Turbina de Vapor

 

SEP

SNEST

DGEST

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

ESPECIALIDAD: INGENIERIA ELECTROMECÁNICA MATERIA: Diseño e Ingeniería Asistido por Computadora

Proyecto: Turbina de vapor PRESENTAN:   Nepomuceno

Romero Edwin   Segura Castillo Saúl   Munguía Moreno Fabiola   Pedraza   Apolinar Ruiz Israel Geovani

Asesor: García Vázquez Adiel

Metepec, México México a 23 de Octubre del 2014

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Introducción. Mediante este proyecto se presenta y se analiza el uso de las turbinas de vapor con filtros ecológicos. Se conoce que una turbina de vapor genera mecánica a través de la energía de una corriente de agua o vapor. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. El objetivo principal es generar la energía mecánica con vapor obtenido de estufas solares. El proyecto de investigación se hizo a partir de la obtención del vapor ya mencionado anteriormente. Vamos a partir de los conocimientos previos de ensamble y agregándole el filtro ecológico que será incorporado para beneficiar al medio ambiente. Ya que recordemos que nuestro vapor es obtenido de una estufa que utiliza la energía solar. También, nuestro diseño va a ser realizado para comprobar su funcionamiento y mostrar cómo trabaja con vapor la turbina. Y conocer con detalle los beneficios de los filtros ecológicos incorporados a las turbinas de vapor.

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Índice Introducción. ....................................................................................................... 2  Antecedentes ............ ......................... ......................... .......................... ........................... .......................... .......................... ........................ ........... 4 Objetivo .............................................................................................................. 5 Planteamiento del problema ............................................................................... 5 Justificación ........................................................................................................ 6 Marco teórico ...................................................................................................... 7 1 Turbina de vapor .......................................................................................... 7 1.1 Definición .................................................................................................. 7 1.2 Ciclo Rankine ............................................................................................ 7 1.3 El principio de su funcionamiento funcionamiento.............................................................. .............................................................. 8 1.3.1 Rotor ...................................................................................................... 8 a) Rotor ranurado: ....................................................................................... 8 b) Rotor de polos salientes: ......................................................................... 9 c) Rotor jaula de ardilla: ............................................................................... 9 1.3.2 Toberas fijas: ...................................................................................... 9 1.3.3 La carcasa: ....................................................................................... 10 1.4 Clasificación de las turbinas de vapor: ............ .......................... ........................... .......................... ............. 10 1.5 Turbomáquina ......................................................................................... 11

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 Antecedentes La primera turbina de vapor de la que se tiene evidencia histórica es la construida por Herón de Alejandría en el año 175 a.J. Esta turbina estaba formada por una esfera hueca que giraba libremente sobre un eje diametral. Los extremos del eje se prolongaban prolongaban en dos co conductos nductos que a la vez que apoyaban la esfera, servían de conductos por los que ascendía el vapor hasta el interior de la misma.  A través de dos espitas situadas según un eje diametral perpendicular al giro de la esfera, salía el vapor, en sentidos opuestos por cada una. Este ingenio que transformó la presión de vapor en movimiento, constituyó la primera turbina pura de reacción. La siguiente turbina de vapor aparece en 1629, cuando Giovanni Brance experimentó con una rueda de agua modificada, dirigiéndole un chorro de vapor. La rueda giró, p pero ero no tuvo la s suficiente uficiente potencia c como omo para producir trabajo útil. En la turbina, el vapor transforma primero su entalpía en energía cinética y, luego, ésta es cedida al rodete obteniéndose el trabajo mécanico correspondiente. La utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Existe expansión en distintas etapas, o escalonamientos, con el fin de obtener un mejor rendimiento de la operación. Si sólo se realizara la expansión en una etapa, las grandes deflexiones a que tendría que estar sometido el fluido f luido provocarían pérdidas inaceptables. Sin embargo, a medida que aumenta el número de escalonamientos la máquina se encarece, por lo que hay que buscar un buen equilibrio entre rendimiento y costo. El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada entrada y salida a la turbina.

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Objetivo En el proyecto se conocerán la operación y funcionamiento de una turbina de vapor empleada en diversa diversas s operaciones tanto en la generación de energía eléctrica como en otras aplicaciones, observando las operaciones de cada uno de los elementos que conforman una central térmica. Como objetivos específicos debemos determinar el rendimiento de una turbina de vapor del tipo de acción así como el de una unidad turbogeneradora y dar una idea general del funcionamiento de una central térmica de vapor real. De esta manera podremos utilizar la energía generada para darle un uso adecuado.

Planteamiento del problema Hoy en día la generación de energía eléctrica se ha vuelto un tema de gran trascendencia, ya que las plantas suministradoras de energía generalmente contaminan demasiado, una de las mejores opciones es la generación mediante turbinas, pero que estas a su vez no contaminen demasiado o reciclen una parte de las fuentes f uentes de energía que empleen. Las turbinas de vapor son un ejemplo de cómo es que se puede recolectar o reciclar en gran cantidad la fuente de energía que se ocupa; generalmente las turbinas que emplean vapor para su movimiento, no recolectan el vapor que ya fue utilizado, nuestro tema de investigación surgió de esta problemática, una implementación que se puede adicionar en estas turbinas es algún tipo de filtro para eliminar las impurezas que quedan en el vapor que ya fue utilizado y de esta manera recolectar de nuevo ese vapor o agua para que pueda volverse a reutilizar.  Así es el presente trabajo tiene como finalidad diseñar e implementar un modelo para que una turbina reutilice las fuentes de energía y de esta manera contribuir a disminuir la contaminación ambiental.

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Justificación El acelerado crecimiento crecimiento demográfico en México México,, ha incrementado la demanda de cualquier tipo de energía, ya que se exige cada vez más suministro de energía necesaria para la forma de vida moderna. De éste modo surge la necesidad de construcción de un mayor número de plantas generadoras, lo cual resulta muy costoso y requiere de mucho tiempo para su construcción. Las plantas de generación de energía eléctrica, no siempre se encuentran trabajando al 100% de su capacidad, y entre otras razones, esto se debe a las fallas que presentan sus componentes; tal es el caso de las turbinas de vapor. Las fallas, paros forzados o cualquier condición anormal de funcionamiento en las turbinas de vapor, pueden evitarse por medio de inspecciones a las máquinas. Para detectar éstas fallas es necesario realizar una inspección integral en las turbinas de vapor, lo cual permite identificar la vida útil del material de sus componentes.

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Marco teórico 1 Turbina de vapor 1.1 Definición Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, normalmente, se transmite a un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores. La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por sir Charles Parsons, cuyo primer modelo fue conectado a un dinamo que generaba 7.5 kW (10 hp) de electricidad. La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible una electricidad barata y abundante y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval.

1.2 Ciclo Rankine El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. 7

 

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

1.3 El principio de su funcionamiento  Aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar imp ulsar un rotor que tenía una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel. Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquereles, tratando de cubrir en en mejor forma el rotor. En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideo una carcasa para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel varios u forma circular a arco de corona circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes móviles.  Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre los alabes del rotor.

1.3.1 Rotor

Constituye la parte móvil del motor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos:

a) Rotor ranurado: Un rotor ranurado tiene aproximadamente el doble de la vida de un rotor existente. Su diseño hace esto al expulsar el exceso de calor fuera de las ranuras incluso durante el frenado excesivo. Esto reduce el desgaste del rotor. Cuando son utilizados rotores ranurados, un vehículo tendrá una distancia de parada más suave y más corta al frenar que un rotor perforado debido a su mayor peso.

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b) Rotor de polos salientes: Este tipo de rotor lo veremos principalmente en máquinas de velocidad menor a 1200 rpm. Podemos señalar básicamente 2 cusas que limita el diseño de máquinas de polos salientes para alta velocidad: 1.- La concentración de masa en los polos donde agrandes velocidades se producirían fuerzas centrifugas excesivas. 2.- Por perdidas de ventilación, que en este tipo de rotor serian considerables a más de que serían maquinas muy ruidosas.

c) Rotor jaula de ardilla: El nombre de jaula de ardilla dado a este tipo de rotor corresponde a la similitud de forma entre una jaula de las que se utilizaban (o utilizan aún) para encerrar una ardilla y la que tendría el rotor sin su núcleo de plancha magnética. Por las ranuras obtenidas pasan unas barras de cobre o aluminio que tienen su misma sección y que sobresalen un poco por ambos extremos del empilado. Estos conductores de cobre o aluminio se cierran s sobre obre dos anillos del mismo metal que reciben el nombre de tapas del rotor.

1.3.2 Toberas fijas: Por las toberas 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 alabes de la turbina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica.

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1.3.3 La carcasa: La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas. Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor facilidad.

1.4 Clasificación de las turbinas de vapor:

Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los tipos fundamentales que nos interesan son: Según el número de etapas o escalonamientos escalonamientos:: 1) Turbinas mono etapa, son turbinas que se utilizan para pequeñas y medianas potencias. 2) Turbinas multietapa, aq aquellas uellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y además interesa que el rendimiento sea muy alto. alt o. Según la presión del vapor de salida: 1) Contrapresión, en ellas el v vapor apor de escape es utiliz utilizado ado posteriormente en el proceso. 2) Escape libre, el vapor de escape v va a hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energía pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc. 3) Condensación, en las turbinas de co condensación ndensación el vapor de escap escape e es condensado con agua de refrigeración. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en máquinas de gran potencia.

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Según la forma en que se realiza la transformación de energía térmica en energía mecánica: 1) Turbinas de acción, en las cu cuales ales la transformación se realiza realiza en los álabes fijos. 2) Turbinas de reacción, en ellas dicha transformació transformación n se realiza a la v vez ez en los álabes fijos y en los álabes móviles.

Según la dirección del flujo en el rodete. 1) Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo un con que tiene el mismo eje que la turbina. Es el caso más normal. 2) Radiales, el paso de vapor se realiz realiza a siguiendo todas las direcciones direcciones perpendiculares al eje de la turbina. Turbinas con y sin extracción. En las turbinas con extracción se extrae una corriente de vapor de la turbina antes de llegar al escape.

1.5 Turbomáquina Participación de la turbina de vapor en la central termoeléctrica Todo el equipo de una central termoeléctrica es importante, pero de ac acuerdo uerdo a su participación directa en la obtención del objetivo, así como por su tamaño y costo, se clasifica a los siguientes equipos como principales:

a) Generador de vapor b) Turbina de vapor c) Condensador d) Generador eléctrico

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La turbina de vapor es la más simple, eficiente y c completa ompleta de las máquinas de vapor. Comparada con otras máquinas tiene las siguientes ventajas:

a) Ocupa poco espacio b) Es bastante eficiente c) Funcionamiento relativamente silencioso y sin vibraciones.

Planta termoeléctrica.

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