1.1 Porque se aplican las turbinas de vapor de - U

1.1 Porque se aplican las turbinas de vapor de transmisión mecánica
Las turbinas se pueden diseñar para hacer más flexible su operación para utilizar de manera económica
vapor proveniente de diversas fuentes, con el fin de suministrar
-
Entrada de potencia directa o a través de engranes para compresores, bombas o cualquier otro
equipo impulsado
Vapor a las presiones y cantidades requeridas para procesos integrados o para turbinas de
presión mas baja
La energía eléctrica deseada
Energía eléctrica cogenerada para vender.
1.2 Panorama general de los fundamentos de las turbinas de vapor
En una turbina de vapor, las toberas y diafragmas se diseñan para dirigir el flujo de vapor en chorros bien
formados a alta velocidad, a medida que se expande de la Padmision hasta Pescape, chocando acontra
alabes en movimiento monatdos en el rotor. Los alabes convierten la E cinetica en E rotación de la flecha.
Existen 2 tipos: Accion y reacción.
Reacción: el vapor se expande en los alabes estacionarios como en los móviles. Estos últimos aprovechan
la energía del chorro de los alabes estacionarios y para actuar también como toberas . una fuerza de
reacción, debida a la caída de presión , incrementa la fuerza de los alabes estacionarios. En estas turbinas
se minimizan las fugas en torno a los alabes móviles (interticios muy pequeños) , requiere un embolo
compensador por las grandes cargas de empuje.
Accion: tiene poca caída de presión a través de sus alabes multiples. La energía se transfiere por completo
al rotor por medio de los chorros de vapor que chocan contra los alabes móviles. Como no hay caída de
presión a través d elos alabes móviles, los interticios son grandes y no se necesita embolo compensador.
1.2.1 Las etapas de las turbinas de vapor pueden variar
Curtis (según velocidad), consta de filas de alabes móviles. Las toberas dirigen el vapor contra la primera
fila; a continuación, los alabes de inversión lo vuelven a dirigir hacia la segunda fila. La gran caída de
presión a través de la tobera produce un chorro de vapor de alta velocidad. Esta es absorbida en varios
pasos a P cte. Las 2 filas rotatorias de alabes hacen uso eficaz del chorro lo que conduce a diámetros de
las ruedas y velocidades en las puntas pequeños y a una turbina mas corta y robusta.
Rateau, la energía se convierte en trabajo por medio de toberas estacionarias que dirigen el vapor contra
una sola fila de alabes móviles. Las caídas de presión ocurren casi por completo a través de las toberas
estacionarias.
1.2.2 Diseño moderno de acción
Se ha sido capaz de lograr el rendimiento de una turbina de reacción pura, esto se realiza en etapas de
alta presión, añadiendo una cantidad de reacción para mejorar rendimiento. Se diseñan paletas altas de
baja presión, con mas reacción. Los interticios disminuyen la dependencia en el control hermetico de las
fugas.
1.2.3. Construccion de una sola valvula contra válvulas multiples
Las turbinas de válvulas multiples limitan la caída de presión a través de las válvulas reguladoras,
minimizando la perdida por estrangulación. El beneficio es que las boquillas que forman un arco corto
son alimentadas por una sola valvula, permite una mejor relación de velocidades. Además escalonaran la
apertura de modo que las válvulas subsiguientes solo se abrirán cuando la valvula anterior este por
completo abierta. Suelen mejorar la eficiencia en todo el rango de operación de una turbina de vapor. Las
de una etapa se encuentran en 6 clases de construcción:
Clase 1: hierro fundido, para P no mayores a 17.2 bar y T no sup a 260°C
Clase 2 y 3: acero al carbono, Pmax de 48.3 bar y T para 2 343°C y clase 3 T 399°C
Clase 4, 5 y 6: P superiores a 48.3 bar hasta 62 bar. Clase 4, acero al carbono Tmax 399°C, para T mayor a
399 °C se usan aceros de aleación. Clase 5, acero al carbono molibdeno, T max 440 max y la clase 6 acero
al cromo molibdeno hasta T 482°C.
Para P a 48.3 bar o menor y T superior a 399°C se utiliza clase 3 con material apropiado.
1.2.4. Consideraciones sobre el balance de vapor
Se pueden usar turbinas de condensación, de contrapresión o con extracción/inducción, según se
requiera, al diseñar tanto las plantas nuevas como las adiciones a las existentes.
1.3. Panorama general de los tipos de turbinas de vapor y de sus controles
1.3.4 Consideraciones Básicas sobre el control del vapor
Influyen para seleccionar un tipo de turbina la naturaleza de la carga y la necesidad de calor ´para
potencia y otros procesos.
En los sistemas modernos de control se usan sensores electrónicos para la velocidad y la presión.
Un aumento de velocidad, como respuesta a la disminución de carga, hace que los contrapesos se
muevan hacia afuera, cerrando las válvulas asociadas al vapor.
El control de velocidad está modelado por un regulador centrífugo. El control de presión está
modelado por un fuelle mecánico. Un aumento en la presión controlada hace que el fuelle se
expanda, con lo q se cierran las válvulas de admisión o se abren las de extracción.
Diagramas Esquemáticos de los Reguladores de las Turbinas de Vapor
Acá se representa una unidad con un regulador sencillo de velocidad. La presión de escape se
establece independiente de la turbina por medio de un condensador u otras fuentes de vapor
hacia un cabezal de escape. Disposición típica de una unidad recta de condensación. Válvulas solo
controlan velocidad y carga.
Se muestra una unidad que mantiene la presión de escape a través de la acción de las válvulas de
admisión. No es práctica para una carga aislada que requiere regulación exacta de velocidad.
Acá se representa una unidad con una sola extracción automática. Las 2 válvulas acá controlan:
velocidad/carga y presión de extracción.
1.3.5 Controles para la condensación con extracción automática
Se aplican en plantas industriales y en sistemas de cogeneración por terceros. Responde a
demandas variables de vapor en sistemas de vapor de uno, dos o tres procesos, además de
responder a la frecuencia o carga.
1.3.6 De transmisión con Engranes de Accionamiento directo
Es un medio eficaz al costo, así como flexible para generar potencia. Los grupos integrales de
equipo ofrecen los beneficios de la responsabilidad de un solo punto para el montaje del
turbogenerador o de cualquier otro paquete de equipo impulsado.
1.3.7 Conceptos sobre diseño modular
Muchos fabricantes dependen del principio de bloques de construcción, donde cada componente
tiene rangos de aplicación bien establecidos e identificables. A partir de estas familias de
componentes se seleccionan los óptimos para integrarse con una trayectoria de vapor establecida
para satisfacer diferentes necesidades para aplicaciones distintas.
La clave para el concepto fue desarrollar una familia de componentes con puntos comunes de
interfaz. Los diversos componentes contenidos dentro de la estructura son:
•
•
•
•
•
•
•
•
Una familia de pedestales frontales que soporten la carcasa de alta presión y alojen los
cojinetes de empuje y las chumaceras
Un arreglo de conjunto de mecanismos de distribución por válvulas, cada uno diseñado
para cubrir un rango de presiones, t°s y flujos regulados
Una familia de carcasas de alta presión
Mecanismo de distribución por válvulas de extracción/admisión
Línea de cajas de escape para flujo sencillo y doble (aplicaciones con y sin condensación)
Sistemas de control con base en microprocesadores
Tubería estructurada para el vapor y el aceite
Trayectoria de vapor diseñada según especificaciones, coherente con las necesidades
termodinámicas globales.
Capitulo 2
Carcasa de la turbinas y componentes estacionarios importantes
Las turbinas de vapor pueden ir existir entre (124 bar/ 538°C) hasta condiciones casi atmosféricas
con temperaturas de admisión de saturación.
Pueden contar con múltiples provisiones para la admisión o la extracción del vapor para diversos
usos en procesos.
A menudo se extrae vapor de la turbina a fin de calentar el agua de alimentación, esta extracción
puede ser no controlada (lo más usado) o controlada (requiere uso de válvulas).
2.1 Diseño de la carcasa
Se emplea construcción de casco sencillo o doble (facilitan la absorción de los esfuerzos térmicos
transitorios, resiste agrietamiento del casco y los cambios en el alineamiento durante la
operación).
Casco doble: Impide que el vapor inicial entre en contacto directo con la unión exterior de la
carcasa.
Figura 2.1:
•
•
•
•
El ajuste de los dispositivos permite que todas las partes de la turbina se alineen entre sí y
que la propia turbina se alinee con la cimentación, sin necesidad de calzas para la
máquina, etc.
Partes de la turbina que controlan la posición de los componentes rotatorios en relación
con los componentes fijos están soportadas y colocadas a la altura de la flecha.
Cojinetes soportados sobre dispositivos de ajuste, en pedestales fijos para ellos.
Se encuentran generalmente partidas horizontalmente y están diseñadas para dar lugar a
una operación confiable.
2.2 Secciones de admisión del vapor
El vapor entra a la turbina en la sección de admisión, a través de una o más válvulas reguladoras.
Siendo comunes las disposiciones de levantamiento por varilla o por leva.
Levantamiento por varilla (Figura 2.3)
•
•
Un servomotor acciona la palanca que sube o baja la varilla horizontal que se encuentra
encerrada en la caja de vapor.
Las válvulas reguladoras (5 a 7) están suspendidas libremente sobre la varilla y la longitud
de de su vástago está ajustada para que abran en forma secuencial.
•
Capacidad de flujo 273 [ton (metrica)/Hr]
Figura 2.5
Diseño que minimiza la acción (rotación sobre su eje que produce desgaste) de la válvula en un
flujo turbulento de vapor. El diseño con la tuerca esferoidal en el vástago de la válvula se apoya en
un asiento de forma cónica en la varilla de levantamiento, reduciendo la fricción y esfuerzo de
flexión en el vástago.
Mecanismo de levantamiento por leva
•
La carga por resorte en la parte superior de cada vástago de válvula es para oponerse a la
fuerza de expulsión ejercida por ese vástago cuando la válvula está abierta por completo.
Y como medida de seguridad en caso de una descarga de urgencia de la turbina.
Figura 2.7
Mecanismo de distribución por válvulas con levantamiento por varilla y admisión dual hacia la caja
de vapor (reduce la velocidad del vapor en la caja, reduciendo el desgate).
En una turbina de una sola etapa, tipo se pueden usar hasta 3 válvulas manuales (mejor
rendimiento del vapor con carga parcial, deben estar abiertas o cerradas por completo) más una
reguladora.
La etapa de regulación de una turbina, sea de acción o de reacción, se diseña como una rueda de
acción.
2.3 Diafragmas y empaquetaduras de laberinto de las tubinas a
Vapor
En la turbina de acción, un diafragma es una partición estacionaria colocada entra cada rueda
rotatoria que:
 Separa la turbina en varias etapas de presión
 Contiene las toberas que aceleran y dirigen el chorro de vapor hacia el empaletado.
 Retiene la empaquetadura a través de la cual pasa la fecha (eje) que contiene las
ruedas de cada etapa.
Las toberas en los diafragmas varían su tamaño y área de paso etapa a etapa con el fin de
manejar de forma eficiente el volumen de vapor a medida que avanza en la turbina. Los
diafragmas se fabrican como: fundidos convencionales, fundidos con revestimiento, fresado y
soldado, y de rayos.
Los diafragmas fundidos convencionalmente constan de secciones preformadas de álabes de
toberas de acero inoxidable 405 laminado en frío. Las secciones separadas de toberas se
colocan en posición y se cuela hierro fundido dúctil (ASTM A-536, Gr. 80-55-06) para formar el
diafragma.
El diafragma de fundición convencional queda limitado a aplicaciones de baja temperatura (260
ºC) y caídas de presión por etapa de 2,4 bar. Se usan cada vez menos a pesar de ser los más
baratos. Los problemas característicos con estos diafragmas son: el área real de la tobera es
difícil de obtener y los índices de desperdicios son elevados (mala calidad de la pieza).
Los diafragmas fundidos con revestimiento constan de bloques separados de toberas de
material con 17% de cromo, montados en los aros interior y exterior de acero (ASTM A-283 Gr.
D) y soldados entre sí por soldadura de arco sumergido. Los bloques de toberas se fabrican
con tolerancia mucho más estrecha y con mejor acabado liso con este tipo de fundición.
Utilizando sólo acero en la fabricación de toberas se alcanzan temperaturas admisibles por
etapa de hasta 400 ºC. Las caídas de presión por etapa no es problema porque se incrementa
el espesor del diafragma hasta lo que se requiera.
El diámetro interior de las toberas de una familia de diafragmas permanece constante al igual
que el diámetro exterior de la rueda. Los diafragmas fundidos son mejores que los
convencionales (debido a un control más estrecho del área, acabado más liso) y con
modificaciones pueden dar un rendimiento comparable a los diafragmas obtenidos por fresa y
soldadura.
El diafragma fresado y soldado consta de bloques separados de toberas soldados entre sí. La
tobera se fresa a partir de un bloque sólido de acero inoxidable (405 ASTM A-276 laminado en
caliente). Luego se sueldan entre sí cuando están en posición con los aros interiores y
exteriores. El límite de temperatura por etapa para este diafragma es de 400 ºC y la caída de
presión es la misma que para diafragmas de fundición con revestimiento. Las ventajas de este
diafragma es el espaciamiento estrecho entre la paleta y tobera con diámetros de paso
constantes etapa a etapa lo cual permite captar o recuperar la velocidad residual lo cual mejora
el rendimiento por etapa y se conoce como construcción flugelizada.
El diafragma de rayos se usa cuando se requieren toberas más grandes (mayores a 83 mm).
Los álabes de las toberas se hacen de acero inoxidable 405 o de fundición con revestimiento.
Los álabes se ajustan al aro interior y exterior y se sueldan al arco.
La norma API 612 requiere del uso de empaquetaduras tipo laberinto para el sellado entre
etapas. Para el uso de este tipo de empaquetadura se requiere:
 Los diafragmas se parten horizontalmente.
 La mitad inferior del diafragma se asegura a la carcasa con tornillos prisioneros.
 El diámetro exterior es de 1,5 mm menor que el diámetro interior de la carcasa para
permitir los intersticios laberinto a rotor.
 Los diafragmas se ajustan con protecciones contra la fricción del aire.
 Las mitades del diafragma se atornillan entre sí.
En los anillos macizos de empaquetadura se incorpora un resorte para empujar la
empaquetadura contra un portaempaquetadura muy cerca del eje. Hay empaquetaduras de
carbón de anillo flotante que se ponen sobre el eje con una holgura muy estrecha. La
empaquetadura mantiene su posición por medio de un resorte y requieren de mayor
mantención.
Existe también el sellado al vapor utilizado en turbinas de vapor muy grandes (1000 hp). En
este sistema la fuga de vapor se conduce hacia regiones de presión más baja en la turbina a
un condensador de vapor cuando se trata de la última etapa.
Capitulo 4: Rotores para turbinas de acción
Los rotores de turbinas de acción se clasifican en tres categorías:
1. Rotores ensamblados: Rotores que se construyen al zunchar (unir con un refuerzo
metálico) las ruedas sobre una flecha
2. Rotores macizos: Rotores en los que las ruedas y la flecha se maquinan a partir de una
sola pieza forjada, integral
3. Rotores macizos y ensamblados combinados: Aquellos rotores en que algunas de las
ruedas son integrales con la flecha y algunas se zunchan sobre esta
Los factores que determinan el tipo de construcción del rotor son:
1.
2.
3.
4.
4.1
Experiencia de operación de largo plazo
Diámetro de paso
Velocidad máxima de operación
Temperatura del vapor
Experiencia de operación a largo plazo
Sobre este factor influyen las preferencias del usuario sobre factores de mantenimiento o el
conservadurismo del diseño (velocidad de operación y temperatura de vapor). En una
especificación API se expresa:
Se requiere la aprobación del comprador para los rotores ensamblados, cuando la
velocidad en la punta de los álabes sea mayor que 825 ft/s, a la velocidad máxima
continua, o cuando la temperatura de admisión a la etapa sea mayor que 825°F
4.2
Diámetro de paso y velocidad
Una regla empírica que se utiliza es la siguiente:
Cuando el producto de las rpm y el diámetro de paso (pulgadas) es menor que 160000
resulta adecuada la construcción ensamblada. Por ejemplo ruedas zunchadas de 20in (508 mm)
son adecuadas para una velocidad de 8000 rpm (20 x 8000 = 160000) equivalente a una velocidad
en la punta de 700 a 800 ft/s (213 a 244 m/s) inferior al requisito API
4.3
Temperatura del vapor
Las ruedas se mantienen en su lugar por un ajuste de interferencia, el cual se logra cuando la
rueda calentada se coloca en posición y se deja enfriar hasta la misma temperatura de la flecha.
Mientras la temperatura de estos dos elementos sean iguales se mantiene la interferencia por lo
que cuando existe una diferencia de temperatura entre la rueda y la flecha se puede perder esta
condición. Sí esto pasa se evita que la rueda gire en torno a la flecha por medio de una cuña, pero
puede moverse axialmente.
Por esta razón se utiliza una rueda integral para temperaturas de etapa sobre 400°C o
temperaturas de admisión de vapor de 440°C. Cómo la temperatura disminuye etapa a etapa
muchas veces se utiliza rueda integral en las primeras etapas y ensambladas en las siguientes con
lo que se obtiene un rotor combinado.
4.4
Construcción ensamblada
Para un rotor ensamblado se recibe una pieza forjada en bruto, se maquina y se trabaja en un
torno común a todas las piezas. El torneado de todos los diámetros críticos de la flecha se dejan
alrededor de 0.015, 0.020in para rectificar hasta dejar las dimensiones finales. Se maquinan
ranuras circunferenciales en la flecha para aros que se ajustan por contracción y se ubican
axialmente a los lados de cada lugar que se quiera que sea el cubo de la flecha. Finalmente se
fresan las cuñas necesarias para todos los acoplamientos, collarines y engranajes.
Simultáneamente a los procesos anteriores también se preparan las ruedas de la turbina y las
paletas. La pieza de la rueda se forja en bruto para darle el perfil deseado y se termina el
maquinado del agujero central. Después de devastar el aro de la rueda se maquina la ranura
circunferencial de cola de milano en donde se inserta la raíz de las paletas. Se completa el
maquinado de las superficies aerodinámicas de las paletas y de los remaches, la raíces de las
paletas se hacen con especificaciones especiales para ajustarse a la ranura de la rueda para así
garantizar una buena distribución de la carga entre los enclavamientos de las paletas. Las paletas
se van insertando de a una en la ranura y la paleta final es una paleta especial de enclavamiento
con una raíz especialmente formada que se diseña para llenar la ranura y fijar el resto de las
paletas. Esta paleta de enclavamiento se ajusta se sostiene por medio de una espiga que se ajusta
en un agujero taladrado que pasa axialmente a través de la raíz y por ambos lados de la rueda.
Una vez montados los álabes se sujeta el aro de refuerzo de estos. Cada segmento del refuerzo se
coloca sobre un grupo de álabes con un remache que se prolonga de la punta del álabe que luego
se martilla. Finalmente se balancea la rueda estáticamente para realizar cualquier corrección
necesaria.
Existen casos en que se utilizan álabes con aros de refuerzo integral. Estos son álabes ligeramente
cargados, como los que se usan en aplicaciones geotérmicas y la particularidad tiene como fin
eliminar los elevadores de esfuerzos en un medio ambiente corrosivo, además el aro integral
mejora el rendimiento termodinámico.
Para el montaje del rotor, las ruedas se colocan en un horno a gas y se calientan para expandir el
agujero central. El procedimiento de zunchado se realiza con el rotor en posición vertical, con el
extremo de escape hacia abajo. Se empieza con la última etapa, cada rueda se saca del horno y se
instala. Cada rueda se gira para alinear con el cuñero central. Los cuñeros para ruedas adyacentes
se orientan con separación de 180°. El material utilizado para la construcción de rotores
ensamblados suele ser un acero de aleación al cromo molibdeno niquel.
4. 5 Construcción Maciza
-La flecha y ruedas del motor se maquinan a partir de una sola pieza forjada (a diferencia de un
rotor ensamblado).
-Se taladrean agujeros axiales en la turbina para igualar la presión en ambos lados de la rueda
y con ello reducir el empuje del vapor mejorando la eficiencia de la etapa.
-Material para la construcción del Rotor es ASTM A-470 Clase 4 (para temperaturas hasta 482
ºC) o ASTM A-470 Clase 8 (para temperaturas de hasta 565ºC).
Métodos de balanceo del rotor de las turbinas
-
Se usa una máquina para balancear con el fin de detectar la cantidad y ubicación de las
masas desbalanceadas de un rotor. Consiste en un aparato que hace girar con rapidez
el rotor sobre un juego de cojinetes montados sobre resortes. Con cualquier
desbalanceo hace que el rotor se mueva de acá para allá a medida que ira con rapidez.
La máquina mide el ángulo de fase y la amplitud del movimiento y calcula el
desbalanceo que debe estar presente para causar el movimiento.
-
Balance Rotor ensamblado. Se balancea estáticamente el rotor luego del empaletado
instalado y completo. Después de haber instalado la flecha se hace un balanceo
dinámico. Una vez instaladas todas las piezas se hace un balance final si se requiere.
-
Balance Rotor Integral o sólido. La flecha(en estos tipos la flecha es parte de la rueda)
se balancea dinámicamente después del maquinado, pero antes de que se instalen los
álabes o paletas. A medida que se instalan grupos de paletas se hacen balanceos.
Luego se hace un balanceo final.
Tolerancia al Balanceo
La tolerancia al balanceo se encuentra dada por la siguiente ecuación
Y en unidades SI:
Donde:
U = Desbalanceo Residual, [oz-in], [g-mm]
W= Carga estática de peso del muñón, [lb] [kg].
N=Velocidad máxima continua, [r/min]
Además la amplitud de vibración no puede ser mayor que 2 mils (50
dado por:
), lo que se encuentra
En unidades SI:
Donde: A= Amplitud de la vibración no filtrada,
N: Velocidad máxima continua, r/min.
5. Rotores para las turbinas de Reacción
5.1 Rotores Macizos
Son aquéllos que son forjados a partir de una sola pieza.
La elección de un rotor macizo o uno soldado dependen de la temperatura del vapor, la
configuración geométrica del rotor y el tiempo disponible para que alcance la condición de
plena carga. Si una condición de operación sobrepasa los límites para uno macizo, se usa uno
forjado. Para determinar el uso de una u otra tecnología se utiliza el método de elementos
finitos para modelas las condiciones de esfuerzos y temperaturas.
Resumen Capitulo 5 (-5.1)
5.2 Materiales para los rotores macizos
Se usan dos materiales, dadas sus buenas propiedades mecánicas y la información existente acerca
resistencia al agrietamiento, su velocidad de propagación de grietas y cómo se comportan ante
fracturas y que tan frágiles son.
Estos materiales son los aceros St 560TS y 461Ts.
Las propiedades de estos se muestran en la tabla siguiente:
•
•
Todos los rotores se deben premaquinar y se deben probar ultrasónicamente en la planta de
acero. Las propiedades mecánicas se verifican con piezas de prueba, que se toman de la
sección externa así como del cono del rotor, antes de ser forjados completamente.
Las pruebas a las que se someten los rotores son:
o Resistencia a la tensión
o Punto de fluencia
o Resistencia a la ruptura por mellado
o También, se verifica el descentramiento en caliente (cuando el rotor está en
operación) a mayor Tº el rotor tiende a flectarse más, desbalancearse, debido a una
posible dist. D esfuerzos residuales por un trat. Térmico del acero.
5.3 Diseño de Rotor soldado
•
•
•
•
•
•
•
Se forma un rotor macizo al soldar discos entre sí.
Con este diseño se evitan riesgos inherentes respecto a la forja en una sola pieza grande (hay
más posibilidades de una distribución menos homogénea de propiedades en rotores hechos
con una forja en una sola pieza)
Se detectan fallas eficazmente, dado que los discos son más pequeños, respecto a la pieza
forjada de una.
Se realizan pruebas de resistencia a la tensión, resistencia al impacto y se determina el pto de
fluencia a los discos.
A las soldaduras se les hacen pruebas ultrasónicas para detectar defectos del orden de 1-2mm.
Se existen soldaduras defectuosas, se retiran y se sueldan nuevamente.
Materiales (aceros)
o X20CrMoV121 para MUY elevadas temperaturas y cuando existe posibilidad de
erosión por gotas (¿se dará en Turb.. de condensación?)
o 21CrMoV511 para temperaturas altas
o CrMo Para condiciones discretas de P y T.
En gral. Un rotor soldado tiene:
•
•
•
•
•
Rigidez a la flexión excepcionalmente grande, lo que favorece la operación con func. Suave
Niveles bajos de esfuerzos, dado que los discos no tienen un agujero central
Buena calidad de todas las secciones a esfuerzos elevados, debido a que su froja es más
completa
Inspección sencilla de cada pieza antes de ser soldada, lo que implica bajo riesgo de defectos
en el material
Flujo favorable de calor, sin esfuerzos axiales importantes en el centro del rotor, dado que hay
un patrón 2D de esfuerzos.
Macizo de 1 forja
Soldado
6. Panorama general sobre el diseño de los álabes de las turbinas.
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La confiabilidad de una turbina a vapor se centra en el diseño de los álabes.
Para el diseño se debe considerar el efecto de resonancia en la vibración.
Esta ocurre cuando la frecuencia excitadora coincide con la natural del sistema.
La amplitud de la vibración depende del estímulo y la amortiguación en el sistema.
La confiabilidad requiere diseño con una vibración resonante mínima.
El diseño se inicia con un cálculo exacto de las frecuencias naturales del sistema.
Casi todo el empaletado en las turbinas modernas son del tipo estirado o fresado.
Los estirados se construyen a través de un perfil aerodinámico. (Figura 6.1)
Los fresados son primero una pieza rectangular del material.(Figuras 6.2 y 6.3)
El costo de un álabe estirado es menor que uno fresado. El fresado tiene más pasos.
(Figuras 6.1 y 6.2)
Otros álabes, generalmente los grandes en la última etapa o expansores de gas en
chorros, se construyen por forja o un fundido de precisión.
6.1. Materiales para los álabes.
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Se ocupan acero inoxidable 403 y 422, el A-286 y la aleación Haynes Stellite número 31
así como la aleación de titanio.
El acero inoxidable 403 es probablemente usado más de un 90% de las veces contando
todas las etapas. Debido a su alta resistencia en el punto de fluencia, límite de
aguante, ductilidad, tenacidad, resistencia a la erosión y corrosión y amortiguamiento.
Para maximizar su resistencia a la corrosión y amortiguación, el 403 se ocupa con una
dureza Brinell de 201 a 248.
El acero inoxidable 422 sólo se ocupa en etapas de alta temperatura (371 y 482 ºC).
Debido a su mayor resistencia en el punto de fluencia, de aguante, al escurrimiento
plástico y a la ruptura.
A-286 es una super aleación a base de níquel y se ocupa en los expansores de gas a
temperaturas de 482 y 621 º C.
LOA número 31 se ocupa en los expansores de chorros y es una super aleación en base
de cobalto, se ocupa cuando se necesitan álabes fundidos de precisión. Las
temperaturas van desde 482 a 649 ºC.
El titanio se ocupa para etapas de alta velocidad o larga duración, por su alta
resistencia, baja densidad y buena resistencia a la erosión.
Consultar tabla 5.1 para ver en general los materiales.
6.2. Raíces de sujeción de los álabes.
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La raíz de sujeción más utilizada es la de cola de milano.
El empaletado producido por Dresser-Rand tiene una cola de milano de un diente.
(Figura 6.4)
Para los álabes fresados existen más tipos: Lado posterior de dos dientes (2TBM),
fresada de dos dientes (2TM) y fresada al centro de dos dientes (2TCM). (Figura 6.5)
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2TBS es para álabes más cortos y de velocidad baja.
2TCM y 2TM para álabes más largos y altas velocidades.
Otros tipos de sujeción son la raíz de entrada axial (de abeto) y la del tipo dedo.
La primera es para cuando los esfuerzos centrífugos son elevados. (Figura 6.6)
La segunda es para álabes grandes de la última etapa.
Las raíces para fresados, son echas con un radio que se acople al diámetro de la
ranura.
Los dientes tienen un fresado de rayo que les da un ángulo a los lados cóncavo
(frontal) y convexo (posterior), esto parra que tengan un contacto pleno al ensamblar.
(Figura 6.7)
Las raíces para fresados se maquinan hasta que se ajusten a la ranura de manera de
quedar con un acople de 4 dientes.
Cambiando de tema, para ambos álabes algunos fabricantes ocupan aros de refuerzo
remachado como construcción estándar.
El fin de los aros es reducir las fugas de vapor y los esfuerzos vibratorios.
El material es el mismo ocupado para el álabe.
Se utilizan en paquetes de 5 o 6 álabes.
Los esfuerzos sobre los aros son grandes a altas velocidades y cuando los álabes están
muy separados.
Para estos casos se ocupa un diseño especial con aro integral o sin aro.
Los tipos son el integral entrecruzado (tipo z), el integral de tipo a tope y el integral
con un alambre de enlace.
Se ocupa un alambre de enlace en el aro de refuerzo o en el perfil aerodinámico para
un amortiguamiento adicional.
6.3. Tipos de superficies aerodinámicas y capacidades de los álabes.
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Tres categorías de álabes: De área constante, ahusada y ahusada y torcida.
Los de área constante es un álabe de acción y se utilizan en álabes cortos y en la etapa
de alta presión de la turbina.
Los segundos se ocupan para disminuir los esfuerzos centrífugos y son álabes más
largos.
Y los últimos tienen las cualidades de los segundos y a demás cuando se requiere un
cambio de los ángulos del álabe, del cubo a la punta, por razones de eficiencia
termodinámica. Son álabes de reacción.
Cambiando el tema. Los álabes estirados tienen estas limitaciones velocidad 6000
r/min, altura de 75 a 89 mm y carga de la etapa 746 Kw 1000 hp.
Para los fresados tenemos longitud 438 mm, velocidad 422 m/s y caballajes por paleta
400 o 300 Kw.
6.4. Álabes de guía para turbinas de reacción.
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En la mayor parte de las turbinas de reacción se construyen álabes guías (álabes
estacionarios). (Figura 6.8)
Los contornos de las paletas se fresan a partir de acero macizo. (Figura 6.9 , 6.10)
-
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La relación de la longitud del álabe a la longitud de cuerda del perfil se limita a menos
de 5, para conservar la frecuencia natural menor sobre la sexta armónica de velocidad
de la turbina.
En la zona de transición esta relación se reduce aún más. La zona de transición es
donde se admite vapor seco y húmedo. El punto de operación se determina por la
potencia generada por la turbina y las condiciones del vapor.
El ancho de la abertura axial entre los álabes guías y los móviles se hace por lo menos a
un 20 % de la longitud de la cuerda del perfil.
El sellado se produce calafeteando tiras selladoras de unas cuantas décimas de
milímetros. Los álabes móviles se sostienen en la ranura de la flecha por medio de
raíces T. Para todo el empaletado de reacción se necesita sólo un perfil y una forma de
la raíz.
El álabe final de cada fila es idéntico al normal, excepto por que la raíz debe permitir
un agarre aún más fuerte. El espaciamiento final no difiere de los normales.
Los álabes guías suelen ser idénticos a los del rotor, en cuanto al perfil.
La relación de paso (paso/longitud de cuerda del perfil) es necesario optimizarla para
todos los perfiles.
Los ángulos escalonados de los perfiles de los álabes se gradúan y son iguales para
cualquier tamaño de éstos.
La longitud de la cuerda del perfil permanece constante. La relación entre la longitud
del álabe y el diámetro medio es típicamente de 0,2. Eso impide que el paso en el cubo
y en la punta del álabe se desvíe demasiado del óptimo. Con esto las pérdidas por
ventilación son razonables.
El empaletado de las turbinas esta sujeto a esfuerzos dinámicos debido a que el vapor
que ingresa en la dirección circunferencial no es homogéneo. Los álabes se enfrenta a
diferentes áreas del flujo por que los esfuerzos en los álabes varían.
Un empaletado mal diseñado produce separación de flujo, lo que genera esfuerzos
flexionantes intensos sobre los álabes. Los esfuerzos dinámicos también son
producidos por costillas o asimetrías en el área de flujo.
Los esfuerzos flexionantes dependen de las fuerzas dinámicas sobre los álabes, las
vibraciones (frecuencias) y las amortiguaciones.
Los esfuerzos flexionantes y la fuerza dinámica aumentan a medida que la frecuencia
excitadora se acerca a la natural (resonancia).
La amortiguación tiene que ver con: la capacidad de amortiguación del material, por el
amortiguamiento en la raíz y por el vapor que rodea los álabes.
Los álabes se maquinan con su segmento de aro de refuerzo, luego al ensamblar los
álabes estos segmentos se presionan formando un aro cerrado. (Figura 6.10)
Este aro cerrado aumenta la frecuencia natural de los álabes, debido a que forma un
conjunto de álabes como una pieza y por lo tanto se debe excitar a todo el conjunto,
por contrario en los álabes autoestables el que tenga frecuencia natural más parecida
a la excitadora se llevará toda la carga y podría romperse.
En el aro cerrado se pueden crear aberturas entre los segmentos de las siguientes
maneras:
o La inserción de álabes martensíticos (acero al cromo) en una flecha de material
ferrítico, esto por que el ferrítico tiene un coeficiente de expansión mayor que
el martensítico.
o Expansión de la flecha y alargamiento de los álabes debido a las fuerzas
centrífugas.
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Es importante contrarrestar las aberturas con buenas elecciones de raíz y aro de
refuerzo (material). Al momento de instalar el álabe este se flexiona un poco en la
sección álabe/aro de refuerzo, esto genera torsión de contrarresto del álabe a su aro y
esto impide la formación de aberturas.
Aunque se produzcan aberturas por cambios externos en la temperatura del vapor, el
aro cerrado sigue absorbiendo mejor las vibraciones que el álabe autoestable.
Todos los álabes de rotores de tambor tiene tolerancias de fabricación y montaje por
lo que es casi imposible que las frecuencias naturales sean iguales y por lo tanto nunca
todos los álabes entraran en resonancia.
Es por esto que los álabes actúan como limitadores de la amplitud en caso que un
álabe entre en resonancia.
Por otro lado las tolerancias producen que las aberturas entre aros de resistencia
tengan formas oblicuas, esto produce que la vibración se transforme en varios tipos de
vibraciones permitiendo una mejor disipación.
Las tiras selladoras están de seguridad si es que el rotor o la carcasa sufren
deformaciones, impidiendo el roce directo entre ambos.
En 1992 se probaron más de 3000 turbinas con aro de refuerzo integral y entregaron
mayor confiabilidad.
La confiabilidad en las turbinas de la etapa de transición depende directamente de la
correcta selección de las cargas permisibles de flexión.
Para la zona de transición el diseño toma como condición superior cuando el vapor
esta en el mínimo sobrecalentamiento e inferior cuando existe el contenido máximo
de vapor.
En la etapa de transición el vapor sobrecalentado deposita sal en los álabes y el vapor
húmedo vuelve a disolverla esto puede provocar soluciones de cloruro de sodio
fuertemente concentradas en los álabes.
En transición corriente arriba el empaletado admite sólo vapor sobrecalentado y
corriente abajo sólo vapor húmedo. Es posible determinar el inicio y fin de la zona de
transición sobreponiendo las curvas de transición y expansión de diseño.
La presencia de solución de cloruro de sodio baja la resistencia a las vibraciones del
material (fatiga), los álabes en transición se diseñan con un porcentaje de la resistencia
de los álabes de sobrecalentado.
Entre las variables de diseño de la turbina se encuentran la distribución de caída de
entalpía, la altura de los álabes, la longitud de la cuerda del perfil y los ángulos
escalonados de los perfiles.
Capítulo 6 - Panorama general sobre el diseño de los álabes de las
turbinas
6.5 – Empaletado de la etapa final de baja presión
•
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•
•
•
•
Mayor capacidad de las turbinas  necesario incrementar área de escape de
última etapa  2 formas de hacerlo:
o 2 o más últimas etapas en paralelo.
o Hacer más largos los álabes de la última etapa.
Velocidad periférica varía mucho entre cubo y punta de álabe  el perfil y ángulo
de este debe adaptarse a direcciones variables de flujo.
En última etapa, vapor acelera desde flujo subsónico a supersónico  transónico.
Grandes fuerzas centrífugas en los álabes de última etapa  espesor del álabe se
reduce hacia la punta.
Operación a velocidad variable  funcionamiento con seguridad en punto de
resonancia  frecuencia de resonancia tan alta como se pueda y
amortiguamiento suficiente.
Ahusamiento (conicidad) de álabes de última etapa  Refuerzo se realiza
interconectando álabes a través de varillas. Los agujeros se maquinan en
“tetones” forjados integralmente  impedir esfuerzos excesivos en agujero.
Tetones
Varillas
•
•
•
•
Fuerza centrífuga oprime varillas contra pared exterior de agujeros  álabes se
acoplan a un solo sistema de vibración  se elevan frecuencias de resonancia.
Fricción entre varilla y agujero amortigua grandes amplitudes de vibración.
Conclusión: Varilla de enlace reduce resonancia, vibraciones y esfuerzos
comparado con álabes autoestables.
En general se producen álabes geométricamente semejantes. Si se selecciona la
misma velocidad periférica para todos los tamaños de álabes  propiedades
mecánicas y aerodinámicas también serán iguales. Diseños típicos tratan lograr:
o Esfuerzos por fuerza centrífuga y flexión producidos por vapor tengan la
misma magnitud para todos los tamaños de álabes.
o Relación entre frecuencia natural y frecuencia máxima sea idéntica para
todos los tamaños de álabes.
o Velocidades de flujo iguales en todos los puntos de corona de álabes.
Capítulo 12 – Comparación de las turbinas de vapor de reacción
contra las de acción
12.1 – Intro
•
Turbina acción  construcción
tipo disco.
•
Turbina reacción  tipo tambor.
12.2 – Comparación turbinas acción vs. Reacción.
2 tipos: termodinámicas y de construcción.
12.3 – Eficiencia
Referencia para comparar: coeficiente volumétrico δ (adimensional).
12.4 – Diseño
12.4.1 Rotor
Acción
Reacción
• Compuesto de discos, a partir de pieza
• Secciones soldadas entre sí (ventajas
•
•
•
•
maciza.
Desde punto de vista de vibración, los
discos son estructuras independientes.
Defectos de material pueden exigir
deseche del rotor completo.
Si diámetro pequeño  cambios
rápidos de temperatura  tendencia a
distorsión.
Masa principal del rotor en su centro.
Álabes se fijan en el exterior  mayor
sensibilidad a distribución uniforme de
la masa.
•
•
•
•
constructivas).
Tratado térmicamente de forma
uniforme  excelente resistencia.
Rotor sujeto a pruebas con mucha
facilidad.
En caso de rechazos, se pueden
reemplazar secciones fácilmente.
Esfuerzos distribuidos en forma pareja.
Velocidad crítica: mayor castigo en la eficiencia con operación subcrítica en caso de
turbina de acción  debido a pérdidas por fugas.
12.4.2 – Empaletado
•
•
•
•
•
Maquina reacción: 75 – 85% más de etapas que acción.
Carcasas del mismo largo  etapa reacción es más corta.
Vibración:
o Fallas en álabes se deben a esfuerzos dinámicos (no estáticas como fuerza
centrífuga y la ejercida por el flujo).
Etapa de control (a carga media):
o Cosas importantes a considerar en esta etapa:
 Bajos esfuerzos
 Diseño de fijación de álabes (soldarlos funciona bien en turbinas
grandes).
 Álabes unidos en segmentos o paquetes (disminuye amplitud de
vibración).
Etapas de admisión plena:
o El esfuerzo dinámico se calcula mediante una ecuación dependiente de la
carga estática.
Daños a los álabes: No es posible determinar cuales se dañan más.
Intersticios en los álabes: intersticio axial en acción es grande, en reacción pequeño
(puede causar topes entre álabes  se afilan las puntas para que frotamiento sea
inofencivo).
Álvaro Contente
12.4 Diseño
12.4.1 Rotor
Tipo Acción
Compuestos de discos macizos. Desde el pto de vista de vibración, cada disco tiene un
comportamiento independiente. En rotores pequeños, el cambio de T produce distorsiones. Más
sensible a la distribución uniforme de masa de los alabes q el rotor de reacción cuando se
balancea.
Tipo Reacción
Forma de tambor maquinado. Principalmente 2 secciones unidas. Térmicamente uniforme, buena
resistencia. Puede ser probado fácilmente. Fácil y rápido de remplazar en caso de rechazo.
Distribución de esfuerzo pareja.
Velocidad critica
No hay clara preferencia si se deben construir en forma sub o supercrítica. Para capacidades con
bajo costo de vapor se pueden hacer subcriticos. Las turbinas grandes funcionan a vel
supercríticas.
Al usar vel subcritica, el castigo en eficiencia es mayor en TV tipo acción, pq deben ser de
diámetros mayores y hay mas perdidas por fugas.
Para buena operación es necesario un diseño apropiado de rotor y cojinetes, correcta selección de
cojinetes y balanceo excelente
Empaletado
Para una misma caída térmica, una TV de reacción necesita un 80% más de etapas, pero la carcasa
son casi = de largas. Una etapa de reacción es más corta en dirección axial. Esto ocurre por
diferencias termodinámicas
Vibración
Las fuerzas estáticas se pueden predecir con mucha exactitud, por lo que las fallas son causadas
por fuerzas dinámicas. Se intentan diseñar alabes que eviten resonancia.
Etapa de Control
Para ambos tipos de turbina debe tener un bajo nivel de esfuerzos, diseño cuidadoso en la fijación
de los alabes y los alabes deben estar unidos para formar segmentos o paquetes.
Las fijaciones pueden ser de tipo mecánico o soldadas. En ambos casos se unen para formar
segmentos, al soldar entre si las secciones del aro de esfuerzo. Esto disminuye drásticamente el
esfuerzo cíclico.
Etapas de Admisión Plena
La fuerza dinámica de las etapas con admisión plena se estima con:
Acá se considera q la carga dinámica (esfuerzo cíclico) es proporcional a la carga estática.
Se ha establecido que con un diseño firme se debe evitar la resonancia debida la fila precedente
de álabes. Considerando esto, el comportamiento relativo relacionado con la vibración de las
etapas se resume con los siguientes gráficos:
12.5 Erosión
En condiciones desfavorables de contenido de agua las gotas pueden erosionar los alabes móviles.
Las gotas se comienzan a juntar en la orilla del estator y “saltan” hacia los alabes móviles. Para
evitar esto se utilizan canales internos en la carcasa y recubrimientos especiales para los alabes del
rotor. En ambos tipos de turbina este comportamiento es similar.
12.6 Empuje Axial
En T de acción el empuje axial es pequeño pq la caída de presión ocurre en el estator. No obstante
puede cambiar la distribución de la presión debido, por ej., a depósitos sólidos en los alabes. Se
utilizan agujeros maquinados para equilibrar estas diferencias de presión.
En T de reacción no hay problemas de variación de empuje pq la carcasa tiene un embolo
compensador. Este tiene varios diámetros escalonados para contrapesar en condiciones
anormales.
12.7 Mantenimiento
Las diferencias estructurales significan q los tiempos entre los reacondicionamientos pueden ser
más largos para una T de acción. Esto se debe a los diafragmas por lo general más pesados sobre
los que se montan los alabes fijos.
12.7.
Mantenimiento
Las
diferencias
estructurales
significan
que
los
tiempos
entre
los
reacondicionamientos pueden ser más largos para turbinas de acción debido a poseer
diafragmas generalmente más pesados.
12.8.
Características de diseño de las turbinas modernas de reacción
Características principales:
•
•
•
•
•
La caja de las toberas de admisión del vapor permite tener tiempos cortos de
arranque.
Si es necesario se ajustan portadores separados de los álabes fijos para facilitar la
expansión térmica.
Se puede construir el rotor soldado y en turbinas pequeñas el rotor puede ser
construido en una sola pieza.
Álabes fijos con firmeza o soldados si es necesario en la etapa de control.
Empaletado de reacción con construcción robusta.
Se ha desarrollado acabadamente el diseño de turbinas de reacción, estando éstas
presentes en grandes instalaciones de transmisión mecánica y de generación de
electricidad, pero esto no quiere decir que este tipo de turbinas pueda reemplazar a las
de acción en algún campo de aplicación, ambas pueden ser comparativamente eficientes,
todo depende de sus características de construcción.
12.9.
Formación de depósitos y lavado de la turbina con agua
Se pueden formar depósitos en las partes de la turbina, lo cual se puede evidenciar en
aumento en las presiones de las etapas, perjudicando la eficiencia y la capacidad de la
turbina.
Los depósitos pueden ser insolubles o solubles en agua. Una vez que se ha
determinado los depósitos y sus características se procede con los siguientes métodos
para extraerlos:
1. Paro de la turbina, apertura de la carcasa y eliminación manual de depósitos.
2. Paro de la turbina y dejar que se enfríe, los depósitos se enfrían, se agrietan y se
desprenden.
3. Lavado con agua, extracción de los depósitos durante el funcionamiento cuando
estos son solubles en agua.
Se puede hacer lavado de la turbina a plena velocidad utilizando vapor saturado
mediante la inyección de agua. La cantidad y rapidez de sobrecalentamiento a eliminar y
cantidad de vapor requerido para la operación determinan la rapidez de inyección del
agua.
Las turbinas de acción son más adecuadas para el lavado con agua, pues por el
enfriamiento se generan intersticios axiales y radiales que ayudan a minimizar el riesgo de
lavado con agua, sin embargo numerosas turbinas de reacción han sido lavadas
exitosamente con este método.
La inyección de agua se realiza mediante una disposición de tubería para la
atomización e inyección del agua en la alimentación del vapor, para disminuir
gradualmente la temperatura del vapor en la admisión de la turbina. Como regla segura la
temperatura no se debe reducir con una rapidez a 100ºF/hr (38ºC/hr).
Es recomendable que el vacio en una turbina de condensación se reduzca a un valor
de 5 a 10 mmHg y para turbinas sin condensación hasta la presión atmosférica.
Lavado con agua a baja velocidad (Figura 12.16):
•
•
•
•
•
•
Válvula de estrangulación y disparo en 1/5 ó 1/4 de la velocidad normal en vacío.
Abrir la válvula de vapor vivo hacia la mezcladora y cerrar válvula de cierre de la
caldera.
Ahora se puede abrir completamente la válvula de estrangulación y disparo (E y D)
y regular la velocidad por la válvula de vapor vivo hacia la mezcladora.
Alimentar a la mezcladora con agua suficiente para permitir la velocidad de
descenso recomendado de la temperatura hasta 6 o 9ºC de sobrecalentamiento en
la admisión de la turbina.
Se puede continuar con el lavado hasta que las mediciones de conductividad del
condensado o vapor de escape indiquen que ya no se están disolviendo depósitos.
Se debe disponer de manómetro y termómetros sensibles para medir pequeñas
variaciones.
Figura 12.16: Esquema del sistema de lavado con agua a baja velocidad.
Puesta en línea después del lavado:
•
•
•
Cerrando la válvula del agua de alimentación hacia la mezcladora, aumentar la
temperatura del vapor en 14ºC cada 15min.
Alcanzada la temperatura normal del vapor, cerrar válvula E y D hasta llevar la
presión delante de esta a la presión de línea.
Abrir la válvula de cierre de la caldera y llevar la turbina a su velocidad normal.
Lavado a plena velocidad (Figura 12.18):
•
•
•
Abrir la válvula de agua de alimentación hacia la cámara atomizadora (Se ajusta la
válvula para reducir la temperatura del vapor con la velocidad recomendada), no
hay mezcladora ni regulación de vapor.
Se continúa hasta que pruebas en el condesado o vapor indiquen que ya no se
disuelven depósitos.
Se vuelve a las condiciones normales de vapor cerrando la válvula de alimentación
de agua permitiendo un aumento de temperatura recomendado de 14ºC cada
15min
Figura 12.18: Esquema del sistema de lavado con agua a plena velocidad.
Los siguientes gráficos indican las pruebas que se realizan para determinar que ya
no se están disolviendo depósitos.
Figura 12.19: Resultados reales del lavado con agua y análisis del efluente de
condensado de una turbina de 4860 kW, 6230 r/min.
Figura 12.20: Gráfica de la conductividad v/s tiempo obtenida mientras se realizaba el
lavado de una turbina.
Capitulo 2 Inglés: Diseño de una turbina de vapor de clase 600ºC de 1000MW
Los problemas ambientales como efecto invernadero, emisiones de CO2 etc, hacen necesario mejorar la
eficiencia de las plantas generadoras de vapor, este aumento de eficiencia se logra con la creación de
plantas de alta temperatura y alta presión y con el mejoramiento de la eficiencia interna de las turbinas.
Las tecnologías de las turbinas de alta capacidad y alta temperatura está establecida en el rango de los
700MW y temperatura de calentamiento inicial y altas temperaturas de recalentamiento de 593ºC.
Actualmente se están desarrollando turbinas para el rango de 1000MW y temperatura de
recalentamiento de 600ºC, en este tipo de turbinas (1000MW) la eficiencia del ciclo se ha mejorado
elevando la temperatura de recalentamiento.
La turbina estudiada es una turbina de doble eje (cross-compund turbine) tiene una parte primaria con
turbinas de alta y media presión como eje primario, unido a un generador y una parte secundaria
compuesta de 2 turbinas de baja presión unidas a un generador independiente.
Materiales para vapores a 600ºC
En turbinas de alta presión se usan mucho materiales de acero ferrítico resistente al calor como la forja
de 12Cr, fundición de 12Cr y forja de 9Cr.
•
•
•
•
•
En alabes rotatorios se usan aleaciones austeníticas refractarias
forja de 12Cr se usa como material para el rotor por su alta resistencia al creep (la forja de 12Cr
es superior al molibdeno en estas condiciones).
En las partes con roce se coloca una capa superficial de soldadura de bajo Cr, para evitar
desgaste en el cojinete.
En las partes estacionarias como la cámara de la tobera, cubierta interna, etc se usa fundición
de 12Cr.
En el anillo de la se usa acero súper 9Cr
En la tabla se muestra una comparación entre los materiales usados en la construcción de partes de la
turbina en turbinas de 600ºC y 530ºC.
Construcción de una turbina de alta presión
Los componentes sometidos a altas presiones y temperaturas se diseñan en forma compacta y se utiliza
un sistema de enfriamiento para asegurar que no se produzca creep y fatiga a altas temperaturas. En el
rotor axial se coloca un agujero de enfriamiento, el rotor se enfría colocando vapor entre la cámara de
toberas y el rotor por medio de un sistema de control. El funcionamiento a altas temperaturas de los
alabes es asegurado por las aspas tipo ISB de 46 pulgadas usadas en las turbinas de baja presión.
Se realizaron pruebas de las diferentes partes con los materiales explicados antes (fundición 12Cr, forja
de 12Cr, forja de 9Cr, acero súper 9Cr, y los álabes de bajar presión de 46 pulgadas, mostrando buenos
resultados en todas las partes estudiadas (rotor, carcasa, alabes, toberas, cojinetes) y mostrando una
mejora en la eficiencia de la turbina.
Alabe de baja presión
Define la performance( rendimiento), la dimensión y el numero de cubiertas que tenga la turbina.
Ondas de choque atacan los alabes, éstas ondas son generadas gracias al alto numero mach y al
flujo de vapor húmedo , además operan bajo condiciones de corrosión y DSS( daily start and stop ,
inicios y detenciones diarias).
Mitsubishi high motors ha adoptado la estructura ISB que tiene ventajas en los esfuerzos
vibratorios del alabe. , las ultimas tecnologías han mejorado en estructura ISB la eficiencia y
fiabilidad de las turbinas a vapor.
El proceso de desarrollo de los alabes de baja presión tiene 3 etapas.
1.-diseño básico y plan
2.-verificación: aquí se hace el test de rotación vibratorio para verificar el rendimiento y los
esfuerzos vibratorios bajo los rangos de operación y las condiciones de trabajo.
3.- examinación
Diseño del alabe de baja presión
2 etapas de diseño,
1.- aerodinámica : diseño del patrón de flujo y perfil del alabe , el alto numero mach promueve la
interacción entre las ondas de choque y la capa limite.
Se intenta bajar las perdidas en los alabes y optimizar el patrón de flujo haciendo análisis
numéricos.
Alabe estacionadio de apilamiento curvado y salidas con forma de muro se usan para controlar el
grado de reacción , esto resulta en una buena distribución de carga y disminución en las perdidas
debidas a flujos secundarios( estas perdidas son grandes en turbinas de baja presión)
Perfil convergente divergente con una superficie de aspiración contorneada negativa se utiliza
para reducir la cantidad de ondas de choque.
Perdidas en el eje Y y numero mach a la salida eje X , comparación entre alabes típicos y los alabes
antes mencionados , se puede ver que velocidades altas se obtienen menos perdidas.
2.-el diseño mecánico: verificación bajo los esfuerzos estáticos y vibratorios
En el diseño mecánico es importante preveer las deformaciones del alabe bajo los esfuerzos
estaticos y vibratorios
Test de verificación
Despues del diseño la eficiencia y la fiabilidad son puestas a prueba mediante tests
1- Test de rotación vibratorio: se hace la prueba con rotor de prueba el cual gira al 110% de
la velocidad nominal y los alabes son excitados por un flujo de aire para asi lograr medir
las frecuencias naturales, los esfuerzos centrifugos y la deformación del alabe es también
medida.
2- Test de modelo de turbina: Para confirmar la eficiencia y fiabilidad , finalmente se pueden
hacer pruebas en las instalaciones para asi tener valores en funcionamiento.
Progreso para Álabes de Rotores en Altas Cargas para
Turbinas de Vapor
1.- Introducción
Para turbinas de vapor de altas y medias presiones, las pérdidas de perfil y de “fin de pared”
(?) ocupan gran parte de las pérdidas en el flujo. La reducción de estas pérdidas llevará a disminuir
el consumo de combustible y podría conservar recursos energéticos limitados. Para esto el ángulo
de ataque de la turbina debe estar en el valor óptimo.
Este paper describe la técnica de diseño del nuevo álabe de rotor para presionas altas y
medias de turbinas de vapor de plantas termoeléctricas que usan combustible fósil, con una
reducción del número de álabes de un 15% y la verificación de resultados con un análisis 3D CFD y
pruebas en una turbina de aire modelo.
Nomenclatura
BH : Altura del álabe del rotor
C : Ancho del álabe
C 0 : Velocidad adiabática
C p : Coeficiente de pérdida de presión total
G : Caudal másico
h : Distancia en la dirección del álabe
NH : Altura del álabe estacionario
p : Presión
PS : Lado de Presión
R x : Grado de reacción
SS : Lado de succión
t : Ángulo de ataque del álabe
U : Velocidad del álabe en la raíz
V : Velocidad absoluta
x : Distancia en la dirección axial
y : Distancia en la dirección circunferencial
 : Ángulo de flujo absoluto
 : Ángulo de flujo relativo
s : Eficiencia total-a-estático
 : Coeficiente de pérdida de energía
 : Factor de carga del álabe de Zweifel
Subíndices
ax : Dirección axial
b : Filas del rotor
con : Convencional
dp : Punto de Diseño
high : Carga alta
ip : Punto de intersección
max : Máximo
mid : ?
min : Mínimo
p : Lado de presión
s
0
1
2
: Lado de succión
: Estagnación? (punto donde la velocidad local del fluido es cero)
: Entrada
: Salida
2.- Técnica de Diseño de Álabes
La fig 1 muestra un diagrama de flujo para el diseño del perfil del álabe. El álabe es dividido
en siete secciones transversales y se forma juntando las secciones en la dirección radial. Luego de
determinar los triángulos de velocidad, los ángulos de entrada y salida son seteados a la dirección
del flujo de diseño, y la razón entre el ángulo de ataque y ancho de álabe (t/C) de cada sección del
álabe es determinado por el factor de carga de Zweifel.
Fig 1: Procedimiento del diseño del álabe
Todas las secciones del álabe son diseñadas iterativamente hasta que muestran un
funcionamiento del rotor obtenida desde los resultados del cálculo del flujo turbulento y unidos
suavemente en la dirección radial.
3.- Factor de Carga del Álabe
La optimización del ángulo de ataque del álabe es evaluada desde el factor de carga de
Zweifel. Los parámetros son puestos en la condición de de incidencia cero, lo que significa que los
ángulos de admisión y escape del flujo son iguales a los ángulos de salida y entrada mecánicos,
respectivamente. Los resultados están en la fig 2 con condiciones de cero incidencia y
Re=0,58⋅106
Con este resultado, el factor de carga del álabe en la sección raíz se determina para que no
exceda el valor 0,9 en la sección de la punta. Como resultado este nuevo diseño de álabe soporta
una carga aerodinámica mayor que los convencionales, reduciendo el número de álabes en 15%.
4.- Optimización de la Distribución de Cargas en el Álabe
Para realizar la reducción de las pérdidas del perfil y fin de pared, el lado de la succión es
modificado desde el ancho medio hasta la parte trasera del álabe. En la vecindad del ancho medio la
curvatura del lado de succión es reducida para prevenir una superficie excesivamente alta. En la
parte trasera del lado de succión se adopta el diseño de carga en popa, que se usa para controlar el
desarrollo de capa límite y agranda la región de flujo acelerado hacia el borde final y retrasa el
desarrollo de flujo secundario. La distribución de carga objetivo está determinada tal que la carga
máxima esta localizada en x /C ax =0,9 sin cambiarla carga normalizada total. La distribución de
cargas se muestra en la fig 3
La carga máxima del álabe nuevo se observa alrededor de x /C ax =0,45
5.- Comportamiento Aerodinámico en 2D
5.1.- Configuración del Álabe
Geometrías de la cascada se muestran en la fig 4. El borde direccionador tiene una nariz
elíptica con un radio mayor que el convencional, lo que trata de mejorar de las características de
off-design (?). La fig 5 muestra vistas 3D de los álabes.
La tabla 1 lista especificaciones de ambos álabes en la sección de raíz.
5.2.- Análisis 2D de flujo Turbulento
El desempeño aerodinámico en 2D es investigado para el álabe de altas cargas usando un
código de análisis de flujo turbulento. El número de Mach isotrópico es de 0,5 y el número de
Reynolds a la salida es de 1,3⋅106 .
Cálculos en dos dimensiones son hechas para todas las secciones en ambos álabes. La
distribución de presión estática en la superficie del álabe y los contornos del número de Mach estan
en las fis 6 y 7 respectivamente.
La presión mínima se observa en 90% del ancho del álabe en la superficie de succión, que se
origina en la distribución de cargas mostrado en la fig 3. En la fig 7 se muestra que la capa límite
para ambas superficies del álabe nuevo son disminuidas. Las distribuciones de los álabes (wake?)
en la figura 8 también muestran un buen desempeño para el álabe de alta carga, y la pérdida total de
presión en ambos lados es menor. Por esto el álabe de alta carga entrega una reducción de un 40%
en el coeficiente de pérdida de energía.
6.- Análisis en 3D
De los resultados del análisis en 2D, el álabe en alta carga tiene mejor rendimiento de
cascada que el convencional. Análisis en 3D se usan para para verificar el desempeño aerodinámico
del álabe con alta carga. La figura 9 muestra los resultados.
En la fig 9 (a) se muestra que el rendimiento total-a-estático (normalizado por la eficiencia
del álabe convencional al midspan (“al medio”?). Muestra que el álabe nuevo es mejor cerca de la
raíz y el medio, lo que considera que el nuevo álabe decrece no solo la pérdida de perfil sino
también la de pared. De acuerdo al análisis 3D, la ganancia de eficiencia es de 0,3% en el punto de
diseño (design point)
7.- Pruebas en Turbina de Aire
7.2.- Pruebas de Rendimiento
Las eficiencias internas normalizadas por la eficiencia del álabe convencional en el punto de
diseño ( U /C 0=0,52 ) se muestran en la fig 14.
El nuevo álabe mejora la
eficiencia interna en 0,3% en el
punto de diseño y en los otros
puntos. La fig 15 muestra
compara la mejora de eficiencia entre los resultados del análisis 3D y de las pruebas en la turbina.
Los cálculos 3D y el experimento son similares excepto en el punto cerca de la raíz
U /C 0=0,46 , donde la diferencia puede ser debido a la dificultad de calculo para la condición
fuera del diseño (“off-design condition”), donde ocurre separación con una transición de capa límite
cerca del borde de entrada (“leading edge”) debido a los flujos relativos con ángulo de incidencia
positivo.
7.3.- Patrones de Flujo en 3D
Las distribuciones de flujo dentro de la turbina de aire se muestran en la fig 16
Se confirma que los resultados experimentales son similares a los del análisis 3D. El nuevo
álabe se mejora en desempeño cerca de la raíz y el punto medio; en particular la mejora en
desempeño cerca del punto medio contribuye a una mejor eficiencia. Se verifica que el álabe nuevo
es efectivo para mejorar la eficiencia interna de la turbina de vapor.
Conclusiones
Un nuevo álabe de alta carga para la turbina de alta y media presión de plantas
termoeléctricas de combustible fósil se ha desarrollado. El nuevo álabe tuvo mejor desempeño cerca
de la raíz y el punto medio; en particular la mejora del desempeño cerca del punto medio contribuye
a la mejora de eficiencia en 0,3% en el punto de diseño. Fue verificado que el nuevo álabe fue
efectivo para mejorar la eficiencia interna de la turbina y reducción de costos de manufactura
cortando el número de álabes en 15%. El nuevo álabe esta siendo adaptado en las etapas de alta y
media presión de plantas de turbinas de vapor.
Siempre ha sido un área de interés el mejoramiento de la eficiencia de las turbinas de
vapor, así como de su fiabilidad y ganancia en durabilidad y reducción de mantención.
Ahora esto toma mayor importancia debido a las reducciones de dióxido de carbono que
se exigen.
Existen varias aproximaciones al mejoramiento del ciclo de las turbinas de vapor, como la
Ultra-Super-Critica Presión, el Doble Recalentamiento, Ciclo Combinado, etc. Por otro
lado, el upgrading y la extensión de la vida de las turbinas existentes es un punto donde
hay que enfocarse. Esto debido a que, primero, gran cantidad de turbinas han sido
construidas y diseñadas en base a tecnología convencional, y segundo, la construcción de
nuevas plantas ha sido restringida.
Las mejoras son básicamente las siguientes:



Tecnología avanzada en ruta de vapor: sistema que evita vórtices en las
separaciones de los rotores con las toberas.
Alabes de última etapa más largos: esto hace que el flujo tenga una menor
velocidad y se aumente la eficiencia térmica. Para 3000 rpm se utiliza entre 36 y
42 pulgadas y para 3600 rpm se utiliza 40 pulgadas.
o Utilizar 36 pulgadas para 50 Hz
o Utilizar 40 pulgadas para 60 Hz
Repotenciar plantas térmicas existentes: se incorpora un turbina a gas en ciclo
combinado. Esto se hace de 3 formas: calentando el agua de alimentación
mediante los gases de escape, ya sea utilizándolos como combustible o como aire
para la mezcla, o mediante un recuperador de calor. Al repotenciar se añaden o
modifican los siguientes equipos:
o Adición de una turbina a gas y su respectivo generador
o Modificación de la turbina a vapor y de la caldera
o Adición de calentadores de agua de alimentación a gas
o Sistema de control (computadores monitores)