Compuesto de turbinas de vapor

En el diseño de turbinas de vapor , la composición es un método para extraer energía de vapor en múltiples etapas en lugar de una sola. Cada etapa de una turbina de vapor compuesta tiene su propio conjunto de boquillas y rotores . Estos se disponen en serie, ya sea acoplados al eje común o fijados a la carcasa. Esta disposición permite absorber la presión del vapor o la velocidad del chorro de forma incremental. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las turbinas de vapor compuestas se utilizan para reducir la velocidad del rotor y lograr un número óptimo de revoluciones por minuto . El vapor producido en la caldera tiene una entalpía suficientemente alta cuando se sobrecalienta . En todas las turbinas, la velocidad de los álabes es directamente proporcional a la velocidad del vapor que pasa sobre ellos. Si se extrae toda la energía del vapor en una sola etapa, es decir, si el vapor se expande desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador en una sola etapa, su velocidad será muy alta. Por lo tanto, la velocidad del rotor (al que están fijados los álabes) puede alcanzar aproximadamente 30 000 rpm, lo cual es demasiado alto para usos prácticos debido a la elevada vibración. Además, a velocidades tan altas, las fuerzas centrífugas son inmensas y pueden dañar la estructura. Por consiguiente, se requiere la composición. El vapor a alta velocidad incide sobre un solo anillo del rotor, lo que provoca una pérdida de vapor de entre el 10 % y el 12 %. Para superar esta pérdida de vapor, se utilizan turbinas de vapor compuestas.

En una turbina de vapor de impulso, la mezcla de vapores se puede lograr de las siguientes tres maneras:

1. Acumulación de velocidad
2. Acumulación de presión
3. Acumulación de presión y velocidad

En una turbina de reacción, la mezcla solo se puede lograr mediante la mezcla a presión.

En general, los tipos de turbinas de vapor incluyen:

1. Impulso : No hay variación en la presión del vapor al pasar por las palas móviles. Solo cambia la velocidad del flujo de vapor.
2. Reacción : Se produce un cambio tanto en la presión como en la velocidad a medida que el vapor fluye a través de las palas en movimiento.

La turbina de impulso de velocidad compuesta fue propuesta por primera vez por CG Curtis para resolver el problema de la turbina de impulso de una sola etapa para el uso de vapor a alta presión y temperatura.

Los anillos de álabes móviles están separados por anillos de álabes fijos. Los álabes móviles están fijados al eje de la turbina mediante chavetas, mientras que los álabes fijos están fijados a la carcasa. El vapor a alta presión procedente de la caldera se expande primero en la tobera. La tobera convierte la energía de presión del vapor en energía cinética . La caída total de entalpía y, por consiguiente, la caída de presión, se produce en la tobera. Por lo tanto, la presión permanece constante a partir de ese momento.

Este vapor a alta velocidad se dirige hacia el primer conjunto (anillo) de álabes móviles. Al fluir sobre los álabes, debido a su forma, el vapor les transfiere parte de su momento lineal y pierde velocidad. Solo una parte de la alta energía cinética es absorbida por estos álabes. El resto se descarga en el siguiente anillo de álabes fijos. La función de los álabes fijos es redirigir el vapor que sale del primer anillo de álabes móviles hacia el segundo. La velocidad del vapor no varía al pasar por los álabes fijos. A continuación, el vapor entra en el siguiente anillo de álabes móviles; este proceso se repite hasta que prácticamente toda la energía del vapor ha sido absorbida.

En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de la turbina de impulso de etapa Curtis, con dos anillos de álabes móviles y un anillo de álabes fijos . La figura también muestra las variaciones de presión y la velocidad absoluta del vapor a medida que este pasa por las etapas.

Dónde:

${\displaystyle P_{i}}$= presión del vapor en la entrada

${\displaystyle V_{i}}$= velocidad del vapor en la entrada

${\displaystyle P_{e}}$= presión del vapor en la salida

${\displaystyle V_{e}}$= velocidad del vapor en la salida

En la figura anterior se observan dos anillos de álabes móviles separados por un único anillo de álabes fijos. Como se mencionó anteriormente, la caída de presión total se produce en la boquilla, y no hay pérdidas de presión posteriores en ninguna de las etapas subsiguientes. La caída de velocidad se produce en los álabes móviles, no en los fijos.

La turbina de impulso de presión compuesta también se denomina turbina Rateau, en honor a su inventor. Se utiliza para solucionar el problema de la alta velocidad de las palas en la turbina de impulso de una sola etapa.

Consta de anillos alternos de boquillas y álabes de turbina. Las boquillas están fijadas a la carcasa y los álabes están acoplados al eje de la turbina mediante chavetas.

En este tipo de expansión, el vapor se expande en varias etapas, en lugar de en una sola (boquilla) como en la expansión por velocidad. Esto se logra mediante álabes fijos que actúan como boquillas. El vapor se expande uniformemente en todas las filas de álabes fijos. El vapor proveniente de la caldera se alimenta al primer conjunto de álabes fijos, es decir, al anillo de boquillas. El vapor se expande parcialmente en el anillo de boquillas. Por lo tanto, se produce una disminución parcial de la presión del vapor entrante. Esto conlleva un aumento de la velocidad del vapor. En consecuencia, la presión disminuye y la velocidad aumenta parcialmente en la boquilla.

A continuación, el vapor pasa por el conjunto de álabes móviles. Al fluir sobre estos álabes, absorbe casi toda su velocidad. Sin embargo, la presión se mantiene constante durante este proceso. Después, pasa al anillo de boquillas y se expande parcialmente. Luego, se introduce en el siguiente conjunto de álabes móviles, y este proceso se repite hasta alcanzar la presión del condensador.

Este proceso se ha ilustrado en la figura 3, donde los símbolos tienen el mismo significado que se ha indicado anteriormente.

Se trata de una turbina de impulso de tres etapas con presión compuesta. Cada etapa consta de un anillo de álabes fijos, que actúan como toberas, y un anillo de álabes móviles. Como se muestra en la figura, la caída de presión se produce en las toberas y se distribuye en varias etapas.

Un punto importante a destacar aquí es que las velocidades del vapor de entrada a cada etapa de álabes móviles son esencialmente iguales. Esto se debe a que la velocidad corresponde a la disminución de la presión. Dado que, en una turbina de vapor de presión compuesta, solo una parte del vapor se expande en cada tobera, la velocidad del vapor es menor que en el caso anterior. Esto se puede explicar matemáticamente mediante la siguiente fórmula:

${\displaystyle {\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{h_{1}}={\frac {V_{2}^{2}}{2}}+{h_{2}}}$

dónde,

${\displaystyle V_{1}}$= velocidad de salida absoluta del fluido

${\displaystyle h_{1}}$= entalpía del fluido a la salida

${\displaystyle V_{2}}$= velocidad de entrada absoluta del fluido

${\displaystyle h_{2}}$= entalpía del fluido a la entrada

Como se puede observar en la fórmula, solo una fracción de la entalpía se convierte en velocidad en las palas fijas. Por lo tanto, la velocidad es menor en comparación con el caso anterior.

Diagrama de velocidad

El diagrama de velocidades que se muestra en la figura 4 proporciona detalles sobre los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de las palas.

donde los símbolos tienen el mismo significado que se ha indicado anteriormente.

Un punto importante a destacar del diagrama de velocidad anterior es que el ángulo de salida del fluido (δ) es de 90°. Esto indica que la velocidad de remolino del fluido a la salida de todas las etapas es cero, lo cual concuerda con el concepto de velocidad óptima (como se explicó anteriormente).

La proporción de trabajo producido en las diferentes etapas es similar al tipo descrito anteriormente.

Se trata de una combinación de los dos tipos de composición mencionados. La caída de presión total del vapor se divide en varias etapas. Cada etapa consta de anillos de álabes fijos y móviles. Cada conjunto de anillos de álabes móviles está separado por un único anillo de álabes fijos. En cada etapa hay un anillo de álabes fijos y entre tres y cuatro anillos de álabes móviles. Cada etapa funciona como una turbina de impulso con velocidad compuesta.

Las palas fijas actúan como boquillas. El vapor procedente de la caldera pasa al primer anillo de palas fijas, donde se expande parcialmente. La presión disminuye parcialmente y la velocidad aumenta en consecuencia. Esta velocidad es absorbida por los siguientes anillos de palas móviles hasta que llega al siguiente anillo de palas fijas, y todo el proceso se repite.

Este proceso se muestra esquemáticamente en la figura 5 .

donde los símbolos tienen su significado habitual.

Como se explicó anteriormente, una turbina de reacción es aquella en la que se produce una pérdida de presión y velocidad en los álabes móviles. Estos álabes móviles cuentan con una tobera de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre los álabes fijos, se expande, disminuyendo su presión y aumentando su energía cinética.

Este tipo de turbina tiene varios anillos de álabes móviles unidos al rotor y un número igual de álabes fijos unidos a la carcasa. En este tipo de turbina, las caídas de presión se producen en varias etapas.

El vapor pasa sobre una serie de álabes fijos y móviles alternados. Los álabes fijos actúan como toberas, es decir, cambian la dirección del vapor y lo expanden. Luego, el vapor pasa sobre los álabes móviles, que lo expanden aún más y absorben su velocidad.

Esto se explica en la figura 6 .

donde los símbolos tienen el mismo significado que el anterior.

Diagrama de velocidad

El diagrama de velocidades que se muestra en la figura 7 ofrece detalles sobre los distintos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de las palas (los símbolos tienen el mismo significado que los anteriores).

• Acumulación de presión en turbinas

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