INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO SECCION DE ESTUDIO DE POSTGRADO E INVESTIGACION

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO SECCION DE ESTUDIO DE POSTGRADO E INVESTIGACION EVALUACIÓN TERMODINÁMICA DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW DE LA CTPALM POR FALLA DE ALABES-ROTORES L- DE TURBINA DE BAJA PRESION TESIS PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA PRESENTA: ING. LUIS GUILLERMO CASTILLO MIRANDA DIRECTOR DE TESIS: DR. MIGUEL TOLEDO VELÀZQUEZ MEXICO D.F. JUNIO 009

2 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- ACTA DE REVISION DE TESIS ii

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4 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS A mis padres Sra. Edelmira Miranda Vega y (+) Sr. Gillermo Castillo Alcaraz porqe siempre me apoyaron cando lo necesite y feron n ejemplo de esferzo y dedicación para lograr mis objetivos. Agradezco a mi esposa María por darme siempre palabras de aliento para segir adelante. A mis hijos Martha Lara y Lis Gillermo por representar todo en mi vida. A mis hermanos Martha Alicia, Jan Manel, Alma Rosa, por ser mis amigos incondicionales y por apoyar mi anhelo de speración. A mis amigos y compañeros de generación de este postgrado por s amistad sincera qe me demostraron drante el periodo qe dro la maestría A las atoridades de CFE qe me brindaron la oportnidad de segir desarrollándome en esta empresa (Dirección de operación Ing. Néstor Moreno Díaz, Sbdirección de generación Ing. Lís Carlos Hernández Ayala, GRPSE Ing. Edardo Fernández Dávila, SRGTSE Ing. Roberto Barrera Alvarado) y a todos los demás qe participaron en la planeación, gestión y ejección de este importante proyecto. (+) Dr. Jansz Kwiack por haberme trasmitido ss conocimientos de las trbo maqinas en cada modlo o taller en los qe participo como instrctor de na forma profesional. Mi mas sincero reconocimiento y agradecimiento al Dr. Migel Toledo Velázqez por s amistad, y a qien admiro por ss consejos y por s labor en la formación de los profesionales qe necesita nestro país. Así mismo deseo agradecerle el haber dirigido mi tesis y ss motivaciones para la realización y clminación de la misma. A todos ellos dedico esta tesis. LUIS GUILLERMO CASTILLO MIRANDA iv

5 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INDICE ÍNDICE Acta de revisión de tesis... ii Carta de sesión...iii Agradecimientos... iv Índice... v Índice de figras...vii Índice de tablas...viii Nomenclatra y simbología... ix Resmen... xi Abstract...xii Introdcción...xiii. Fndamentos termodinámicos de trbinas de vapor.... Parámetros Térmicos Importantes en Trbinas de Vapor Ciclos Termodinámicos Aplicados a la Trbina de Vapor Ciclo de Carnot Ciclo Rankine Efecto de la presión sobre el ciclo Rankine simple Efecto de la presión del condensador sobre el ciclo ranking Ciclo Rankine Regenerativo Ciclo Rankine con Recalentamiento Pérdidas de Energía y Eficiencia en los Ciclos de Vapor. 5.4 Pérdidas de Energía en las Trbinas de Vapor y s eficiencia Pérdidas Internas Pérdidas Externas Eficiencias Relacionadas con la Trbina Eficiencia de la Trbina Eficiencia Mecánica de na Trbina Eficiencia de la Máqina Eficiencia del Generador Eléctrico... 0 v

6 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INDICE.5 Diagrama de Balance Térmico de Trbina de Vapor... 0 Análisis teórico de la trbina de vapor Descripción del trbogrpo Corona Fija Corona móvil Escalonamiento de Trbina Teoría de Paso Ecaciones Principales Números Adimensionales Rendimiento tangencial de paso Rendimiento tangencial de paso Rendimiento total de la maqina Pérdida en las toberas Pérdidas en los álabes Pérdida por admisión parcial Pérdidas por fga de flido en los sellos internos y externos Factor de recalentamiento Metodología de cálclo Trbina de implso Escalonamiento de reacción Perdidas en la trbina Cálclo de parámetros principales Cálclos y Análisis Cálclos y Análisis de los resltados del comportamiento en trbina con y sin corona de álabes Cálclos y Análisis de los resltados de los parámetros principales de la trbina con y sin corona de álabes Comparación de resltados Análisis económico de la trbina con y sin corona Conclsiones Referencias vi

7 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INDICE DE FIGURAS Y TABLAS Índice de Figras Figra Descripción...Página -0 Clasificación de tipos de plantas de generación... - Diagrama de na central generadora... - Ciclo de Carnot de na planta de potencia Ciclo Rankine con simple Ciclo Ranking con SH Efecto de la presión en n ciclo Ranking Ciclo Ranking regenerativo Ciclo Ranking con recalentamiento Diagrama de Sankey de na termoeléctrica Diagrama de Sankey de pérdidas por el ciclo natral Relación de n ciclo teórico sin pérdidas y n ciclo real con pérdidas Comparación entre ciclo teórico sin pérdida y n ciclo real con pérdida Balance térmico y de masa de na nidad de 350 MW al 00% de carga... - Corte esqemático de na trbina de 350 MW Corona fija Rotor de trbina de baja Esqema de trbina axial y perfil de alabes Trianglo de velocidades del paso a la entrada y salida del paso en la trbina axial Diagrama h-s para alabe Diagrama h-s paso del alabe rotor Diagrama h-s qe representa el paso completo de na Trianglo de velocidades en el paso de na trbina Rendimiento periférico con y sin perdidas de velocidad Trianglo de velocidad para grado de reacción igal a cero Rendimiento en la reda Trianglo de velocidad para grado de reacción mayor a cero Rendimiento de la reda con grado de reacción mayor de cero Pérdida de energía en los alabes móviles Pérdida de energía por la viscosidad del flido en las redas fijas y móviles Anillos protectores para prevenir el efecto de ventilación Sello tipo laberíntico con pestañas en el diafragma y pestañas intercaladas Proceso total de expansión del flido en condiciones ideales y reales.57-0 Expansión irreversible en varias etapas Efecto de la fricción entre el vapor y el elemento fijo o móvil Diagrama h-s de na trbina Esqema de n paso de implso y comportamiento de presión y velocidad en los alabes fijos y móviles...63 vii

8 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INDICE DE FIGURAS Y TABLAS 3- Esqemas de las trbinas de reacción y comportamiento de presión, temperatra y velocidad en los alabes fijos y móviles Trianglo de velocidad del paso de na trbina Esqema para el cálclo de velocidades Diagrama h-t calclo de eficiencia de na trbina Diagrama de procedimiento de cálclo de la eficiencia Diagrama de las pérdidas asociadas a n paso de la trbina Diagrama de la definición de eficiencia de acerdo a Chrch Diagrama de los saltos entálpicos de na trbina de baja presión Esqema de na trbina de reacción Dibjo esqemático de na tobera y ss dimensiones principales Anglo de incidencias de corrientes de vapor Efecto del ánglo de inclinación sobre el coeficiente de velocidad Efecto del ánglo de deflexión total del vapor Diagrama de velocidades tangenciales Ilstración de pérdidas de salida de la etapa Efecto del ánglo alfa sobre la eficiencia periférica de l trbina Diagrama de Mollier del paso de reacción Trianglo de velocidades del paso de reacción Geometría de la etapa con anotaciones para el paso de vapor Dimensiones para la medición de la geometría de toberas Dimensión para la medición de la geometría de alabes Relación de áreas entre tobera y alabes de las 5 redas de la trbina de baja presión...90 Índice de Tablas Tabla Descripción...Página - Características de la trbina de baja presión Parámetros de medición de la trbina de baja presión Diámetros en la base de la etapa-altra tobera/alabe Altra tobera-alabe longitd de etapa Diámetros, claros y sellos en pntas de alabes Diámetro de la base de sellos Ánglos de entrada de toberas, áreas de gargantas, cerda y radios Longitd de línea media del perfil Archivos del Trb Potencia interna en la trbina de baja presión por etapas o pasos Potencia por etapas sin la reda L-...0 viii

9 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- NOMENCLATURA Y SIMBOLOGIA NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÌA SIMBOLO DESCRIPCION UNIDAD N Número de revolciones LE Número de elementos LG Nmero de grpo de etapas NE Número de elemento NK Número de elemento designado-arbitrario- TE Tipo de elemento 0=etapa de trbina NWP Nmero de lazo inicial TWP Tipo de lazo inicial NWK Nmero de lazo final TWK Tipo de lazo final NR.G Número de Grpo SIGMA Factor de tilización de energía de salida Dw Diámetro base en la salida de las toberas [mm] Dw Diámetro base en la salida de los álabes [mm] Dw0 Diámetro base en la entrada de las toberas [mm] L Longitd de toberas en la salida [mm] L Longitd de álabes en la salida [mm] L0 Longitd de toberas en la entrada [mm] ta Paso axial de las toberas [mm] ta Paso axial de los álabes [mm] z Número de toberas NA Z Número de álabes NA dz Diámetro exterior del rotor [mm] δz Distancia entre álabes y carcaza [mm] l/zz Número de sellos en dz NA /dz Diámetro de sello a la salida del álabe (etapa [mm] Bamann) δz Claro del sello en dz [mm] Zz Número de sellos en dz NA dw Diámetro del rotor [mm] δw Claro entre rotor y sellos de diafragma [mm] 3/Sw Distancia entre sellos [mm] 4/Zw Número de sellos de laberinto NA Zwn Número de sellos incompletos NA dw Diámetro de sellos entre rotor y diafragma [mm] δw Claro del sello en dw [mm] 5/r0 Radio de crvatra del orificio de balance [mm] 5/D0 Diámetro al centro del orificio de balance [mm] d0 Diámetro de los orificios de alivio [mm] No Número de orificios de balance NA b0 Distancia entre álabes en la zona de los orificios [mm] nd Número de alambres de conexión NA ix

10 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- NOMENCLATURA Y SIMBOLOGIA SIMBOLO DESCRIPCION UNIDAD Td Pérdidas de energía debidas a alambres NA α0 Ánglo de entrada a las toberas [ ] Ra Rgosidad relativa en toberas [mm] Ra Rgosidad relativa en álabes [mm] a Garganta de toberas [mm] a Garganta de álabes [mm] b Cerda de toberas [mm] b Cerda de álabes [mm] β0 Ánglo de entrada a los álabes móviles [ ] R Radio de crvatra a la salida lado scción toberas [mm] R Radio de crvatra a la salida lado scción álabes [mm] δ Espesor de salida de toberas [mm] δ Espesor de salida de álabes [mm] L Longitd de la línea media del perfil de toberas [mm] L Longitd de la línea media del perfil de álabes [mm] aw Garganta mínima en la parte inferior de las toberas [mm] az Garganta mínima en la parte sperior de las toberas [mm] m& f Fljo másico de fgas kg/s V Vector velocidad m/s W & r Potencia transmitida de los alabes del rotor a la flecha Kw φ Diámetro Mm ε Relación de longitdes de alabes máxima -- ρ Densidad kg/m 3 l Longitd del alabe mm η Eficiencia % Grado de reacción -- ϕ Eficiencia del estator o de la tobera % ψ Eficiencia del rotor % ν Desviación en estado de variables totales de entrada -- α Anglo absolto respecto al eje tangencial β Anglo relativo respecto al eje tangencial ω Velocidad anglar del rotor κ Velocidad anglar del rotor ζ Amplitd o alternancia de la velocidad adimensional - µ Coeficiente de trabajo desarrollado en el paso - adimensional γ Coeficiente de velocidad axial, adimensional - λ Relación de la longitd del alabe a la longitd del paso - χ Amplitd de ondlación de la línea central de fljo q Amplitd ondlación de la línea central de corriente o fljo Mm x

11 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- RESUMEN RESUMEN En este trabajo se presenta el estdio térmico y de pérdida de potencia de na trbina de vapor de 350 MW de la marca Mitsbishi instalada en la centra Adolfo López Mateos de CFE bicada en el perto de Txpan Ver. Es importante tener este calclo de la potencia perdidas y del comportamiento de la trbina de baja presión para determinar si la nidad se qeda fera de servicio o es rentable s operación cando por falla en la reda L- es necesario continar generando esto por necesidades de energía en las zonas centro y oriente del país este trabajo se desarrollo ya qe la reda L- es la qe ha presentado mayor frecencia de daño y el sministro de las refacciones no es inmediato s tiempo de entrega oscila entre los a 4 meses na ves fincado el pedido. Además el realizar la reparación implica n periodo minino de días de mantenimiento. Además de los costos qe implica el de generar con plantas menos eficientes qe la nidad del CTPALM (energía de sstitción) Drante el desarrollo del trabajo se mestra la teoría qe se aplica y la metodología de calclo y de medición de la geometría de la trbina esto para poder alimentar de datos al programa trb 85 propiedad de la CFE, De los resltados obtenidos se observa qe es necesario qitar la reda L- de la trbina de baja presión en ambos lados es con el objetivo de balancear los empjes axiales del rotor así como también modificar los parámetros operativos en vapor recalentado para evitar altas cargas térmicas en el escape de la trbina y crea problemas mayor de pérdida de eficiencia y erosión el resto de los componentes. La perdida de aproximadamente del 0% de la potencia del trbogrpo hace rentable o económicamente factible operar na nidad de este tipo para sministrar la energía esto de acerdo a la tabla de meritos o de costos de generación de algnas centrales con las qe centa CFE. Otro aspecto importante a considerar es qe la reda fija o diafragma debe qedar colocado esto para evitar la creación de mayor trblencia en el fljo de vapor en la última reda o en el escape. xi

12 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- ABSTRACT ABSTRAC This work presents the thermal stdy and the lost of power in a Mitsbishi s steam trbine of 350 MW of capacity in Adolfo Lopez Mateos thermoelectric, located in Txpan, Veracrz, Mexico, property of CFE. It s important have this calcls of the less power of the low pressre trbine for decided if the nit it s contined generating or not. The wheel L- is the one that has presented major freqency of damage, for repair it, CFE needs spply of refreshments, with time of delivery that ranges between the to 4 months from which the order is established, in addition, for the repair it is needed of a period of days of maintenance, besides the costs that it implies generating with plants less efficient than the nit of the CTPALM (energy of sbstittion). Dring the development of the work there appears the theory that is applied and the methodology of calclation and of measrement of the geometry of the trbine this to be able to feed on information to the program trb 85 property of the CFE. Of the obtained reslts is observed that it is necessary to remove the wheel L- of the trbine of low pressre in both sides is with the aim to balance the axial pshes of the rotor as well as also to modify the operative parameters in steam warmed to avoid discharges thermal charges in the leak of the trbine and creates problems major of loss of efficiency and erosion the rest of the components. The loss of approximately 0 % of the power of the trbine does profitably or economically feasibly to operate on a nit of this type to give the energy this in agreement to the table of merits or of costs of generation of some head plants which CFE relies on. Another important aspect to consider is that the wheel fixes or diaphragm mst remain placed this to avoid the creation of major trblence in the steam flow in the last wheel or in the leak. xii

13 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INTRODUCCION INTRODUCCIÓN La Central Termoeléctrica Adolfo López Mateos se encentra bicada en Txpan estado de Veracrz centa con na capacidad instalada total de 63 MW en 6 nidades de 350 MW y na nidad trbogas de 63 MW Las trbinas de baja presión de las nidades y de esta central son de marca MITSUBISHI tipo de acción, de doble fljo, con 5 coronas móviles a cada lado, condensación directa y con 4 extracciones. Dentro de la CFE, en las trbinas de vapor han ocrrido fallas de alabes de redas móviles L-0 y L- de las trbinas de baja presión en las diferentes centrales generadoras de energía, esto ha originado qe se tenga qe operar bajo estas condiciones, porqe no se centa en el almacén con coronas de alabes de repesto para la trbina, debido a s alto costo e incremento en los costos de los activos. Este tipo de fallas ocrre principalmente en estas coronas derivado de los esferzos a los qe están sometidas estas coronas por condensaciones del vapor en estas etapas, vibración y bajas presiones de vació qe modifica las condiciones del desfoge del vapor en mencionadas etapas. Cando se presenta n caso de fractra de algún alabe o corona de alabes, se tiene la opción de operar sin na o más coronas de alabes en el rotor de la trbina, dependiendo del daño qe se origine; siendo necesario contar con na metodología de cálclo qe permita obtener la pérdida de potencia de la trbina, las variables críticas qe se afectan, el comportamiento térmico del ciclo y los costos económicos qe implicarían la operación en esta neva condición, bajo na condición segra y confiable. xiii

14 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- INTRODUCCION Por lo anterior en este trabajo se desarrollará la metodología para determinar térmicamente el comportamiento de la trbina de baja presión de la nidad del CTPALM así como s inflencia en el ciclo térmico de la trbina. En el capítlo I se presenta la teoría de los ciclos termodinámicos qe se aplican para el diseño de los procesos de generación así como la descripción de los diagramas las principales perdidas qe son aceptables en el diseño esto por los procesos irreversibles qe se dan en n ciclo de generación de energía eléctrica moderno. En el capítlo II se describen los componentes de na trbina como es la corona móvil, corona fija, sellos también se mencionan las formlas y las variables qe dan fndamento a la teoría de paso, triánglos de velocidad, velocidad tangencial diagramas h-s, números adimensionales (fljo, presión, potencia). Otro pnto qe menciona este capítlo son las perdidas por toberas, alabes, por admisión parcial, velocidad residal y perdidas mecánicas En el capítlo III se establece la metodología matemática qe se emplea para el cálclo de la potencias de la reda móvil donde se calclan las principales variables para poder determinar las pérdidas qe se tendría para operar na nidad como la descrita con dos redas L- retiradas del rotor de baja presión dentro de las pérdidas qe se calclan son las sigientes venteo entre etapas, sellos laberínticos, trblencia, ventilación Capítlo IV en este capítlo se mestra na secencia de fotografías de cando se tomo los datos para sacar la geometría del rotor de baja presión también se elaboran las tablas donde se vaciaron los datos para qe se tilizaran en el programa de calclo trb 85 posteriormente se mestran en tablas los resltados obtenidos con el trb 85 con la trbina de baja presión completa y con las redas L- retiradas en el resmen de resltados y en análisis de los mismos se dan las conclsiones de este trabajo. xiv

15 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO. Fndamentos Termodinámicos de Trbinas de Vapor. La eficiencia, las restricciones y las mejoras potenciales de varios sistemas relacionados con la prodcción de energía, deben ser analizadas a través de las consideraciones de ciclos termodinámicos. Un ciclo termodinámico de potencia es n sistema de generación de potencia a partir de na transformación de energía qímica, nclear, hidrálica, eólica o solar. Las plantas de potencia qe prodcen la energía eléctrica mndialmente se peden clasificar por el tipo de combstible empleado, según se mestra en el esqema sigiente. P L A N T A S D E P O T E N C I A Térmica convencional (Combstible fósil) Hidroeléctrica Geotérmica Eólica Solar Nclear Termoeléctrica Ciclo Combinado Trbina de Gas Diesel Figra -0 Clasificación de tipos de plantas de generación Actalmente, de las plantas térmicas antes mencionadas destacan dos tipos por s capacidad instalada a nivel mndial, las Termoeléctricas y las de Ciclo Combinado. En las plantas de potencia de vapor el flido de trabajo es aga, el cal a través del proceso es llevado a s fase vapor en la caldera, expandido en la trbina y condensado en n intercambiador (condensador), tal como se mestra en la Figra.. Una termoeléctrica típica pede alcanzar eficiencias de 30% hasta 40%. Hay plantas sobre todo en Eropa qe trabajan en condiciones spercríticas,

16 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO este tipo de centrales pede llegar a generar na potencia mayor de 500 MW y con eficiencias de hasta n 50%. La gran ventaja de na termoeléctrica es qe el combstible empleado es relativamente barato, comparado con otro tipo de combstible, sin embargo el consmo de aga y la contaminación ambiental selen ser s mayor inconveniente, por lo qe se reqiere en la actalidad de cidar con mayor frecencia la operación de las plantas para qe estén operando con los enfoqes de las aditorias energéticas en la gestión ambiental. Chimenea Gases de Combstión Caldera Trbina Generador Eléctrico Torre de Enfriamiento Combstible Aire Condensador Aga caliente Bomba de aga de alimentación Bomba Aga de enfriamiento Aga de repesto Figra. Diagrama de na central generadora Plantas Vapor-Gas (Ciclo Combinado) Actalmente la tendencia mndial está enfocada al empleo de n sistema altamente eficiente, como los sistemas de ciclo combinado, n ciclo combinado pede alcanzar eficiencias de 40% hasta 60%. El ciclo combinado está basado en la nión de dos ciclos de potencia, n ciclo de gas el cal hace pasar el aire

17 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO atmosférico por n compresor para ser enviado al combstor de donde salen gases a alta temperatra para ser expandidos en la trbina de trabajo y la trbina de expansión a continación son descargados parcial o totalmente como calor a n ciclo de vapor. Las ventajas del ciclo combinado con respecto a centrales termoeléctricas (plantas de vapor) son nmerosas, entre las qe destacan las sigientes: El costo de instalación y de prodcción es mas bajo qe en centrales termoeléctricas, anqe hay qe considerar qe los precios del combstible (gas) han afectado esta condición. La tecnología desarrollada hasta la actalidad, permite tener n ciclo con my poca contaminación ambiental, es decir, es n ciclo limpio. Son ciclos flexibles a condiciones de operación, es decir, peden estar operando n trbinas de gas con n ciclo de vapor o solamente na trbina de gas, en fin el nmero de combinaciones depende del nmero de trbinas de gas. La condición principal qe se tiene en los ciclos combinados desde el pnto de vista de potencia es qe normalmente la trbina de gas pede generar actalmente hasta 60 MW y la parte de vapor hasta 00MW por lo qe se alcanzan eficiencias mayores a 55% con n costo aproximado en estas nidades para esta potencia de 500 Millones de dólares. La mayor desventaja actal del ciclo combinado, es qe el costo del gas ha ido incrementando, además son mcho más sensibles a los cambios climáticos qe las centrales termoeléctricas. Uno de los eqipos principales qe forman parte de calqiera de las plantas de potencia son las trbinas de vapor y gas, qe para s estdio se peden clasificar de varias formas. La primera es de acerdo a la dirección general del fljo de flido de trabajo a través de la máqina, es decir, en fljo radial y fljo axial. Hoy 3

18 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO en día la mayor parte de las trbinas aplicadas a la generación eléctrica están diseñadas para fljo axial del vapor o gas. Las trbinas de vapor y gas, a pesar de sar flidos de trabajo my diferentes, tienen mchos pntos comnes de diseño, constrcción y operación. Las mayores diferencias están en las presiones y temperatras de trabajo de estas máqinas. Para trbinas a vapor, la temperatra máxima está hoy limitada a nos 540 a 600ºC. En las trbinas de gas en cambio, la temperatra de ingreso de los gases a la trbina es de nos 000ºC para las de so indstrial y hasta nos 300ºC para trbinas a gas de so aeronático y alto desempeño. Las presiones máximas son de nos 35 MPa para trbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y MPa para trbinas a gas. El tener altas presiones de admisión reqiere na constrcción robsta para las trbinas de vapor, en cambio las trbinas de gas son de constrcción más liviana. El presente trabajo tiene como fin el estdio de na trbina de vapor, definiendo esta como na máqina térmica qe transforma energía térmica, en energía mecánica. La energía térmica disponible es la diferencia de entalpías entre el estado inicial del vapor, a la entrada de la trbina, y s estado final a la salida de la misma; esta diferencia de entalpías se conoce como salto entálpico o salto térmico. En las trbinas de vapor existen nos elementos fijos qe son las toberas y los distribidores de álabes; si el salto entálpico se transforma totalmente en energía cinética, la trbina es de acción y la entalpía a la salida de la tobera para n proceso isentrópico será igal a la entalpía final del vapor; en estas circnstancias, en los álabes dispestos sobre el rotor o corona móvil, habrá únicamente na transformación de energía cinética en mecánica. Si la conversión de entalpía en energía cinética no es total, se tilizan distribidores de álabes, en los qe tienen lgar dos tipos de transformaciones 4

19 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO simltáneas, por canto na fracción de la energía cinética adqirida se transforma en energía mecánica, y el resto en energía cinética y posteriormente en mecánica. La transformación de energía cinética en energía mecánica se prodce haciendo segir al flido na determinada trayectoria, (entre álabes), de forma qe s velocidad absolta disminya; calqier cambio de magnitd o de dirección en dicha velocidad, tiene qe ser debido al efecto de na ferza, qe es la acción de los álabes de la corona sobre el flido. A s vez, se pede decir también qe todo cambio en la dirección o en la magnitd de la velocidad del flido, origina n empje sobre los álabes, de forma qe, para cando éstos vayan montados sobre na corona móvil, la potencia generada es igal al prodcto de la velocidad tangencial de los álabes por la componente periférica de la ferza.. Parámetros Térmicos Importantes en Trbinas de Vapor. La presión y temperatra del vapor sobrecalentado, son las propiedades qe se peden medir directamente con facilidad mediante transdctores de presión y termopares. La energía termodinámica del vapor está en fnción de estas dos propiedades (presión y temperatra). La propiedad del vapor qe define la energía a na determinada presión y temperatra es llamada entalpía (H, h). Una segnda propiedad sada como na herramienta en la termodinámica es la entropía (S, s). La entropía es especialmente sada al determinar el trabajo hecho en n proceso de expansión. En n proceso de expansión ideal o reversible, la entropía es constante desde el inicio hasta el final del proceso, mientras la energía es medida por el decremento de entalpía. Los valores de la entropía y entalpía del vapor son encontrados mediante tablas qe describen las propiedades del gas como na fnción de s presión y temperatra. Estas propiedades también peden ser obtenidas por el diagrama entalpía-entropía (Mollier). La entalpía es na propiedad termodinámica my 5

20 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO importante porqe pede determinar la cantidad de calor sministrado, calor rechazado y trabajo realizado en n proceso en particlar. Todo esto a régimen constante (fljo másico constante) para poder aplicar la primera ley de la termodinámica.. Ciclos Termodinámicos Aplicados a la Trbina de Vapor. Los ciclos termodinámicos peden ser representados sobre coordenadas de propiedades termodinámicas. Asociados a estos ciclos están los procesos a través de los cales las propiedades termodinámicas de los flidos de trabajo se van intercambiando En n ciclo completo las propiedades termodinámicas del flido de trabajo son regresadas a ss condiciones originales; en n ciclo contino se asme qe las propiedades del flido, retornan al pnto de inicio repetidamente. El flido de trabajo de na planta de potencia pede absorber energía por transferencia de calor y posteriormente regresar a s estado original rechazando ese calor a lo largo de otro proceso. Finalmente calqier sistema de generación de energía se pede decir qe está compesto por na fente de calor, n flido de trabajo y n smidero de calor, qe están experimentando cambios irreversibles... Ciclo de Carnot El ciclo más eficiente qe n flido ideal pede tener, es el ciclo de Carnot, este es n ciclo reversible qe tiene na compresión isentrópica (a-b), n proceso de sministro de calor a temperatra constante (isotérmico) (b-c), na expansión isentrópica (c-d), n proceso de rechazo de calor a temperatra constante (d-a). La figra. es na representación esqemática de na planta de generación de energía y s correspondiente ciclo de Carnot en n diagrama de Temperatra- Entropía (T S). La ventaja de analizar n diagrama T-S para n ciclo, es qe el área bajo la línea b-c representa el calor sministrado y rechazado drante el proceso, y el área 6

21 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO contenida dentro del proceso del ciclo completo, representa el trabajo de salida del ciclo. Esto lleva a estimar el calor sministrado, calor rechazado, trabajo realizado y la eficiencia de n ciclo en particlar. En la figra. el trabajo ideal esta descrito por el área a-b-c-d-a. El total del calor sministrado esta descrito por el área f-a-b-c-d-e-f y el calor rechazado del ciclo es el área f-a-d-e-f. Un ciclo de Carnot Aga/Vapor pede ser constrido debajo de la línea de satración, pero el estado del flido de trabajo es impráctico para algnos de los procesos, el proceso de expansión en la región de hmedad, provoca grandes pérdidas de eficiencia (pérdidas en la eficiencia mecánica), así como también la compresión del vapor es ineficiente. La experiencia mestra qe la eficiencia del ciclo práctico es la mitad de la eficiencia del ciclo ideal de Carnot. En la figra. se mestra el ciclo de Carnot en donde el flido de trabajo es calentado hasta na temperatra T y se expansiona hasta T, en donde el calor T T es rechazado. La eficiencia térmica de este ciclo es: ηtermica = T Fente de Calor T Q b Intercambiador (Generador de Vapor) c W T T b c Bomba Trbina Generador T a d Intercambiador (Condensador) a d f e Q S Diagrama Temperatra Entropía Smidero de Calor T Diagrama Esqemático Figra. Ciclo de Carnot de na Planta de Potencia 7

22 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO.. Ciclo Rankine El fncionamiento de na central termoeléctrica está basado normalmente en el ciclo Rankine simple como el qe se mestra en la Figra.3.El vapor es expandido en la trbina de vapor para convertir trabajo mecánico, qe posteriormente se convertirá en energía eléctrica a través de n generador eléctrico. Una vez qe el vapor pasa a través de la trbina llega como na mezcla de líqido-vapor hasta n sistema de condensación, donde se le qita todo el calor hasta lograr n líqido satrado. Finalmente pasa por na bomba qe le invierte trabajo eléctrico para ser enviado a n generador de vapor, qe a través de la qema de n combstible, lleva el vapor hasta la condición inicial cmpliendo así el ciclo. Figra.3 Ciclo Rankine La mayor ventaja termodinámica de n ciclo de vapor sobre n ciclo de gas es qe el proceso de transferencia de calor isotérmico es na posibilidad real. El proceso de transferencia de calor es similar al del ciclo de vapor y pede ser llevado a cabo dentro de la región de vapor húmedo donde n cambio de entalpía del flido de trabajo reslta en na evaporación o condensación del mismo, pero sin cambio de temperatra. La temperatra depende únicamente de la presión de vapor del flido como pede ser observado en el diagrama de mollier. La expansión isentrópica pede ser aproximada de na manera razonable para el flido en s fase de vapor o cando la fracción de seqedad (calidad) es alta de otra manera la aproximación para na compresión isentrópica en n vapor my húmedo es difícil y my impráctico técnicamente lograrlo. 8

23 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO La figra.4 mestra el arreglo esqemático para n ciclo Rankine simple y también los cambios de estado a través del ciclo en diagramas T-S y H-S. El trabajo de la bomba para incrementar la presión del flido de trabajo en s fase liqida pl a p H será menor qe el trabajo de compresión de na mezcla liqido vapor en el mismo rango de presión. El pnto b en la bomba lleva condiciones solo ligeramente speriores al pnto a sobre na línea de líqido satrado. El sministro de energía calorífica no es completamente a temperatra constante como si lo fe para el ciclo de Carnot, el cal es n referente. El sministro de energía calorífica es a presión constante p H. Si estamos en el pnto m sobre la línea de vapor satrado entonces para el vapor de aga na expansión isentrópica de m a n sitúa el estado del pnto n en la región de vapor húmedo esto es my importante para na trbina de vapor por qe la inclsión de aga en s fase liqida provoca problemas de erosión y ferzas de desbalance. Para evitar esto el sministro de calor Q e pede ser llevado hasta el pnto c el cal esta lejos y cae dentro de la región sobrecalentada esto pe,rmitirá na expansión isentrópica hasta el pnto d en el cal el vapor esta ligeramente sobrecalentado o con poca hmedad. Para calqier ciclo, la eficiencia termodinámica se define por: n t Trabajo útil de salida por kg de flido =,o también ηt = Energía sministrada por kg de flido Qe Q Q e s PH c wt T c T Qe Caldera Trbina Condensador d G Qs Aga de Enfriamiento b j m T a k n d wb b PL a i x r e S Bomba T c ph h c b ph Qe b pl d i e S a T S pl Figra.4 Ciclo Rankine con SH a Qs d i e 9 S

24 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO El trabajo de salida del ciclo en la trbina pede ser determinado de las propiedades del flido aplicando la primera ley de la termodinámica a la trbina como n sistema abierto en estado estacionario. Por definición V c V d c + pcv c + + zc + q = d + pdv d + + zd + Wt (.) + pv es la entalpía específica h, considerando qe el cambio de altras a través de la trbina es insignificante y qe no existe transferencia de calor en la misma tendremos V V h h W c d c + = d + + t Normalmente para plantas de potencia en regimen permanente el cambio de energía cinética de la entrada a la salida pede ser ignorado; pero cando esto no es así, se tiliza el término entalpía total o de estancamiento h o, la cál es definida por h o V = h +, cando el cambio de energía cinética es despreciable, el trabajo de la trbina es Wt = hc hd y para la bomba será Wb = hb ha. Si consideramos qe el ciclo trabaja en estado estacionario y aplicando balance de masa y energía al ciclo tendremos qe la potencia desarrollada viene dada como: El Rendimiento del ciclo reslta: W = W W = ( h h ) ( h h ) (.) η neta t b c d b a ciclo Wneta ( hc hd ) ( hb ha ) = = Q ( h h ) e c b (.3) Cabe mencionar qe el rendimiento del ciclo sin considerar directamente la eficiencia del generador de vapor se conoce en las centrales como Consmo Térmico Unitario (CTU) y pede estar dado en Kcal. /kwh. Si consideramos la 0

25 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO eficiencia de la caldera para determinar el rendimiento de la planta pede ser representada como: η W ( h h ) ( h h ) neta 4 3 ciclo ciclo = = = caldera Qe ( PC * m& g ) ηgv ηgv η (.4) Lo anterior se conoce como régimen térmico (RT) de la central termoeléctrica. Claramente la eficiencia del ciclo Rankine simple para n flido de trabajo en particlar es afectada por las presiones de vaporización y condensación (vacio) y el grado de sobre calentamiento del flido.[5] y la eficiencia térmica de la trbomaqina..3 Efecto de la Presión Sobre el Ciclo Rankine Simple. Para el vapor de aga, en la figra.4 se mestra en n diagrama T-s qe la áreas qe representa el trabajo realizado por el ciclo prácticamente son las mismas para n incremento de presión de. Sin embargo el calor rechazado es obvia mente menor para el ciclo con mas alta presión ( eficiencia térmica sea mas alta. P HH ), provocando qe s T T c c P HH P H P L S Figra.4 efecto de la presión de el ciclo Rankine simple

26 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO..4 Efecto de la Presión del condensador Sobre el Ciclo Rankine. El efecto de n redcción en la presión del condensador se mestra en la figra.5.el incremento del área qe representa el trabajo realizado por el ciclo esta my cerca de ser la misma como el incremento del área qe representa el calor W sministrado, pero la relación incrementada. T t Q e,la cal representa la eficiencia térmica, es c P H P L P LL d S Figra.5 efecto de la presión del condensador en el ciclo Ranline simple El ciclo de potencia analizado anteriormente es my sencillo, pero permite visalizar la forma de definir el rendimiento del mismo. Con el fin de lograr n mejor rendimiento del ciclo de potencia se hacen modificaciones coherentes al ciclo Rankine simple, a los ciclos con modificaciones se les conoce como ciclo modificado de Rankine...5 Ciclo Rankine Regenerativo Uno de los ciclos Rankine modificado de amplio so indstrial se conoce como ciclo Rankine Regenerativo, el cal es mostrado en la Figra.6, el ciclo regenerativo se caracteriza por extraer vapor a cerpos intermedios de trbina, para calentar el aga qe alimenta la caldera, logrando mejorar el rendimiento global del ciclo.

27 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Se observa en el ciclo qe la cantidad de flido de trabajo en el pnto k es menor qe en j el cal al regresar es menor qe la cantidad en i o en f, esto se mestra sobre el diagrama T-s mediante la sperposición de líneas de satración qe representan las cantidades apropiadas. La posición del pnto k relativa a la línea de satración mestra esto con s calidad correcta. Sin embrago el cambio de entalpía en el condensador por kilogramo de flido originalmente sministrado en f no esta representada por el área bajo la línea ky. Porqe hay menos flido en el pnto k qe en f, el área bajo la línea ka representa la transferencia de calor en el condensador del trabajo en el pnto f. Finalmente el resltado de la regeneración del ciclo es na redcción en el calor sministrado por el generador de vapor y del calor rechazado en el condensador. f T f P H i j k y e c a d b P i P j P L j k i L í nea de satraci ó n para c Lí nea de satraci ó n para a e d c b a S m n Figra.6 Ciclo Rankine Regenerativo..6 Ciclo Rankine con Recalentamiento El ciclo Rankine simple pede ser modificado con na variante de recalentamiento del vapor, cando el vapor se expande a través del primer cerpo de trbina, es regresado al generador de vapor para amentar s disponibilidad para segir prodciendo trabajo mecánico, tal como se mestra en la Figra.7. La baja calidad del vapor al final de la expansión pede ser evitada por el recalentamiento del flido de trabajo ya qe no mas de n 7 a n 0 % de liqido 3

28 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO peden ser tolerados en las ltimas etapas de na trbina de vapor de gran tamaño, de acerdo a las experiencias operativas porqe las gotas de liqido peden casar erosión en las coronas fijas y móviles de la trbina y esto a s vez redce la eficiencia interna de la misma. En este ciclo el vapor se expande de c a na presión P h a d a na presión intermedia P i. A esta presión el vapor es llevado de la trbina a la caldera y recalentado hasta na temperatra T e la cal es aproximadamente la misma qe T c, na expansión hasta el pnto f a la presión final P L qeda razonablemente cerca de na condición de vapor satrado seco. Otra ventaja de este ciclo es obtener mayor trabajo por masa de flido de trabajo. c W d T HP G Qe e f T LP G W Qs b a c e c e w T w T h T b P H P i P L d P H P i d f a m f P L m S S Figra.7 Ciclo Rankine con Recalentamiento 4

29 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO.3 Pérdidas de Energía y Eficiencia en los Ciclos de Vapor. Los ciclos descritos hasta ahora son ciclos ideales qe no inclyen ningna pérdida; en otras palabras, los procesos realizados en los ciclos son asmidos termodinámicamente reversibles. En na planta generadora de electricidad existen pérdidas qe están asociadas tanto a los procesos como al eqipo, na forma adecada para describir estas pérdidas en el ciclo de potencia es sando n diagrama de Sankey. Este diagrama mestra los fljos de energía de las pérdidas a través del ciclo y del calor rechazado. Un diagrama de Sankey para na nidad termoeléctrica típica se mestra en la figra.8, el cal permite el análisis del porciento de enrgia útil qe pede otorgar el proceso. Energía Total de Entrada 89% De vapor % 44.3% Ciclo Natral 44.7 %/50. % Trbina Generador 6. %/3.8 % Axiliares.0 %/5. % 38.% Generación 36.% Eléctrica Figra.8 Diagrama de Sankey de na Termoeléctrica Típica El término Ciclo Natral sado en la figra.8, es na combinación de diferentes pérdidas e imperfecciones del eqipo y del flido de trabajo. Una descripción detallada de estas pérdidas se mestra en la figra.9. 5

30 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Calor rechazado y Trabajo teórico realizado por el flido en el ciclo ideal (carnot) 3.8%/36.9% Calor rechazado debido a las imperfecciones en el ciclo. a.4 % Trabajo qe realiza el flido 7.7%/8.7% Pérdidas debido al P y T en el sistema de condensado.6%/.8% 89% Pérdidas debido al P en el recalentador 0.4/.4% 44.3% Figra.9 Pérdidas por el Ciclo Natral Las pérdidas titladas Pérdidas de Trbinas y Generador, inclyen pérdidas aerodinámicas de los pasos, perdidas a la salida del vapor qe deja el último paso de la trbina, caídas de presión, sellos y pérdidas mecánicas. La magnitd de estas pérdidas se describe en la figra.0. Pérdidas aerodinámicas en álabes 3.7%/8.4% Pérdidas en la salida.3%/.9% Caída de presión en la trbina 0.3%/0.5% Pérdidas por fljo secndario 0.%/0.5% 44.3% Sellos 0.3%/0.7% Pérdidas en el generador eléctrico 0.4%/0.9% Axiliares.0%/5.% 38.% 36.% Generación Eléctrica Figra.0 Pérdidas en Trbina y Generador Eléctrico Analizando estas figras se observa qe las pérdidas de la Trbina son solo el 6.% del total del ciclo, con esto se pede decir qe la eficiencia de la trbina es de 38./44.3 o 86.%; Anqe esta cantidad de eficiencia pede ser cestionable ya qe no se consideraron las pérdidas de eficiencia de los eqipos asociados a la trbina. 6

31 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO El régimen térmico de la trbina y del eqipo asociado en el ciclo pede encontrarse tomando el inverso de la eficiencia térmica, mltiplicada por la conversión a kj/kwh e inclyendo la eficiencia del generador de vapor. Régimen Térmico de la Trbina= ( )( )( ηgv ) η t (.6).4 Pérdidas de Energía en las Trbinas de Vapor y s Eficiencia. En las redas de na trbina la cantidad de calor qe se convierte en trabajo es menor qe el calor total qe entra en ella; o sea, es menor qe la cantidad teórica de calor disponible, lo cal se debe a qe existen pérdidas drante el proceso (Figra.9). h r h t h t p h s h a h b h e h f Figra. Comparación entre n ciclo teórico sin pérdidas y n ciclo real con pérdidas Todas las pérdidas qe contribyen a disminir el trabajo útil de na trbomáqina térmica, pede dividirse en dos grandes grpos: internas y externas..4. Pérdidas Internas. Este tipo de pérdidas se refiere a las están directamente relacionadas con las condiciones de vapor al pasar éste a través de la trbina. Dentro de este tipo se peden considerar las sigientes pérdidas: 7

32 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO En las válvlas de admisión ( h). En las coronas fijas (h a ). En las coronas móviles (h b ). Debidas a la velocidad de salida del vapor (h e ). Debida al claro entre el rotor y las gías. Ocasionadas por la hmedad del vapor.4. Pérdidas Externas. Son aqellas qe no están relacionadas con las condiciones propias del vapor. Entre ellas se encentran: Pérdidas mecánicas (h f ). Pérdidas por Radiación y Condcción Pérdidas por fgas externas En la figra.9 las pérdidas en la válvla regladora están representadas por h. Como pede observarse, drante la estranglación, en el proceso de a cae la presión de p a p ; o sea, en el pnto la energía disponible es h t y en el nevo pnto será h t. Las demás pérdidas, llamadas internas, se han representado por h a, h b, h e, y la pérdida externa h f, al observar la figra, la energía disponible total se redce a h r..4.3 Eficiencias Relacionadas con la Trbina. Los parámetros de na nidad inclyen, además de la eficiencia en la expansión del vapor a través de la trbina, otros como el vapor de sellos qe sale de la trbina, las pérdidas en la salida, las pérdidas mecánicas y la pérdida del generador. La eficiencia en la expansión o eficiencia interna de la trbina es na combinación del comportamiento de cada paso en las secciones de la trbina. Esta eficiencia pede ser calclada determinando el comportamiento de cada paso de la trbina y lego combinar los pasos para calclar el comportamiento total de la sección. 8

33 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Para poder hacer esto, se necesitan detalles geométricos de cada paso y el fljo de vapor a través de este. Un análisis de datos en varias secciones de trbinas de similar diseño, revela qe la eficiencia de grpos de pasos correlaciona parámetros termodinámicos como incremento de presión y fljo volmétrico inicial. Analizando grpos de pasos qe feron diseñados con el mismo criterio de diseño, con n mismo fljo inicial e igal incremento de presión, se peden considerar qe tienen la misma eficiencia cando varían las condiciones iniciales del vapor. El análisis de los datos de n grpo de pasos revela qe cando el fljo de vapor qe entra al grpo se incrementa, también lo hace la eficiencia de la sección. Como el fljo volmétrico se incrementa la altra de los pasos también se incrementa. Cando la relación de presión se incrementa, el promedio del fljo volmétrico de la sección se incrementa cando la presión inicial es constante, por lo cal, la relación de presión en la sección de la trbina tiene gran inflencia en s eficiencia. Otro efecto es cando se incrementa la relación de presión prodciendo n incremento en el factor de recalentamiento. El factor de recalentamiento es debido al cambio de la geometría en el diagrama de Mollier. Calqiera de estos factores se refleja en n incremento en la eficiencia de la sección. Hay pérdidas en las qe incrre el vapor mientras flye a través de la salida de la trbina al condensador. Estas pérdidas son llamadas pérdidas en la salida, y estas son fnción principalmente de la velocidad del vapor en el último álabe..4.4 Eficiencia de la Trbina. La eficiencia interna de la trbina es la relación entre el trabajo interno útil dado por el vapor dentro de la trbina y el trabajo disponible, y se representa por la ecación: h r η i = o bien: ht η h h h h h h t a b f e i = (.6) ht 9

34 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO.4.5 Eficiencia Mecánica de na Trbina. La eficiencia mecánica de la trbina, es la relación entre el trabajo real en la flecha de na trbina y el trabajo interno. h η mec = (.7) hr Donde h es el trabajo real de la flecha..4.6 Eficiencia de la Máqina. Es el prodcto de la eficiencia interna por la mecánica. ηm = ηi ηmec (.8).4.7 Eficiencia del Generador Eléctrico. Tratándose de plantas termoeléctricas, la energía qe finalmente se entrega es la energía eléctrica en las terminales del generador. La relación entre la energía medida en las terminales del generador, y el trabajo útil o real en la flecha de la trbina, se llama eficiencia del generador. h e η g = (.9) h.5 Diagrama de Balance Térmico de Trbina de Vapor. El diagrama de balance térmico representa condiciones de operación en estado estable de n ciclo trbina-generador específico. Con el objeto de mostrar el comportamiento termodinámico del ciclo para poder verificar s ben fncionamiento de la nidad, la empresa manfactrera garantiza el comportamiento de la nidad, mediante balances térmicos en operación de diseño qe ellos proporcionan al realizar las prebas de aceptación del eqipo. Las condiciones del ciclo dependen de la trbina-generador y de ss componentes. 0

35 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO La confiabilidad de na evalación del comportamiento de trbina, depende de la confiabilidad del comportamiento de los componentes y del balance térmico. El régimen térmico neto para n grpo trbina-generador en particlar, lo da s balance térmico en donde describe el estado estable termodinámico en operación y comportamiento de las trbinas y del ciclo en general. La figra. presenta n típico diagrama de balance de energía de na trbina Tandem.

36 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Figra. Balance térmico al 00% nidad y de la central Presidente Adolfo López Mateos

37 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO. Analisis Teórico de La trbina de Vapor Las trbinas de vapor son máqinas térmicas qe transforman la energía potencial de tipo térmico, en energía mecánica. La energía potencial térmica disponible es la diferencia de entalpías entre el estado inicial del vapor, a la entrada de la trbina, y s estado final, a la salida de la misma; esta diferencia de entalpías se conoce como salto entálpico o salto térmico, esto no es mas qe los limites qe los diseñadores fijan para la expansión del vapor a manjar en la trbina El elemento fijo es na corona de álabes (estator) montados sobre la carcasa, segida de na corona de álabes móviles (rotor) montados sobre el eje o flecha. En trbinas, la configración estator-rotor se llama paso o escalonamiento. Algnas máqinas centan con n solo paso o escalonamiento. Pesto qe el trabajo específico de n paso es bajo en fljo axial, es común emplear varios pasos en serie y estos peden ser de implsión o reacción. En trbinas de múltiples pasos existen dos principios generales de transferencia de energía del flido a los álabes del rotor: Por medio del paso de implsión (o acción). La caída de presión es a través del estator, el cal acelera el flido para lego transferir esta energía cinética al rotor. No hay caída de presión en el rotor. Los diseños de este paso son: a. encillo o de Laval. En este diseño, la presión cae al pasar por las toberas qedando constante en el rotor, y la velocidad absolta amenta en las toberas pero disminye al salir del rotor debido a qe el flido ha cedido s energía cinética. Los álabes del rotor salmente son simétricos y ss ánglos de entrada y salida son igales. En general existen dos tipos de álabes simétricos: no con el área de fljo constante y el otro con na convergencia-divergencia entre los canales de los álabes. b. De presión o de Ratea. Este diseño consiste de pasos de Laval pero colocados en serie para qe cada corona de toberas prodzca sólo na 3

38 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO parte de la caída total de presión y cada rotor absorba la energía cinética de las toberas qe la precede. c. De velocidad o de Crtis. En este diseño el flido pasa primero por na corona de toberas donde la presión cae y la velocidad absolta amenta. Lego, el flido incide en n rotor para absorber parte de la energía cinética. Sige n estator para cambiar la dirección de la velocidad absolta sin cambiar la presión. Despés el flido pasa por otro rotor para absorber la energía cinética restante. En principio sería posible añadir calqier número de rotores alternados con estatores, pero en la práctica se san dos rotores para no deteriorar la eficiencia. Por medio del paso de reacción (o de Parsons). La caída de presión está repartida entre el estator y el rotor y sólo na parte de la energía transferida viene de la energía cinética del flido entrante. La otra parte viene de la ferza de reacción del flido cando éste sfre na aceleración relativa a los álabes por la caída de presión. El grado de reacción indica el porcentaje de la caída de presión a través de los álabes del rotor para n paso dado (n grado de reacción de 50% da benos resltados). En este diseño, los álabes del estator incrementan la velocidad a expensas de na caída de presión, y los álabes del rotor prodcen na caída de presión y de velocidad. Cando los álabes del estator y del rotor tienen la misma forma geométrica, entonces ss caídas de presión son igales.. Descripción del Trbogrpo. A continación se presenta la descripción del trbogrpo de la nidad dos de la Central Termoeléctrica Adolfo López Mateos tiene las sigientes características tabla. 4

39 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Marca. Tipo. Capacidad. Velocidad. Dirección de rotación. Mitsbishi. Implso, Dos carcazas en Tandem compond, Con Recalentamiento, Con extracciones, Doble Fljo y Condensador. 350, 000 kw. 3, 600 RPM. Contrario a las manecillas del reloj (visto desde el frente estándar de trbina) Condiciones del vapor inicial Bar y 538 C. Presión de escape. Nmero de extracciones de vapor. Tipo de gobernador. Rango de velocidad. Reglación de velocidad en condiciones estables.. Kpa. Absoltos. 7 extracciones de los pasos 6,8,0,,,3 y 4. Electrohidrálico digital. Ajstable entre 94 y 06 % de la velocidad de placa sin carga. De a 6 % de la velocidad de placa ajstada en 5 %... Trbinas de Alta e Intermedia Presión La trbina de alta presión (TAP) comparte el rotor y la carcasa externa con la trbina de presión intermedia (TPI); centa con 6 pasos la primera y 4 la segnda, qe se dividen en n paso crtís y 9 pasos de tipo RATEAU los restantes. La constrcción de la trbina de alta presión y presión intermedia es de doble carcasa, con dos entradas de vapor principal sobre la mitad sperior, y dos sobre la mitad inferior... Trbina de Baja Presión (TBP) Se bica entre la TPI y el generador eléctrico (GE) es de tipo RATEAU de doble fljo, se compone de 0 pasos. La constrcción de esta trbina es de doble carcasa y na vez qe el vapor a pasado a través de ella llega al condensador principal, mediante na conexión flexible colocada entre el mismo y la TBP. 5

40 MW POR FALLA EN ÁLABE ROTOR L- CAPITULO Igalmente se tienen sellos en la periferia para evitar fgas de vapor de n paso a otro, la última reda de álabes tiene n recbrimiento especial con estelite para protegerlos de la erosión prodcida por el vapor húmedo antes de abandonar la trbina, Centa con n dispositivo para la atemperación del vapor de escape de la TBP, (sistema de rocío de carcasa) y con sellos de tipo diafragma, qe se rompen cando la presión es mayor de 35 kpa. Figra. Trbinas de la Unidad y de la Central Termoeléctrica Presidente Adolfo López Mateos 6