La combinación de turbinas de vapor son las estrategias en las que la energía del vapor se extrae en varias etapas en lugar de una sola etapa en una turbina. Una turbina de vapor compuesta tiene múltiples etapas, es decir, tiene más de un conjunto de boquillas y rotores , en serie, enchavetados al eje o fijados a la carcasa, de modo que la presión del vapor o la velocidad del chorro es absorbida por la turbina en número de etapas.
Necesidad
La composición de la turbina de vapor se utiliza para reducir la velocidad del rotor. Es el proceso por el cual la velocidad del rotor llega a su valor deseado. Un sistema múltiple de rotores está conectado en serie con chaveta a un eje común y la presión o velocidad del vapor se absorbe en etapas a medida que fluye sobre las palas. El vapor producido en la caldera tiene una entalpía suficientemente alta cuando se sobrecalienta . En todas las turbinas, la velocidad de la pala es directamente proporcional a la velocidad del vapor que pasa sobre la pala. Ahora bien, si toda la energía del vapor se extrae en una etapa, es decir, si el vapor se expande desde la presión de la caldera a la presión del condensador en una sola etapa, entonces su velocidad será muy alta. Por lo tanto, la velocidad del rotor (al que se enclavan las palas) puede alcanzar aproximadamente 30.000 rpm, lo que es demasiado alto para usos prácticos debido a la vibración muy alta. Además, a velocidades tan altas, las fuerzas centrífugas son inmensas, lo que puede dañar la estructura. Por lo tanto, se necesita capitalización. El vapor de alta velocidad simplemente golpea un solo anillo del rotor, lo que provoca un desperdicio de vapor que oscila entre el 10% y el 12%. Para superar el desperdicio de vapor se utiliza la combinación de turbinas de vapor.
Tipos de turbinas de vapor
Tipos de capitalización
En una turbina de vapor de impulso, la composición se puede lograr de las siguientes tres formas: -
- Velocidad compuesta
- Composición de presión
- Composición de presión-velocidad
En una turbina de reacción, la combinación sólo se puede lograr mediante combinación a presión.
Combinación de velocidad de la turbina de impulso
La turbina de impulso de velocidad compuesta fue propuesta por primera vez por CG Curtis para resolver el problema de la turbina de impulso de una sola etapa para el uso de vapor de alta presión y temperatura.
Los anillos de palas móviles están separados por anillos de palas fijas. Las palas móviles están enchavetadas al eje de la turbina y las palas fijas están fijadas a la carcasa. El vapor de alta presión procedente de la caldera se expande primero en la boquilla. La boquilla convierte la energía de presión del vapor en energía cinética. La caída de entalpía total y, por tanto, la caída de presión se produce en la boquilla. Por tanto, la presión a partir de entonces permanece constante.
Este vapor de alta velocidad se dirige al primer conjunto (anillo) de palas móviles. A medida que el vapor fluye sobre las palas, debido a la forma de las palas, imparte algo de su impulso a las palas y pierde algo de velocidad. Estas palas solo absorben una parte de la alta energía cinética. El resto se agota en el siguiente anillo de hoja fija. La función de las palas fijas es redirigir el vapor que sale del primer anillo de palas móviles al segundo anillo de palas móviles. No hay cambio en la velocidad del vapor cuando pasa a través de las palas fijas. Luego, el vapor entra en el siguiente anillo de palas en movimiento; este proceso se repite hasta que se ha absorbido prácticamente toda la energía del vapor.
En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de la turbina de impulso de etapa Curtis, con dos anillos de palas móviles y un anillo de palas fijas . La figura también muestra los cambios en la presión y la velocidad absoluta del vapor a medida que pasa por las etapas.
dónde,
= presión de vapor en la entrada
= velocidad del vapor en la entrada
= presión de vapor en la salida
= velocidad del vapor en la salida
En la figura anterior hay dos anillos de palas móviles separados por un solo anillo de palas fijas. Como se discutió anteriormente, toda la caída de presión ocurre en la boquilla y no hay pérdidas de presión posteriores en ninguna de las siguientes etapas. La caída de velocidad ocurre en las palas móviles y no en las palas fijas.
Diagrama de velocidad
Como se muestra en el diagrama anterior, hay dos anillos de palas móviles separados por un anillo de palas fijas. El diagrama de velocidad de la figura 2 muestra los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de las palas en movimiento.
dónde,
= velocidad absoluta del vapor
= velocidad relativa del vapor
= Velocidad de la hoja
= Ángulo de la boquilla
= Ángulo de entrada de la hoja
= Ángulo de salida de la hoja
= ángulo de salida de fluido
En la figura anterior se puede ver que el vapor, después de salir de las palas móviles, entra en las palas fijas. Las cuchillas fijas redirigen el vapor al siguiente conjunto de cuchillas móviles. Por lo tanto, el vapor pierde su velocidad en múltiples etapas en lugar de en una sola etapa.
Velocidad óptima
Es la velocidad de las palas a la que se puede alcanzar la máxima potencia de salida. Por lo tanto, la velocidad óptima de la hoja para este caso es,
donde n es el número de etapas.
Este valor de velocidad óptima es 1 / n veces el de la turbina de una sola etapa. Esto significa que se puede producir la máxima potencia a velocidades de hoja mucho más bajas.
Sin embargo, el trabajo producido en cada etapa no es el mismo. La relación de trabajo producido en una turbina de 2 etapas es 3: 1 como un movimiento de mayor a menor presión. Esta relación es 5: 3: 1 en una turbina de tres etapas y cambia a 7: 5: 3: 1 en una turbina de cuatro etapas.
Desventajas del compuesto de velocidad
- Debido a la alta velocidad del vapor, se producen grandes pérdidas por fricción.
- El trabajo producido en las etapas de baja presión es mucho menor.
- El diseño y fabricación de palas que puedan soportar velocidades tan altas es difícil.
Combinación de presión de la turbina de impulso
La turbina de impulso compuesta por presión también se denomina turbina Rateau, en honor a su inventor. Esto se utiliza para resolver el problema de la alta velocidad de las palas en la turbina de impulso de una etapa.
Consiste en anillos alternos de toberas y álabes de turbina. Las boquillas están instaladas en la carcasa y las palas están enchavetadas al eje de la turbina.
En este tipo de combinación, el vapor se expande en varias etapas, en lugar de solo una (boquilla) en la combinación de velocidad. Se realiza mediante las palas fijas que actúan como boquillas. El vapor se expande por igual en todas las filas de cuchillas fijas. El vapor procedente de la caldera se alimenta al primer juego de palas fijas, es decir, el anillo de la boquilla. El vapor se expande parcialmente en el anillo de la boquilla. Por tanto, hay una disminución parcial de la presión del vapor entrante. Esto conduce a un aumento de la velocidad del vapor. Por lo tanto, la presión disminuye y la velocidad aumenta parcialmente en la boquilla.
A continuación, se pasa por el conjunto de palas móviles. A medida que el vapor fluye sobre las palas en movimiento, se absorbe casi toda su velocidad. Sin embargo, la presión permanece constante durante este proceso. Después de esto, se pasa al anillo de la boquilla y nuevamente se expande parcialmente. Luego se alimenta al siguiente conjunto de palas móviles, y este proceso se repite hasta que se alcanza la presión del condensador.
Este proceso se ha ilustrado en la figura 3 .
donde, los símbolos tienen el mismo significado que se dio arriba.
Es una turbina de impulsos compuesta de presión de tres etapas. Cada etapa consta de un anillo de palas fijas, que actúan como boquillas, y un anillo de palas móviles. Como se muestra en la figura, la caída de presión tiene lugar en las boquillas y se distribuye en muchas etapas.
Un punto importante a tener en cuenta aquí es que las velocidades del vapor de entrada a cada etapa de las palas en movimiento son esencialmente iguales. Es porque la velocidad corresponde al descenso de la presión. Dado que en una turbina de vapor compuesta a presión solo una parte del vapor se expande en cada boquilla, la velocidad del vapor es menor que en el caso anterior. Se puede explicar matemáticamente a partir de la siguiente fórmula, es decir
dónde,
= velocidad de salida absoluta del fluido
= entalpía del fluido a la salida
= velocidad absoluta de entrada del fluido
= entalpía del fluido en la entrada
Se puede ver en la fórmula que solo una fracción de la entalpía se convierte en velocidad en las palas fijas. Por tanto, la velocidad es muy inferior en comparación con el caso anterior.
Diagrama de velocidad
El diagrama de velocidad que se muestra en la figura 4 brinda un detalle sobre los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de la hoja.
donde, los símbolos tienen el mismo significado que los indicados anteriormente.
Un punto importante a tener en cuenta del diagrama de velocidad anterior es que el ángulo de salida del fluido (δ) es 90⁰. Esto indica que la velocidad de remolino del fluido a la salida de todas las etapas es cero, lo que cumple con el concepto de velocidad óptima (como se discutió anteriormente).
La proporción de trabajo producido en diferentes etapas es similar a la discutida para el tipo anterior.
Desventajas de la composición por presión
- La desventaja es que, dado que hay una caída de presión en las boquillas, es necesario hacerlas herméticas.
- Son más grandes y voluminosos en tamaño 34 pulgadas
Turbina de impulso compuesta de presión-velocidad
Es una combinación de los dos tipos de capitalización anteriores. La caída de presión total del vapor se divide en varias etapas. Cada etapa consta de anillos de palas fijas y móviles. Cada conjunto de anillos de palas móviles está separado por un solo anillo de palas fijas. En cada etapa hay un anillo de palas fijas y 3-4 anillos de palas móviles. Cada etapa actúa como una turbina de impulsos compuesta de velocidad.
Las palas fijas actúan como boquillas. El vapor procedente de la caldera pasa al primer anillo de palas fijas, donde se expande parcialmente. La presión disminuye parcialmente y la velocidad aumenta correspondientemente. La velocidad es absorbida por los siguientes anillos de palas móviles hasta que llega al siguiente anillo de palas fijas y todo el proceso se repite una vez más.
Este proceso se muestra esquemáticamente en la figura 5 .
donde, los símbolos tienen su significado habitual.
Combinación de presión de la turbina de reacción
Como se explicó anteriormente, una turbina de reacción es aquella en la que hay pérdida de presión y velocidad en las palas en movimiento. Las palas móviles tienen una boquilla de vapor convergente. Por lo tanto, cuando el vapor pasa sobre las palas fijas, se expande al disminuir la presión del vapor y aumentar la energía cinética.
Este tipo de turbina tiene varios anillos de palas móviles unidos al rotor y un número igual de palas fijas unidas a la carcasa. En este tipo de turbinas, las caídas de presión se producen en varias etapas.
El vapor pasa por una serie de palas alternas fijas y móviles. Las palas fijas actúan como boquillas, es decir, cambian la dirección del vapor y también lo expanden. Luego, el vapor pasa por las palas móviles, que expanden aún más el vapor y también absorben su velocidad.
Esto se explica en la figura 6 .
donde, los símbolos tienen el mismo significado que el anterior.
Diagrama de velocidad
El diagrama de velocidad que se muestra en la figura 7 brinda un detalle sobre los diversos componentes de la velocidad del vapor y la velocidad de la pala (los símbolos tienen el mismo significado que el anterior).
Ver también
Referencias
- Jachens, WB (marzo de 1966). "Turbinas de vapor - Su construcción, selección y operación" (PDF) . Actas de la Asociación Sudafricana de Tecnólogos del Azúcar . SASTA. Archivado desde el original (pdf) el 21 de marzo de 2018 . Consultado el 11 de mayo de 2014 .
- "Estudio de Turbina - Ejercicio" (pdf) . pacetmechanical.weebly.com . Facultad de Ingeniería y Tecnología de PA.
Otras lecturas
- Venkanna BK, Fundamentos de turbomaquinaria , PHI Learning Private Limited, Nueva Delhi, 2011.
- Yahya SM, Turbines, Compressors and Fans (Cuarta edición) , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Nueva Delhi, 2011.
- El-Wakil MM, Powerplant Technology , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, Nueva Delhi, 2010.
- MSGOVINDE GOWDA: MM EDITORES DAVANGERE, KARNATAKA, INDIA
- Singh Onkar, Termodinámica Aplicada , New Age International (P) Ltd., Nueva Delhi, 2009.