviones, barcos… La parte crítica a destacar del funcionamiento de estas turbinas son las altas temperaturas que alcanzan los gases y que por tanto pueden afectar al rodete y a su rendimiento. Y como parte positiva esta la relación potencia/peso, posibilidad de funcionamiento automático.

Este tipo de turbinas son empleadas en ciclos de refrigeración y en otros ciclos de  potencia como el Brayton, que es un ciclo que consiste en su forma más sencilla en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento a presión constante y una expansión adiabática del gas compresible.

Ciclo Brayton

Diagrama Sankey del rendimiento de una turbina de gas:

CONCLUSIÓN: En este trabajo se ha expuesto el funcionamiento de dos tipos de turbinas, las de gas y las de vapor, así como sus partes, rendimientos y aplicaciones. Podemos comparar estos dos tipos de turbinas en cuanto a sus rendimientos, las dos variedades tienen pros y contras, por ejemplo en las turbinas de vapor existe el riesgo de la cavitacion y en las turbinas de gas están las altas temperaturas y revoluciones a las que trabaja que dan lugar a deterioros. También hemos visto las aplicaciones de cada una de las turbinas así como los ciclos en los que comúnmente trabajan como el ciclo Rankine y el ciclo Brayton.

BIBLIOGRAFÍA: Internet .www.gas-turbines.com -www.Wikipedia.com