Turbinas a vapor

UNIDAD 6
Turbinas de vapor. Operación. Eficiencias. Pérdidas
1. Clasificación
Las turbinas de vapor son turbomáquinas en las que sólo se efectúa el proceso de expansión. Si bien
existen turbinas a vapor del tipo radial, la inmensa mayoría son del tipo axial, que se estudian en esta unidad.
El fluído de trabajo es comúnmente el vapor de agua, por obvias razones económicas y técnicas. Encomparación con otras máquinas (alternativas a vapor, de combustión interna) ofrecen una mayor relación
potencia/tamaño.
Se las puede clasificar según el salto térmico y según el principio operativo. Según el salto térmico se
las separa en:
• Turbinas de condensación: son las de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas. La presión
de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a lacondensación del vapor de salida.
• Turbinas de descarga atmosférica: son generalmente de baja potencia, antieconómicas si utilizan
agua tratada. No utilizan condensador de salida.
• Turbinas de contrapresión: se utilizan como expansoras para reducir la presión del vapor
generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aún elevada, para ser
utilizado en procesosindustriales.
Según el principio operativo se distinguen las turbinas de Acción y de Reacción, tanto de una como
de varias etapas. La diferencia fundamental es que en las turbinas de acción no hay cambio de presión en la
rueda móvil, obteniéndose el intercambio de energía por el cambio de velocidad absoluta del fluído.
La Figura 6.1 ilustra las diferencias entre las etapas de acción y reacción:

63Figura 6.1: Etapas de acción y reacción (Vivier)
Para el análisis de las turbinas de vapor se considera la transformación sin intercambio de calor con
el ambiente, y se desprecian los cambios de energía potencial gravitatoria. Luego, el trabajo por unidad de
masa, o la potencia por unidad de caudal másico será:

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Li N
1
=
= i1 − i 2 + (C12 − C22 ) = i1 .e − i2 , e ,
m G
2
donde 1y 2 identifican la entrada y salida, y el subíndice e la condición de estagnación.

2. Turbina de acción de una etapa: Turbina de Laval
La turbina de acción de una etapa es descendiente directa de las turbomáquinas hidráulicas, en
particular de la turbina Pelton. En su forma más sencilla consiste en una o más toberas (convergentes si son
subsónicas, convergente-divergentes si sonsupersónicas) y una rueda de paletas (Figura 6.2):

Figura 6.2: Turbina de Laval (Church)
Si el número de toberas es elevado, se las forma con una rueda de álabes fijos como muestra la
Figura 6.3:

Figura 6.3: Ruedas de álabes fija y móvil (Mattaix)
2.1 Funcionamiento
Las transformaciones que sufre el vapor en las ruedas fija y móvil se ilustran en la Figura 6.4:

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Figura 6.4: Turbina de unaetapa (Lee)
En este caso idealizado, el cambio de entalpía tiene lugar en la tobera, acompañado de una caída de
presión estática y aumento de velocidad absoluta V. En la rueda móvil la presión y la densidad (volumen
específico v) permanecen constantes, y la velocidad absoluta disminuye. El cambio en dirección y magnitud
de la velocidad absoluta causa la aparición de una fuerza en la paletamóvil, que origina el torque y la
potencia entregada por la turbina.
2.2 Diagrama i-s. Rendimiento
La transformación en la turbina se representa en el diagrama i-s como muestra la Figura 6.5:

Figura 6.5: Turbina de acción de una etapa

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Las pérdidas en la tobera se indican con ∆i y en la rueda móvil con ∆if.
La Figura 6.6 muestra el diagrama de velocidades en la rueda móvil:

Figura6.6: Diagrama de velocidades
Se nota que al no haber cambio de presión no cambia la velocidad relativa W, y, al ser la paleta
simétrica, las velocidades relativas son simétricas respecto a U.
Aplicamos la ecuación de Euler con:

C1 t = C1 cosα1
U1 = U
C2 t = −(W2 t − U )
U2 = U
Como W 2t =W 1t y W1t =C1 cosα1 -U, resulta

C2 t = 2U − C1 cos α1

Luego,

E = U 1C1 t − U 2 C2 t = 2U...