TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

Transcripción

1 TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CT-3412 Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor Trejo 4. Aspectos Generales de las Máquinas 1

2 Contenido (1/3) Turbinas a vapor Definición Ámbito de aplicación Desarrollo técnico de las turbinas a vapor Clasificación Expansión en una turbina a vapor Particularidades de las turbinas de baja presión: Cambio del flujo volumétrico Condensación

3 Contenido (2/3) Turbinas a gas Definición Características Desarrollo de las turbinas a gas Parámetros de influencia Enfriamiento de álabes Potencia útil en una turbina a gas Ámbito de aplicación: Propulsión de aviones Aplicaciones industriales Turbinas a gas aeroderivadas Microturbinas a gas Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas Límites de temperatura y presión

4 Contenido (3/3) Turbocompresores Definición Características Principio de trabajo Compresores centrífugos Compresores axiales Inestabilidades: Stall (entrada en pérdida) Rotating stall (entrada en pérdida rotativa) Surge (bombeo) Construcción Carcasa partida Tipo barril

5 Turbinas a vapor Turbina a vapor con recalentamiento usada en ciclo de combinado (General Electric Co.)

6 Turbinas a vapor: Definición Una turbina a vapor es una TMT que tiene como fluido de trabajo el vapor de una sustancia (generalmente agua). Se emplea una fuente de energía primaria para producir vapor que será expandido para extraerle energía. Turbina a vapor diseñada por Herón de Alejandría (10-70d.C) conocida como eolípila

7 Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (1/2) Son empleadas en: Plantas de generación: A carbón Nucleares De ciclo combinado (turbina a gas + turbina a vapor) Termosolares Geotérmicas Esquema de funcionamiento de una central termosolar Esquema de funcionamiento de una central nuclear Esquema de funcionamiento de una central geotérmica

8 Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (2/2) Son empleadas en: Aplicaciones industriales (industria química) Propulsión de grandes barcos (>15MW, buques cisterna, portaaviones) Turbina a vapor del Titanic que impulsaba la hélice central El barco era accionado por motor y turbina a vapor Turbina de baja presión a vapor en el portaviones USS Hornet

9 Turbinas a vapor: Desarrollo técnico Desarrollo técnico de las turbinas de vapor en el tiempo ( ) Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart Con el aumento de la capacidad de las turbinas de vapor de trabajar a niveles de temperatura y presión más altos, aumenta su eficiencia térmica. Estos dos factores son importantes en su diseño

10 Turbinas a vapor: Clasificación (1/2) Las turbinas a vapor se clasifican según el nivel de presión que manejan en: De baja presión De presión media De alta presión Cuando el vapor de agua se expande, su densidad aumenta de forma importante. Esto se ve reflejado en el gran tamaño de una turbina a vapor de baja presión con respecto al de una de alta presión. Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

11 Turbinas a vapor: Clasificación (2/2) Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

12 Proceso de expansión en una turbina a vapor (1/2) Gran aumento del flujo volumétrico!

13 Proceso de expansión en una turbina a vapor (2/2) Expansión en turbina a vapor de baja presión Línea de saturación Condensación!

14 Particularidades de las turbinas de baja presión Al ver cómo se desarrolla el proceso de expansión en las turbinas a vapor, encontramos dos aspectos resaltantes en las turbinas de baja presión: El aumento del flujo volumétrico La presencia de condensación

15 Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (1/3) Como vimos, en las turbinas a vapor de baja presión, el volumen puede aumentar más de 1500 veces. Esto tiene importantes consecuencias en: Diseño de la planta: 2 o 3 turbinas de baja presión para manejar el mismo flujo másico que pasó por 1 turbinas de media presión

16 Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (2/3) esto tiene importantes consecuencias en: Diseño de la turbina: Incremento importante del tamaño de la máquina con respecto a una de media o baja presión Incremento rápido del tamaño de los álabes entre etapas Álabes de turbina de baja presión (doble flujo)

17 Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (3/3) esto tiene importantes consecuencias en: Diseño y dimensiones del condensador: El condensador debe ser capaz de recibir todo el vapor expandido en caso de parada.

18 Turbinas a vapor: Condensación (1/3) La condensación tiene dos efectos importantes: La producción de pérdidas La erosión de los álabes Zonas de nucleación en una turbina de vapor de baja presión Diagrama h-s para distintos puntos de operación de la misma turbina. Nótese que en la expansión se pasa la línea de saturación y se entra en el domo Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial Trejo V.

19 Turbinas a vapor: Condensación (2/3) La condensación produce 3 tipos de pérdidas: Pérdidas termodinámicas: Intercambio de calor entre las fases produce irreversibilidades Pérdidas de arrastre: Las gotas con menor velocidad que el fluido son arrastradas y se produce fricción Pérdidas por choque: Las gotas poseen una alta velocidad relativa con respecto al rotor y al chocar se producen pérdidas y erosión En total, se estima un 1% de pérdidas por 1% de humedad (Regla de Baumann) Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial Trejo V.

20 Turbinas a vapor: Condensación (3/3) La erosión de los álabes se produce generalmente en la última etapa. Las fuerzas centrífugas llevan a las gotas hacia las cercanías de la carcasa y en esta zona impactan los álabes. Como medida correctiva se puede: Reforzar los álabes en la zona de impacto Retirar una pequeña fracción del flujo másico cerca de la carcasa para extraer las gotas Erosión de álabes por impacto de gotas Fuente: Presentaciones de la asignatura Fundamentos de las turbomáquinas térmicas de la universidad de Stuttgart