TURBINAS DE VAPORTURBINAS DE VAPOR

TURBINAS DE GASTURBINAS DE GAS

CONTENIDOCONTENIDOCAPITULO 01: CAPITULO 01: Los fluidos compresibles en las conversiones de energía.Los fluidos compresibles en las conversiones de energía.

CAPITULO 09:CAPITULO 09: Teoría general de la turbina de gas.Teoría general de la turbina de gas.

CAPITULO 10: CAPITULO 10: Ciclos prácticos en turbinas de gas.Ciclos prácticos en turbinas de gas.

CAPITULO 11: CAPITULO 11: Combustión y combustibles en turbinas de gas.Combustión y combustibles en turbinas de gas.

CAPITULO 12: CAPITULO 12: Tipos y características de operación de las turbinas de gas.Tipos y características de operación de las turbinas de gas.

CAPITULO 13:CAPITULO 13: Tendencia en el desarrollo.Tendencia en el desarrollo.

CAPITULO 14: CAPITULO 14: Principios teóricos de la turbina de vapor. Ciclos.Principios teóricos de la turbina de vapor. Ciclos.

CAPITULO 15: CAPITULO 15: Ciclo combinado de gas y vapor.Ciclo combinado de gas y vapor.

CAPITULO 16: CAPITULO 16: Tipos y características de las turbinas de vapor.Tipos y características de las turbinas de vapor.

CAPITULO 17: CAPITULO 17: Plantas nucleoeléctricas.Plantas nucleoeléctricas.

CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1

LOS FLUIDOS COMPRESIBLES EN LAS LOS FLUIDOS COMPRESIBLES EN LAS CONVERSIONES DE LA ENERGÍACONVERSIONES DE LA ENERGÍA

1.1. Características del fluido compresible1.1. Características del fluido compresible

El fluido compresible se caracteriza por su naturaleza gaseosa, que le hace posible El fluido compresible se caracteriza por su naturaleza gaseosa, que le hace posible experimentar va riaciones notables en su volumen específico por cambios en la presión o en la experimentar va riaciones notables en su volumen específico por cambios en la presión o en la temperatura, modificándose los niveles de energía en el mismo fluido. De esta forma, éste se temperatura, modificándose los niveles de energía en el mismo fluido. De esta forma, éste se hace capaz de almacenar o de ceder energía con facilidad, por lo que constituye un medio hace capaz de almacenar o de ceder energía con facilidad, por lo que constituye un medio apropiado de transferencia de energía, que halla excelente aplica ción en las máquinas de apropiado de transferencia de energía, que halla excelente aplica ción en las máquinas de conversión, como turbinas y compresores.conversión, como turbinas y compresores.

1.2. Definición de turbomáquinas de fluido compresible-Tipos fundamentales1.2. Definición de turbomáquinas de fluido compresible-Tipos fundamentales

Las turbomáquinas de fluido compresible son máquinas rotativas que permiten la transferencia Las turbomáquinas de fluido compresible son máquinas rotativas que permiten la transferencia de energía entre un fluido de naturaleza gaseosa y un rotor provisto de álabes que gira dentro de energía entre un fluido de naturaleza gaseosa y un rotor provisto de álabes que gira dentro de una carcasa o cuerpo estructural.de una carcasa o cuerpo estructural.La transferencia de energía tiene su origen en las propiedades elásticas del fluido de trabajo y La transferencia de energía tiene su origen en las propiedades elásticas del fluido de trabajo y en los cambios que sufre el momento de la cantidad de movimiento del fluido con relación al en los cambios que sufre el momento de la cantidad de movimiento del fluido con relación al tiempo, mientras éste pasa por los ductos que forman álabes y carcasa, sobre los que determina tiempo, mientras éste pasa por los ductos que forman álabes y carcasa, sobre los que determina acciones y reacciones equivalentes a fuerzas.acciones y reacciones equivalentes a fuerzas.Si la transferencia de energía se hace de máquina a fluido se tiene un Si la transferencia de energía se hace de máquina a fluido se tiene un compresor. compresor. Si de fluido a Si de fluido a máquina, se tiene una turbina.máquina, se tiene una turbina. En los compresores el fluido de trabaja es el aire u otros gases. En los compresores el fluido de trabaja es el aire u otros gases. En las turbinas puede ser el vapor de agua o gases procedentes de la combustión de un En las turbinas puede ser el vapor de agua o gases procedentes de la combustión de un combustible, generalmente derivado del petróleo.combustible, generalmente derivado del petróleo.

1.3. Importancia de las turbomáquinas de fluido compresible en las conversiones de la 1.3. Importancia de las turbomáquinas de fluido compresible en las conversiones de la energíaenergía

Los procesos tecnológicos exigen energía para operar transformaciones en la materia. La Los procesos tecnológicos exigen energía para operar transformaciones en la materia. La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Se aprovecha así la transformación o energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Se aprovecha así la transformación o cambio que puede liberar energía convertible en trabajo útil.cambio que puede liberar energía convertible en trabajo útil.

Para llegar a las formas últimas de la energía que la hagan de fácil y eficaz aplicación, es Para llegar a las formas últimas de la energía que la hagan de fácil y eficaz aplicación, es preciso reali zar conversiones. De momento, posiblemente por mucho tiempo, la forma preciso reali zar conversiones. De momento, posiblemente por mucho tiempo, la forma eléctrica es la preferida. Para la producción de electricidad partiendo de los energéticos eléctrica es la preferida. Para la producción de electricidad partiendo de los energéticos naturales (carbón, petróleo o gas natural), las turbo. máquinas de fluido compresible, vapor o naturales (carbón, petróleo o gas natural), las turbo. máquinas de fluido compresible, vapor o gas, están probando ser las más eficaces. Incluso en las nuevas plan tas nucleoeléctricas, las gas, están probando ser las más eficaces. Incluso en las nuevas plan tas nucleoeléctricas, las turbinas de vapor siguen constituyendo el elemento fundamental en la conversión de la turbinas de vapor siguen constituyendo el elemento fundamental en la conversión de la energía térmica de la fisión nuclear, en electricidad, a través del vapor de agua como fluido de energía térmica de la fisión nuclear, en electricidad, a través del vapor de agua como fluido de trabajo.trabajo.

Por otra parte, las turbinas de gas no sólo hallan valiosa aplicación hoy día en la aviación de Por otra parte, las turbinas de gas no sólo hallan valiosa aplicación hoy día en la aviación de propulsión a chorro, sino que encuentran excelente aplicación en la generación de electricidad propulsión a chorro, sino que encuentran excelente aplicación en la generación de electricidad (figura 1.1) para cubrir pi cos en la curva de demanda de energía, por su fácil y rápida puesta (figura 1.1) para cubrir pi cos en la curva de demanda de energía, por su fácil y rápida puesta en servicio. Las turbinas de gas necesitan del turbocompresor de aire, máquina que tiene aquí en servicio. Las turbinas de gas necesitan del turbocompresor de aire, máquina que tiene aquí importante aplicación, así como en todos aquellos casos en que se requiera aumentar la importante aplicación, así como en todos aquellos casos en que se requiera aumentar la energía del aire en forma de presión (figura 1.2).energía del aire en forma de presión (figura 1.2).

Fig. 1.1 Turbina de gas ALTHOM, de 90000 kW a 3000 rpm, para generación de electricidad

Las turbinas de vapor pequeñas y las turbinas de gas se emplean también como motores Las turbinas de vapor pequeñas y las turbinas de gas se emplean también como motores sobre todo en ciertas instalaciones industriales.sobre todo en ciertas instalaciones industriales.Se debe señalar que la producción de energía eléctrica en el mundo aumenta en forma Se debe señalar que la producción de energía eléctrica en el mundo aumenta en forma espectacular y que el origen térmico de la misma (Figura 1.3) predomina cada día más espectacular y que el origen térmico de la misma (Figura 1.3) predomina cada día más sobre el hidráulico, por las limitaciones que lógicamente éste tiene en los saltos de agua y sobre el hidráulico, por las limitaciones que lógicamente éste tiene en los saltos de agua y por la incidencia tan fuerte que se siente en las fuentes energéticas de origen térmico, ya por la incidencia tan fuerte que se siente en las fuentes energéticas de origen térmico, ya sea con base en los combustibles fósiles o en la fisión nuclear.sea con base en los combustibles fósiles o en la fisión nuclear.No se sabe, si para cuando se haga posible la fusión termonuclear, sean todavía necesarias No se sabe, si para cuando se haga posible la fusión termonuclear, sean todavía necesarias las turbinas -de vapor o se ceda el paso a los generadores magnetohidrodinámicos. Pero en las turbinas -de vapor o se ceda el paso a los generadores magnetohidrodinámicos. Pero en lo que resta del presente siglo y posiblemente en una buena parte del venidero, las turbinas lo que resta del presente siglo y posiblemente en una buena parte del venidero, las turbinas de vapor y de gas se espera tengan vigencia y con un papel muy importante que de vapor y de gas se espera tengan vigencia y con un papel muy importante que desempeñar.desempeñar.Una gran preocupación importante de los ingenieros de hoy en día es mejorar los Una gran preocupación importante de los ingenieros de hoy en día es mejorar los rendimientos de los sistemas térmicos de conversión de energía, cuyo valor promedio rendimientos de los sistemas térmicos de conversión de energía, cuyo valor promedio mundial viene siendo del orden del 40%. Con este fin, en ciertos países, no sólo se efectúa mundial viene siendo del orden del 40%. Con este fin, en ciertos países, no sólo se efectúa la interconexión de los grandes sistemas de generación, sino que se trata de integrar con la interconexión de los grandes sistemas de generación, sino que se trata de integrar con los mismos otras plantas particulares destinadas a asegurar ciertos servicios Co merciales o los mismos otras plantas particulares destinadas a asegurar ciertos servicios Co merciales o industriales, con lo cual se conjugan máquinas de características muy diversas, que pueden industriales, con lo cual se conjugan máquinas de características muy diversas, que pueden en contrar un funcionamiento en condiciones apropiadas dentro de un gran sistema, con lo en contrar un funcionamiento en condiciones apropiadas dentro de un gran sistema, con lo que se pueden lograr rendimientos globales óptimos, que llegan al 45% y en ciertos casos que se pueden lograr rendimientos globales óptimos, que llegan al 45% y en ciertos casos al 50%.al 50%.Asimismo, se está tratando de aprovechar el calor residual de las turbinas de vapor para Asimismo, se está tratando de aprovechar el calor residual de las turbinas de vapor para procurar (-ale-facción a las zonas habitacionales cercanas a la planta térmica, por medio de procurar (-ale-facción a las zonas habitacionales cercanas a la planta térmica, por medio de tuberías adecuadas, en lugar tuberías adecuadas, en lugar de de que ese calor se disipe inútilmente en el condensador.que ese calor se disipe inútilmente en el condensador.

Fig. 1.2 Turbocompresor centrífugo SULZER de 5 escalonamientos sin enfriamiento intermedio, para un gasto volumétrico.

1.4 Métodos de estudio de las turbomáquinas1.4 Métodos de estudio de las turbomáquinas

Son varios los métodos de estudio que pueden seguirse para estudiar las Son varios los métodos de estudio que pueden seguirse para estudiar las turbomáquinas y cada uno puede encontrar justificación en el desarrollo y análisis turbomáquinas y cada uno puede encontrar justificación en el desarrollo y análisis de un tipo particular; pero si se trata de señalar una metodología general, propia de de un tipo particular; pero si se trata de señalar una metodología general, propia de un curso para estudiantes de ingeniería, se deben considerar aquellos proce un curso para estudiantes de ingeniería, se deben considerar aquellos proce dimientos que tienen un fundamento común para todas las turbomáquinas, dimientos que tienen un fundamento común para todas las turbomáquinas, cualquiera que sea el tipo, es tableciendo unos principios universales que puedan ser cualquiera que sea el tipo, es tableciendo unos principios universales que puedan ser fácilmente comprendidos y asimilados.fácilmente comprendidos y asimilados.

Hay tres métodos para estudiar el comportamiento general de las turbomáquinas: el Hay tres métodos para estudiar el comportamiento general de las turbomáquinas: el analítico, el experi mental y el análisis dimensional.analítico, el experi mental y el análisis dimensional.

El El método analíticométodo analítico se basa en el estudio de la dinámica del fluido a su paso por la se basa en el estudio de la dinámica del fluido a su paso por la máquina, según los principios de la Mecánica de fluidos: análisis de diagramas máquina, según los principios de la Mecánica de fluidos: análisis de diagramas vectoriales de las velocidades a la entrada y a la salida de los elementos de vectoriales de las velocidades a la entrada y a la salida de los elementos de conversión de la energía del fluido. Estudio dinámico carac terizado por la conversión de la energía del fluido. Estudio dinámico carac terizado por la influencia de las cantidades de movimiento y de las fuerzas exteriores. Relaciones influencia de las cantidades de movimiento y de las fuerzas exteriores. Relaciones entre las propiedades o variables que definen la dinámica del fluido a su paso por la entre las propiedades o variables que definen la dinámica del fluido a su paso por la turbomáquina, como son: gasto, carga, presión, potencia, par, velocidad de turbomáquina, como son: gasto, carga, presión, potencia, par, velocidad de rotación, tamaño o dimensión, masa específico, elasticidad, etc.rotación, tamaño o dimensión, masa específico, elasticidad, etc.

El El método experimentalmétodo experimental, , que permite comprobar los aciertos o desaciertos del cálculo que permite comprobar los aciertos o desaciertos del cálculo analítico y del diseño de las formas de ductos de paso, álabes y carcasa. Es evidente que el analítico y del diseño de las formas de ductos de paso, álabes y carcasa. Es evidente que el progreso de las turbomáquinas y el éxito alcanzado por éstas, en el presente siglo, se debe progreso de las turbomáquinas y el éxito alcanzado por éstas, en el presente siglo, se debe fundamentalmente al desarrollo de la Mecánica de fluidos, que ha dado un conocimiento más fundamentalmente al desarrollo de la Mecánica de fluidos, que ha dado un conocimiento más completo de la dinámica de los fluidos favoreciendo el diseño de formas fluidodinámicas que completo de la dinámica de los fluidos favoreciendo el diseño de formas fluidodinámicas que evitan los choques indebidos contra los álabes o la turbulencia por separación de los contornos evitan los choques indebidos contra los álabes o la turbulencia por separación de los contornos de paso, logrando con ello excelentes rendimiento ser embargo, la experimentación se hace de paso, logrando con ello excelentes rendimiento ser embargo, la experimentación se hace necesaria para conocer el comportamiento de la máquina concebida como un todo. Algunas necesaria para conocer el comportamiento de la máquina concebida como un todo. Algunas formas aisladas de un modelo de un elemento de máquina puede ser analizada teóricamente, formas aisladas de un modelo de un elemento de máquina puede ser analizada teóricamente, aunque no todas. Pero la influencia recíproca de unos elementos sobre otros particularmente aunque no todas. Pero la influencia recíproca de unos elementos sobre otros particularmente en una, estructura complicada como la de una turbomáquina, es difícil conocerla por la vía en una, estructura complicada como la de una turbomáquina, es difícil conocerla por la vía analítica. Es entonces cuando la experimentación sobre el conjunto puede ser valioso.analítica. Es entonces cuando la experimentación sobre el conjunto puede ser valioso.

El análisis El análisis dimensional dimensional es el tercer método que se señala como general para el estudio de es el tercer método que se señala como general para el estudio de grupos de máquinas. Con el conocimiento de las variables que intervienen en el movimiento grupos de máquinas. Con el conocimiento de las variables que intervienen en el movimiento de un fluido en una turbomáquina, manejadas de manera puramente matemática, el análisis de un fluido en una turbomáquina, manejadas de manera puramente matemática, el análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre dichas variables, en los que puede advertir la dimensional ofrece grupos de relaciones entre dichas variables, en los que puede advertir la relación de proporcionalidad directa inversa o potencial que existe entre las mismas variables. relación de proporcionalidad directa inversa o potencial que existe entre las mismas variables. El método parece abstracto, pero en realidad es una, herramienta poderosa en una primera El método parece abstracto, pero en realidad es una, herramienta poderosa en una primera aproximación, pues, con un mínimo de conocimiento procura una guía eficaz en la aproximación, pues, con un mínimo de conocimiento procura una guía eficaz en la investigación, limitada así, a buscar solamente los coeficientes de proporcionalidad que investigación, limitada así, a buscar solamente los coeficientes de proporcionalidad que convierten los referidos grupos en identidades. Se confirman por análisis dimensional los convierten los referidos grupos en identidades. Se confirman por análisis dimensional los coeficientes de funcionamiento (de velocidad, presión, gasto, par, potencia), así como los coeficientes de funcionamiento (de velocidad, presión, gasto, par, potencia), así como los parámetros que califican la influencia de las diferentes propiedades del fluido en movimiento a parámetros que califican la influencia de las diferentes propiedades del fluido en movimiento a través de la turbomáquina (números de Euler, Reynold y Mach). través de la turbomáquina (números de Euler, Reynold y Mach).

El método adoptado en este texto es el analítico, sin perjuicio de hacer referencia a los otros El método adoptado en este texto es el analítico, sin perjuicio de hacer referencia a los otros métodos en la medida en que se haga necesario para la mejor comprensión de las ideas. métodos en la medida en que se haga necesario para la mejor comprensión de las ideas.