Las viejas máquinas de vapor han ido dando paso a las turbinas por su durabilidad, seguridad, relativa simplicidad y mayor eficiencia. En la turbina, un chorro de vapor de agua a elevada presión y temperatura, se hace incidir de manera adecuada sobre una hélice con álabes de sección apropiada.

Durante el paso del vapor entre los álabes de la hélice, este se expande y enfría entregando la energía y empujando los álabes para hacer girar la hélice colocada sobre el eje de salida de la turbina.

El dibujo representa de manera esquemática como funciona la turbina. El chorro de vapor de entrada se dirige a través de un conducto para que incida sobre los álabes en el ángulo mas adecuado. En una turbina puede haber varios conductos directores de flujo. Abajo están representados dos álabes contiguos y el flujo del vapor pasando entre ellos. Mientras pasa por los álabes, el vapor produce un empuje que hace girar la hélice, durante este proceso pierde energía por lo que se enfría y baja su presión.

Al igual que en el caso de la máquina a émbolos el vapor de salida de la hélice de la turbina, aun posee energía suficiente para entregar trabajo, por lo que una turbina real tiene múltiples etapas, con hélices cada vez de mayor tamaño donde se extrae esa energía sobrante y así aumentar notablemente el rendimiento. El dibujo a continuación representa una turbina de varias etapas:

Entonces:

El vapor a ALTA PRESION incide y empuja las palas de la turbina y las hace girar. Las palas fijas situadas en la parte interior de la turbina, canalizan el vapor hacia las palas giratorias en el ángulo más efectivo. Cuando el vapor impulsa las palas, se dilata y baja de presión y temperatura.

Alabes de una turbina a vapor

Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:

Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina.

Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y

transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del

condensador

En termodinámica se conoce como ciclo Rankine ideal, el empleado en las centrales termoeléctricas, el cual se describe brevemente a continuación: El vapor que sale de la caldera (estado 1), es recalentado, a una presión relativamente alta, éste es conducido a través de una tubería hasta la turbina donde recibe el vapor y produce una expansión isentrópica, permitiendo de esta forma mover su rotor y así producir el trabajo (Wt) necesario para mover el generador, el vapor sale de la turbina (estado 2), generalmente vapor húmeda a presión baja; pasa el condensador donde se transforma en liquido saturado (estado 3), en un proceso de extracción de calor (QR ) que se realiza a presión constante; allí el agua es tomada por la bomba y con un trabajo de bombeo (Wp) se aumenta la presión , en un proceso de compresión isentrópica hasta el estado liquido subenfriado (estado 4), donde se alcanza la presión de trabajo de la caldera; en esta se adiciona calor (QA ) transformando el liquido en vapor recalentado a través de un proceso a presión constante, obteniéndose nuevamente el vapor necesario para alimentar la turbina (estado 1).

En algunos ciclos se acostumbra extraer vapor de la turbina en partes intermedias, para recalentarlo y volverle a permitir que se expanda hasta la presión final, éste proceso se llama ciclo Rankine con recalentamiento, el cual permite obtener un mayor trabajo de la turbina. La primera turbina de vapor tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hacia mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que tenia una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un boquerel o inyector.

Turbina de Laval

Turbina Laval con varios boquereles

En ambos diseños, el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideó un carcaza 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 varió su forma circular a arco de corona circular, llamándose ahora, álabes de tobera, tobera o simplemente estator. Las paletas del rotor se conocen actualmente como alabes móviles.

Sección de la turbina Laval

Corte transversal esquemático de una de una turbina Laval,

mostrando el comportamiento de la presión y la velocidad del vapor TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS) Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtis y por tal razón a ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtis. La admisión del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran en frente de las toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío

Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor

Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o Curtis TURBINAS CON ETAPAS DE PRESION Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas de la turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en medio de las etapas. Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de turbinas, la turbina Rateau y la de Reacción.

Turbinas Rateau En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis. En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo cual permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser robusto, debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor. Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra.

Turbina Rateau mostrando tres etapas intermedias

Distribución de la velocidad y la presión del vapor en tres etapas de presión de una turbina Rateau

Turbinas de reacción (Parsons) Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran numero de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran numero de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regimenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia.

Sección de una turbina Parson mostrando dos etapas intermedias y a su vez el comportamiento de la presión y la velocidad del vapor. En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcaza de la turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los alabes, se realice

La turbina de vapor de una planta de cogeneración es un equipo sencillo, y como máquina industrial, es una máquina madura. La turbina de vapor es una máquina bien conocida, muy experimentada. Se conoce casi todo de ella. Más del 70% de la energía eléctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. El funcionamiento es muy sencillo: Se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y este vapor

hace girar unos álabes unidos a un eje rotor A la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una

temperatura inferior. Parte de la energía perdida por el vapor se emplea en mover el rotor. Necesita también de unos equipos auxiliares muy sencillos, como un sistema

de lubricación, de refrigeración, unos cojinetes de fricción, un sistema de regulación y control, y poco más. Así de simple.

La turbina es un equipo tan conocido y tan robusto que si no se descuida en su funcionamiento y mantenimiento, tiene una vida útil larguísima y exenta de problemas. Clasificación de las turbinas de vapor Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los tipos fundamentales son: Según el número de etapas o escalonamientos: Turbinas monoetapa. Son turbinas que se utilizan para pequeña y mediana

potencia. Turbinas multietapa. Aquellas en las que la demanda de potencia es muy

elevada, y además interesa que el rendimiento sea muy alto. Según la presión del vapor de salida: Contrapresión. En ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el

proceso. Escape libre. El vapor de escape va hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas

despilfarra la energía pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc.

Condensación. En las turbinas de condensación el vapor de escape es

condensado con agua de refrigeración. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en máquinas de gran potencia.

Según la forma en que se realiza la transformación de energía térmica en energía mecánica: Turbinas de acción. En las cuales la transformación se realiza en los álabes

fijos. Turbinas de reacción. En ellas dicha transformación se realiza a la vez en los

álabes fijos y en los álabes móviles. Según la dirección del flujo en el rodete. Axiales. El paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje

que la turbina. Es el caso más normal. Radiales. El paso de vapor se realiza siguiendo todas las 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. Estudio constructivo de los elementos de las turbinas Rotor. Es la parte móvil de la turbina.

Estator o carcasa. Parte fija que aloja el rotor y sirve de armazón y

sustentación a la turbina. Álabes. Órganos de la turbina donde tiene lugar la expansión del vapor. Alabes fijos. Van ensamblados en los diafragmas que forman parte del estator.

Sirven para darle la dirección adecuada al vapor y que empuje sobre los álabes móviles.

Alabes móviles. En ellos el vapor comunica el impulso, originándose un par de

fuerzas que hace girar el rotor de la turbina. Diafragmas. Son discos que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al eje y que llevan en su periferia los álabes fijos. Cojinetes. Son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina. Cojinetes radiales. Son aquellos que soportan los esfuerzos verticales y el

peso del eje. Cojinete axial. Soportan el esfuerzo en la dirección longitudinal del eje.

Sistemas de estanqueidad. Son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje de la turbina que evitan que escape el vapor de la turbina. Sellados del rotor. Son elementos mecánicos que evitan que escape vapor de

la turbina al exterior, por los lados del eje en las carcasas de alta y de media presión y además evitan la entrada de aire en las carcasas de baja presión. Pueden ser de metal o de grafito. Normalmente en las máquinas de gran potencia los cierres son metálicos del tipo laberinto.

Regulación del sistema de sellado en una turbina de condensación. Estanqueidad interior. Son los mecanismos que evitan la fuga de vapor entre

los álabes móviles y fijos en las etapas sucesivas de la turbina. Circuitos de vapor y condensado

o Descripción del circuito de vapor a través de una turbina. o Turbinas de contrapresión. o Turbinas de condensación. o Turbinas de extracción y condensación. o Válvulas de parada. Actúan por seguridad de la turbina y en situaciones

de emergencia. Tienen la misión de cortar el flujo de vapor de entrada. o Válvulas de control y regulación. Válvulas de vapor de entrada que

proporcionan el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la turbina.

o Descripción de los sistemas de vacío y condensado en turbinas de condensación.

Condensador. Establecer el mayor vacío posible eliminando el calor de condensación del vapor de agua. Eyectores. Eliminación de los gases incondensables que hay en el condensador, procedente de las fugas de aire y de los gases disueltos en el condensado, etc. Bombas de condensado. Tienen por misión desalojar el condensado producido en el escape de la turbina. Problemas si el nivel de condensado es demasiado alto y no quedan tubos libres para condensar el vapor. Purgas de condensado del cuerpo de la turbina y líneas de vapor de entrada y salida. Sistema que permite la eliminación del condensado de equipo y líneas cuando la turbina está en situación de parada y puesta en marcha.

Sistemas de aceite de la turbina Tienen estos sistemas dos misiones fundamentales en las turbinas de vapor: una como elemento hidráulico del sistema de regulación de la turbina,

para accionamiento de servomotores y otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes móviles, como cojinetes,

reductores, etc. Dependiendo que la turbina sea a contrapresión o a condensación, los sistemas de aceite pueden ser más o menos complejos. Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de contrapresión. Sistema de aceite de lubricación. Sistema de aceite de mando y regulación. Bomba auxiliar de aceite o bomba de puesta en marcha. Puede ser manual o

movida por un motor o turbina . Bomba incorporada o bomba principal de aceite. Accionada por el eje de la

turbina. Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de condensación. Sistema de aceite de lubricación. Sistema de aceite de mando o regulación. Sistema de aceite primario. Sistema de aceite de cierre rápido o seguridad.

Equipos principales de los sistemas de aceite.

Tanque de aceite. Bombas de aceite, principal y reserva. Refrigerantes de aceite. Filtros de aceite. Calentador de aceite. Termostato de alta y baja temperatura. Extractor de gases de aceite. Equipos de purificación de aceite.

Regulación de la velocidad. Objetivo de la regulación. El objetivo principal de la regulación de la velocidad en las turbinas es mantener el número de rpm constante independientemente de la carga de la turbina.

Turbinas de pequeña y mediana potencia. Normalmente la válvula de parada de emergencia y de regulación de entrada de vapor es la misma. Regulación por estrangulación o laminación.

Turbinas de gran potencia. En ellas, las válvulas de parada y de regulación son independientes entre si.

Regulación por variación del grado de admisión o del número de toberas de

entrada.

Regulación de velocidad en una turbina de extracción y condensación.

Aumento de potencia sin modificar el caudal de extracción. Cualquier aumento o disminución de potencia demandada por la turbina se traduce en un aumento o disminución del caudal que pasa a través de ella cumpliéndose en cada caso que:

El caudal que aumenta o disminuye a través de las válvulas de entrada de vapor del cuerpo de alta es el mismo que aumenta o disminuye a través de las válvulas del cuerpo de baja, permaneciendo constante el caudal de extracción.

Aumento del caudal de extracción permaneciendo constante la potencia de la turbina. Cualquier aumento del caudal de extracción demandado por el proceso se traduce por un aumento del caudal a través de las válvulas del cuerpo de alta y una disminución del caudal a través de las válvulas del cuerpo de baja, cumpliéndose en cada caso que:

El aumento de potencia que da el cuerpo de alta presión es compensado por una disminución de potencia en el cuerpo de baja presión, permaneciendo constante la potencia total de la turbina.

Dispositivos de seguridad en las turbinas de vapor. Son mecanismos que protegen a la turbina contra anomalías propias de la máquina, del proceso o bien de la máquina arrastrada por la turbina. Ejemplos de disparo en turbinas de contrapresión.

Disparo por sobrevelocidad. Evita el embalamiento de la turbina al faltarle la carga que arrastra.

Disparo por baja presión de aceite de lubricación. Protege a la máquina para evitar el roce entre el eje y el estator. Disparo manual de emergencia. Para que el operador pueda parar a voluntad la máquina ante cualquier anomalía, como pueden ser vibraciones o ruidos anormales, fuga de aceite al exterior, etc. Ejemplos de disparo en turbinas de gran potencia (Condensación).

Dispositivo de disparo de aceite del cierre rápido. Dispositivo mecánico sobre el que actúan los siguientes disparos mecánicos de la turbina.

Sobrevelocidad. Disparo manual de la turbina. Disparo por desplazamiento axial.

Dispositivo de disparo por falta de vacío. Dispositivo mecánico que dispara la máquina al subir la presión de escape de vapor en el condensador.

Dispositivo de disparo a distancia mediante válvula electromagnética. De este dispositivo de disparo dependen todas aquellas seguridades de la máquina, del proceso o de la máquina arrastrada. A la válvula electromagnética le llega una señal eléctrica que energiza una válvula solenoide que enviará al tanque el aceite del cierre rápido, cerrando las válvulas de parada y de regulación de vapor de la turbina. Entre los disparos mencionados que afectan a este dispositivo están: Paros manuales a distancia desde el panel principal y local. Baja presión de aceite de lubricación. Baja temperatura del vapor de entrada a la turbina. Baja presión del vapor de entrada a la turbina. Disparo por alto valor de vibraciones y de desplazamiento axial. Disparos de la máquina arrastrada que también paran la turbina. Disparo por bajo nivel de aceite de sello a los cierres del compresor. Disparo por altos niveles de líquido en los depósitos de aspiración del

compresor. Otros dispositivos de seguridad en las turbinas

Válvula de seguridad del condensador.

Válvulas de seguridad de la línea de extracción. Válvula de cierre rápido de la línea de extracción

Mantenimiento de turbinas de vapor.

Planta de cogeneración Rediseños y Actualizaciones

Análisis y rediseño de alabes Mejoras en la utilización de turbinas Evaluación de recorrido a vapor

Reemplazo de Partes

Alabes de rotor de alta presión Alabes de rotor de baja presión Anillos de boquilla convencional Sellos de laberinto Cierres de boquilla, astillas y tiras de lengüeta Diafragmas y boquillas Sujetadores Piezas de válvulas Soporte del eje Cojinetes Acoplamientos

Reparaciones y Mantenimientos en Taller

Reparación de turbinas Mecanizado de rotores

o Balanceo de equipos rotativos o Balanceo a baja velocidad

Reparación de componentes estacionarios Inspección y reparación de válvulas Reparaciones de cojinetes y mejoras hechas a la medida Reparación de bomba alimentadora Reparación de diafragmas Repaleteado de rotores

Los alabes de las turbinas de vapor se hallan sometidos a tales esfuerzos que es preciso valorar según los más modernos sistemas la acción de las fuerzas que actúan sobre ellos. En la fotografía, las fuerzas en cuestión se hacen visibles con los oportunos medios ópticos