9.1 TURBINAS DE VAPOR.9.1.1 DEFINICIN.Una turbina de vapor se puede definir como una mquina trmica en la que la energa del vapor se transforma en energa cintica por medio de la expansin a travs de las boquillas y la energa cintica del chorro resultante se convierte a su vez en una fuerza que realiza un trabajo sobre los impulsos montados en el rotor.Tambin se puede definir como:Elemento motriz que convierte la energa trmica del vapor directamente en energa mecnica de rotacin.9.2.2 CICLO TERMODINMICO DEL VAPOR.De denomina ciclo termodinmico al proceso que tiene lugar en los equipos destinados a la obtencin de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el paso o transferencia de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportacin de trabajo.La aplicacin ms importante de una turbina de vapor es como motor trmico en una planta de vapor donde el fluido de trabajo es el agua, que efecta un ciclo el cual se le denomina como ciclo de potencia y que se describe a continuacin. Ver figura 9-1.1. El agua a temperatura ambiente y en estado lquido es bombeada hasta la caldera.2. En la caldera el calor obtenido mediante la combustin de un combustible, es transferida al agua, pasando esta del estado liquido al estado del vapor a una presin determinada, la cual es relativamente alta.3. El vapor que sale de la caldera entra a la turbina donde se expande, transformando su energa trmica en trabajo mecnico el cual se transfiere a un eje.4. El vapor que sale de la turbina es enfriado y condensado hasta la temperatura ambiente en el condensador.9.3 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOEl calor es una forma de energa, y puede ser transformado en energa mecnica. Cuando hierve agua y se convierte en vapor, este contiene ms energa que el agua, y si esto se efecta en un recipiente cerrado, la presin ejercida por el vapor aumenta, as la presin del vapor de una caldera se puede aumentar agregndole energa calorfica (calor).Como se menciono anteriormente, en un recipiente cerrado la presin aumenta al introducrsele calor al sistema, y se incrementa a un valor superior a la presin atmosfrica, obligando al vapor a expandirse a travs de la tobera, saliendo el vapor a alta velocidad y chocndose contra el labe. Al salir el vapor de la tobera este se expande disminuyendo su presin pero aumentando considerablemente su velocidad, o sea que la tobera convierte la energa de presin en velocidad y el choque de vapor contra el labe hace girar al rotor y se produce el trabajo mecnico. Fig. 9-3.

En la Fig. 9-4 el rotor consiste de placas o labes montados en una flecha, la tobera gua el flujo de vapor contra los labes.Como la presin del vapor en el rotor es menor que en el de la caldera, pues de lo contrario no habra flujo de vapor si no existiera un diferencial de presin, y entre mayor sea este mayor ser el flujo.Conforme el vapor deja la tobera, su presin y temperatura disminuyen, pero su velocidad aumenta, y despus de chocar contra los labes esta velocidad disminuye.El rotor al girar produce trabajo mecnico y el vapor experimenta una perdida de energa. Una cantidad mayor de vapor producir mayor trabajo. Si se aumenta el numero de toberas o se hace mas grande la existente, saldr mayor cantidad de vapor, produciendo mas trabajo. Por lo tanto, para producir ms trabajo, o se aumenta la diferencial de presin, o se agrandan las toberas existentes o se agregan ms del mismo tamao.En la Fig. 9-5 los alabes estn montados en un volante o rotor y no directamente sobre la flecha. La tobera o toberas estn montadas sobre la pared de la cmara de vapor, y el vapor es controlado por la vlvula del gobernador.Controlando la entrad de vapor podemos controlar la salida de energa mecnica. El motor est montado dentro de la carcasa de metal, donde la presin es menor que dentro de la cmara de vapor, para poder permitir el flujo a travs de las toberas, si no existiera esta diferencia de presin no podra haber produccin de trabajo mecnico.Al entrar el vapor a alta velocidad y chocar contra los labes se produce un impulso que hace girar el rotor, y puesto que la turbina utiliza el impulso del vapor sobre los labes para hacer girar el rotor, se le llama turbina de impulso9.4 CLASIFICACIN DE LAS TURBINAS DE VAPOR.Las turbinas de vapor se clasifican atendiendo a diferentes factores.a) Dependiendo de su diseo por la forma como el vapor circula por las paletas.b) De acuerdo al nmero de etapas o pasos.c) Con respecto a las condiciones de escape del vapor de la turbina.9.4.1 CLASIFICACIN DE ACUERDO A SU DISEO.Dependiendo de su diseo las turbinas pueden ser de dos tipos:Turbinas de impulso.Turbinas de reaccin.En una turbina de impulso ideal, el vapor se expande solo en las boquillas fijas y la energa cintica se transfiere a las paletas rotatorias a medida que el vapor golpea sobre las mismas, mientras fluye de los pasajes entre las paletas. La presin del vapor es constante y la velocidad relativa del vapor con respecto a las paletas decrece en los pasajes de los mismos.En una turbina de reaccin, el vapor se expande tanto en las toberas fijas, como en las paletas rotatorias mediante la expansin del vapor en los pasajes entre las paletas. La presin del vapor disminuye a medida que la velocidad relativa del vapor aumenta en los pasajes de las paletas.Una turbina de reaccin tiene ms pasos que una turbina de impulso para la misma aplicacin debido a la pequea cantidad de energa cintica absorbida por paso.En el paso por impulso, el vapor puede ejercer una fuerza axial sobre las paletas, a medida que fluye a travs de los pasajes. Mientras que q est fuerza se le llama comnmente una reaccin, el uso de este termino no aplica un paso de reaccin.Una turbina de reaccin requiere de un mayor cojinete de empuje, debido a la cada de presin a travs de las paletas en movimiento.En una turbina de impulso el pequeo diferencial de presin entre las paletas rotatorias de un paso por impulso, trae como resultado menores cojinetes de empuje y ningn claro cerrado en la punta de sus paletas.As una turbina de impulso puede arrancarse mas rpidamente sin peligro de dao por la expansin trmica, y la eficiencia de sus pasos permanece relativamente constante a lo largo de la vida de la turbina.9.4.2 CLASIFICACIN DE ACUERDO AL NUMERO DE PASOS.Como el vapor se expande y baja su presin al bajar por las paletas, de acuerdo al nmero de pasos las turbinas se clasifican por:Turbinas de un solo paso (unietpicas)Turbinas de pasos mltiples ( multietpicas)Turbinas de solo un paso.Una turbina de vapor de solo un paso es aquella en la que la conversin de energa cintica en trabajo mecnico ocurre con una nica expansin del vapor en la turbina de la presin de entrada del vapor a la presin de salida del mismo.La zona donde se expande y baja de presin se llama etapa o paso, cuando el vapor pierde presin en una sola etapa se dice que la turbina es unietpica, como se muestra en la Fig. 9-6.Una turbina de un solo paso puede tener una o ms hileras de paletas rotatorias que absorben la energa de velocidad del vapor resultante de la expansin simple del vapor. La turbina de un solo paso de vapor es de velocidad compuesta (curts). La expansin completa de la presin de entrada a la presin de salida se realiza en un solo paso. El paso curts, con dos hileras de paletas rotatorias y dos pasos de velocidad compuesta tipo cerrada se muestra en la Fig. 9-7.La hilera de toberas dirige y descarga el vapor contra la primera hilera de labes, pero el vapor que sale de estos labes lo hace en la direccin opuesta al movimiento, por lo tanto para mover la segunda hilera de labes en la misma direccin que la primera el vapor debe ser redirigido, para esto se utiliza una hilera de labes estacionarios cuya nica funcin es cambiar la direccin del vapor, pero no variar su presin o velocidad, y estn montados rgidamente en la carcasa9.4.3 CLASIFICACIN DE ACUERDO A LAS CONDICIONES DE ESCAPE DEL VAPOR.De acuerdo a las condiciones de escape del vapor de la turbina estas se clasifican en:Turbinas de contrapresin.Turbinas de condensacin.Turbinas de extraccin.Turbinas de contrapresin.Generalmente este tipo de turbinas se utilizan en instalaciones donde se aprovecha el calor del vapor de escape para procesos de calentamiento en cambiadores de calor, tales como agua de alimentacin a calderas, pre calentadores de aire, etc., la descarga del vapor de la turbina a una presin predeterminada va a un cabezal y de este se enva a los cambiadores de calor.En este tipo de turbinas no se utiliza toda la energa calorfica del vapor, de aqu que en una turbina de contra presin efecte una menor cantidad de trabajo mecnico, que una turbina de condensacin e iguales circunstancias de trabajo.Turbinas de condensacin.En una turbina de condensacin, el vapor de baja presin que sale de la turbina es capaz de expandirse aun ms y perder ms presin, para esto la turbina tiene instalado un condensador de superficie a la descarga de vapor de la misma, el condensador absorbe calor de vapor y esto provoca una disminucin de la presin (vaco) al condensarse el vapor, con esto se aprovecha mejor la entalpa del vapor pudiendo efectuar la turbina una mayor cantidad de trabajo til, por lo cual en igualdad de circunstancias con una turbina de contrapresin, la turbina de condensacin es ms eficiente.Al disminuir la presin del vapor, este se expande y aumenta su volumen por lo cual las turbinas de condensacin son generalmente multietpicasTurbinas de extraccin.Una turbina de extraccin, cuando algo de vapor de una etapa intermedia se saca de ella, para utilizarse en otras secciones del proceso donde se requiere vapor con las condiciones de presin y temperatura del paso donde se efecta la extraccin.9.5 COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINALos principales componentes de una turbina son:Carcasa.Cmara de vapor.Rotor.Alojamiento de las chumaceras y los cojinetes.Sistema de sellos.Sistema de control y regulacin de la velocidad.9.5.1 carcasa.La carcasa se considera en el envolvente externo de la turbina, contiene el vapor suministrado a la misma y est conectada a la lnea de suministro de vapor de alta presin, y a la lnea de salida de vapor de baja presin respectivamente, y en ella est montada la cmara de vapor.La carcasa tambin contiene el rotor y boquillas a travs de las cuales el vapor se expande y se dirige contra las paletas rotatorias.En la construccin de las carcasas de las turbinas hay que prever que la accesibilidad a las partes interiores permita su examen fcilmente.9.5.2 Cmara de vapor.La cmara de vapor est conectada a la carcasa, y aloja las vlvulas de regulacin y la vlvula de disparo por sobre velocidad.Una turbina de vapor opera debido a la diferencia de presin existente entre la cmara de vapor y la carcasa, donde la presin en la cmara de vapor es superior. Sin esta diferencia de presin el vapor no podra fluir a travs de las toberas.9.5.3 vlvulas de regulacin (control).El vapor que entra a la cmara de vapor a travs de las vlvulas de regulacin (control) es dirigido hacia los labes por medio de las toberas. Cuando se reduce la carga en la turbina se requiere de menos vapor para mantener constante la velocidad de la misma, por lo tanto la vlvula del gobernador cierra, bajando por consiguiente la presin en la cmara de vapor.Para mantener la eficiencia se debe mantener la mxima presin en la cmara de vapor, cualquier presin inferior producir una menor eficiencia en la turbina. Cuando la turbina utilice menos energa trmica o descargue ms energa trmica su eficiencia disminuir.9.5.3.1 Gobernador.Como se menciono anteriormente el gobernador de una turbina regula la cantidad de vapor que entra a ella y por lo tanto tambin regula la cantidad de trabajo producido.En la Fig. 9-21, vemos el principio de operacin de un gobernador mecnico de contrapesos, aqu los contrapesos estn mantenidos juntos mediante la fuerza de un resorte, pero conforme empiece a girar el conjunto, la fuerza centrifuga obligara a los contrapesos a girar cada vez ms separados, al girar mas despacio, los contrapesos tienden a juntarse nuevamente.9.5.4 Rotor.El rotor consiste de rodetes (discos), labes y las flechas. Los labes son generalmente construidos aparte y montados despus en los rodetes, en algunos motores los rodetes son montados a la flecha en caliente, los cuales al enfriarse quedan fijos a la flecha. En otros casos la flecha y los rodetes son forjados en una pieza.En las turbinas medianas o pequeas el rotor est formado por uno o mas rodetes (discos) slidos montados en una flecha. En la parte exterior de los discos se fijan los labes o paletas, sostenidos estos, en su extremo libre por un cincho metlico. El rotor gira sobre los cojinetes sostenidos rgidamente en el bastidor.Materiales usados en la construccin de discos y rotores.Para los ejes y discos sometidos a tensiones y temperaturas moderadas del orden de 300 basta con aceros al 0,3%. Los discos de los ltimos escalonamientos de las turbinas de condensacin, necesitan aceros de alta resistencia con adicin de: Cr-Ni-Mo-V 1,6/1,8/0,2/0,15%.Para temperaturas elevadas, mayores a 450 . Los ejes de los rotores y los discos de AP se fabrican con aceros que contienen generalmente Cr-Ni-Mo-V 1,5/0,4/1/0,6%, con resistencias bajo cargas prolongadas a 500 .labesLas formas y disposiciones elegidas resultan de compaginar las exigencias de la resistencia de los materiales y las del movimiento del vapor; el trazado de los labes de baja presin (BP), fuertemente afectados por la accin del vapor y las fuerzas centrfugas, es muy delicado.En los escalonamientos de cabeza de alta presin (AP), los labes operan a temperaturas prximas a la mxima temperatura del vapor, por lo que hay que tener en cuenta, que no deben superar nunca una deformacin del 0.2% (limite elstico) al cabo de 100,000 horas de funcionamiento.9.5.4.1 Diafragmas y sellos de laberinto.En una turbina multietpica existe una diferencia de presin entre diferentes pasos, viendo la Fig. 9-33 vemos que el diafragma es una parte estacionaria que est montada en la carcasa, sostiene los diferentes pasos y sostiene las toberas.Adems se puede observar que puede existir una fuga de vapor a travs del pasaje por el que pasa la flecha a travs del diafragma.Puesto que el vapor al pasar a travs de las toberas y chocar contra los labes producen un trabajo til, al existir una fuga de vapor a lo largo de la flecha by paseando las toberas del diafragma, no se produce el trabajo til calculado para esa etapa.El diafragma puede ser construido de manera que rodee la flecha con poca tolerancia, sin embargo si la flecha roza el diafragma, este debe de ser remplazado, puesto que hay desgaste y aumento de tolerancia.9.5.4.2 Cajas de empaques.En una turbina de contrapresin, vemos que la presin en la descarga es mayor que la presin del aire (atmosfera) que lo rodea. Por lo tanto, el vapor tendera a fugarse a travs de las cajas donde la flecha atraviesa la carcasa.As la fuga mayor ser que la caja de empaques del lado de la entrada del vapor, y puesto que los rodamientos estn colocados junto a las cajas de empaque, el condensado producto de la fuga de vapor puede entrar en ellos provocando su destruccin.9.5.4.3 Rodamientos y chumaceras.Para que una turbina opere adecuadamente, la flecha debe de girar con un mnimo de friccin, o sea que la resistencia a la rotacin de esta debe de ser lo mas pequea posible, por otro lado, el rotor debe mantener su posicin mientras gira, o sea que la flecha debe de estar libre para moverse en cualquiera de sus direcciones.La velocidad de giro es el movimiento deseado en una flecha sin embargo siempre viene acompaada de dos movimientos no deseados uno horizontal o de desplazamiento y otro vertical o de vibracin. 9.5.5 sistema de control de una turbina de vapor.Todos los componentes que mencionamos anteriormente son elementos del sistema de control de una turbina, se considera que el sistema de control para una turbina multietpica est constituido por dos subsistemas mayores:Sistema de gobiernoSistema de paro de emergencia9.5.5.1 Sistema de Gobierno.Este sistema regula el funcionamiento de una turbina ajustando su velocidad en respuesta a una seal neumtica o analgica respecto a la carga.El sistema consta de los siguientes componentes: vlvula de corte rpido, gobernador de velocidad, vlvulas reguladoras de admisin de vapor y el servomotor que opera las vlvulas reguladoras.Gobernador de velocidad. Como se explico anteriormente el gobernador es usado para detectar cambios de velocidad y regular la misma a travs de mandos al servo motor y alas vlvulas de regulacin a las toberas que controlan el flujo de vapor a la turbina. 9.5.5.2 Sistema de paro de emergencia.Este sistema funciona automticamente y es independiente del sistema de gobierno. Su funcin es la de cortar el flujo de vapor a la turbina en caso de operaciones de operacin anormales y criticas.9.5.5.3 Sistema de Gobernador Electrnico.Como resultado de la modernizacin tecnolgica, el accionamiento de gobernador de velocidad y el accionamiento del gobernador han sido remplazados por un sistema de gobernador electrnico, el actuador electro-hidrulico lineal, y un sistema electrnico de proteccin contra el exceso de velocidad.9.6 SISTEMA DE LUBRICACIN.La lubricacin de las chumaceras radiales puede ser por medio de un anillo de aceite. El anillo de aceite recoge aceite del crter y puesto que la rotacin hace girar este anillo, el aceite es llevado hasta la chumacera proporcionando una lubricacin por salpicadura.Otro sistema de lubricacin de chumaceras es aquel donde el aceite lubricante es inyectado a presin dentro de las chumaceras por medio de una bomba, este sistema se llama de lubricacin forzada, en este caso si la presin de aceite en el circuito disminuye las chumaceras no reciben aceite y se dean o destruyen.Una turbina equipada con un sistema de aceite de gobierno (control) debe de tener un suministro continuo y a presin de aceite limpio tanto para el sistema hidrulico del gobernador como para la lubricacin de sus chumaceras.9.6 SISTEMA DE VACO EN UNA TURBINA DE CONDENSACIN.Condensadores de superficie. Es conocido el gran inters que tiene el bajar la contra presin de escape de una turbina de vapor, para as incrementar la cantidad de energa disponible para efectuar el trabajo (Entalpa).Si a ttulo de ejemplo consideramos inicialmente un vapor a 25 atm y 350 , entalpa de 746,1 Kcal. /Kg., que se expansiona hasta 1 atm, entalpa final de 592 Kcal. /Kg., implica una diferencia de entalpa de 154,1 Kcal. /Kg.De entre los dispositivos de control y seguridad del condensador de superficie destacaremos, los siguientes:a) Un indicador de nivel de condensado.b) Un controlador de nivel de condensado.c) Un indicador de vaco.d) Un indicador de temperatura de condensado.e) Una vlvula rompedora de vaco.9.7.1.1 Eyectores de un Sistema de Vaco.La funcin del sistema de eyectores es la eliminacin del aire y de gases no condensables del condensador. Un eyector no es ms que una bomba de chorro en la que no existen partes mviles.El sistema de eyectores (Fig. 9-57 y Fig. 9.58) est formado normalmente por:Eyector de arranque.Eyector de la primera etapa. (primario).Condensador intermedio.Eyector de la segunda etapa. (secundario).Condensador posterior.Los dos eyectores (primera y segunda etapa) trabajan en serie. El eyector de la primera etapa aspira del condensador principal y descarga la mezcla de aire-vapor al condensador intermedio en el que el vapor contenido en la mezcla, se condensa. El condensado cae al fondo del condensador, en donde a travs de un sello hidrulico en U pasa el condensador principal.El aire pasa ahora a la aspiracin de la segunda etapa donde mezclado con el chorro de vapor es conducido al condensador posterior, en este, el vapor se condensa y se manda al tanque de purgas en tanto que el aire se enva a la atmosfera.9.7.1.2 Operacin del Sistema de Vaco.Para permitir un funcionamiento continuo, se utilizan dos juegos de eyectores, sin embargo solo uno es necesario y suficiente para el funcionamiento del sistema; el otro, est en todo momento listo para funcionar en caso de averas o defectos de funcionamiento del primero. Ambos pueden utilizarse simultneamente en caso de que una entrada excesiva de aire en el condensador y se haga necesario una capacidad adicional de extraccin de aire.9.8 CONDICIONES DE OPERACIN QUE AFECTAN EL COMPORTAMIENTO DE UNA TURBINA.9.8.1 Presin Excesiva en la Carcasa.Para que el vapor fluya a travs de una turbina debe existir un diferencial de presin entre la entrada y salida del vapor. Durante el arranque de una turbina a contra presin la descarga de la misma deber abrirse antes de la entrada del vapor motriz, pues de lo contrario la carcasa puede destruirse debido a la excesiva presin.Las turbinas tienen colocadas vlvulas por seguridad por presin (PSV) en la descarga, estas vlvulas deben ser revisadas una vez que relevan para asegurarse que cerraron bien, pues de lo contrario se estar venteando vapor a la atmosfera.