1- ¿Qué es la garganta o cuello de la tobera?
Es la zona de la tobera donde la sección decrece hasta un valor mínimo dándose en esta
unas condiciones de presión y velocidad distintas a la de entrada. Al empezar la
expansión de vapor en la tobera, la velocidad aumenta mucho mas rápido que el
volumen específico, mas adelante el fenómeno se invierte. Aplicando estas
observaciones a la ecuación de sección
v
G Vesp
s
= × se observa que la sección al
comienzo debe decrecer y luego crecer, por lo que existe en la tobera una sección
mínima donde la velocidad y el volumen específico son iguales. La tobera es
convergente a la entrada y divergente a la salida.
2- Función principal de una tobera en una turbina
Es un conducto encargado de transformar la mayor cantidad posible de energía
disponible que tiene el vapor en energía cinética. Esta energía se pone de manifiesto por
elevada velocidad del vapor a la salida de la tobera.
Una tobera dirige el chorro de vapor sobre las paletas móviles de la tobera para
conseguir un máximo rendimiento de esa energía cinética que se produce.
Para ello debe cumplirse:
a) Que la tobera tenga unas paredes lisas, para eliminar el rozamiento lo más
posible.
b) Que la tobera tenga una curvatura adecuada que favorezca el movimiento.
c) No debe haber transmisión de calor en las paredes de la tobera
3- Explicar que es el coeficiente de velocidad en una tobera
El coeficiente de velocidad tiene en cuenta el efecto de las perdidas sobre la velocidad
del flujo del vapor y queda definido como la relación entre la velocidad real a la salida y
la velocidad teórica del vapor previamente calculada, varia entre 0,8 y 0,98.
4- Rendimiento de una tobera
Relación entre la energía cinética real que posee el vapor a la salida de la tobera y la
energía cinética ideal o teórica que tendría sino hubiese pérdidas.
1 2
1 3
.
.
h h
h h
Ec teórica
Ec real
–
–
h = Ëh =
5- Diferencias que existen entre una tobera ideal y una real
En una tobera ideal no existen perdidas de velocidad en el vapor, por lo que no se
producen un aumento de entropía (Cond. Isentrópico).
En una tobera real existen perdidas lo que provoca un aumento de entropía
disminuyendo la energía que tiene el vapor, por tanto disminuye su velocidad.
6- Explicar cuales son las misiones de las paletas de una turbina
La finalidad de las paletas en una turbina, es la de recibir el vapor que les envían las
toberas y mediante una curvatura adecuada de sus superficies, transformar la mayor
cantidad posible de energía cinética que posee el vapor admitido en trabajo útil.
7- ¿Cuál es el coeficiente de perdidas de velocidad en las paletas?
Causas:
Relación entre la velocidad real de las paletas en una expansión y la velocidad teórica.
Se denomina Yp y depende de:
– Velocidad del flujo de vapor
– Rugosidad de las paredes de los conductos
– De la relación del espesor de la vena fluida y el radio de curvatura de la paleta,
dando un Yp max. Para la relación
2
1 =
r
l
8- Clasificación de las turbinas de vapor
a) Sentido y flujo del vapor
Axial: flujo de vapor paralelo al eje de rotación de la turbina.
Radial: flujo perpendicular al eje de rotación de la turbina
Helicoidal: flujo de recorrido en forma de hélice sobre la periferia rueda.
b) Por la forma en la que incide el vapor en las paletas
Turbinas de acción:
La expansión del vapor desde P1 a P2 se lleva a cabo toda en
las toberas o distribuidores. Son turbinas de tipo Laval.
Turbinas de reacción:
La expansión del vapor desde P1 a P2 se efectúa en dos
fases, parte en ellas y otra parte en las paletas móviles. Son siempre turbinas de
escalonamientos múltiples.
c) Forma de distribución del vapor
Turbinas de inyección total: la rueda móvil recibe el vapor en la totalidad de su
periferia, se aplica tanto en turbinas de reacción como de acción.
Turbinas de inyección parcial: la rueda motriz no recibe más vapor que el que
llega a través de un sector de su periferia, se aplica solo en turbinas de acción.
d) Por el número de elementos
– Turbinas simples o elementales o también de un solo estado o etapa, en ellas
solamente existen una sola rueda y su distribuidor.
– Turbinas múltiples o de varios saltos, etapas o estados, están formadas por un
cierto numero de ruedas motrices, montadas sobre un mismo eje y encerradas en
el mismo estátor, se pueden agrupar según la forma de fraccionar la energía:
o Turbinas múltiples de acción
Con caídas, saltos o etapas de velocidad
Con caídas, saltos o etapas de presión
Con caídas, saltos o etapas de velocidad y de presión
o Turbinas múltiples de reacción
Siempre con caídas de presión
e) Por la forma de construcción
Turbinas de ruedas o discos: están formadas por varias ruedas motrices
montadas en el mismo eje, separadas o no, según los casos por tabiques
divisorios llamadas diafragmas.
Turbinas de tambor: las paletas están montadas sobre la periferia de un cilindro o
tambor hueco en cutos extremos lleva los muñones del eje motor.
f) Por la forma de salida del vapor
– De condensación: la presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica
debida a la condensación del vapor de salida.
– Turbina de descarga atmosférica: no usan condensadores a la salida de la
turbina.
– Turbina de contrapresión: descargan el vapor a una presión aun elevada, para ser
usada en procesos industriales.
9- Diferencias entre una turbina de acción y una de reacción
Acción:
– La expansión completa de P1 y P2 se efectúa toda en al tobera.
– El vapor actúa sobre las paletas por acción o impulsión.
– Las paletas son de curvatura simétrica respecto al plano medio de la rueda.
– La sección de la entrada es igual a la de la salida (s1=s2).
– La rueda se mueve en ambiente de presión constante.
– No existe empuje axial (teóricamente).
– La inyección puede ser total o parcial.
Reacción:
– La expansión del vapor desde la presión de entrada hasta la de salida se lleva a
cabo en dos fases, parte en las toberas y parte en las paletas móviles.
– La inyección del vapor siempre es total.
– La rueda se mueve en un ambiente de distintas presiones.
– Existe un fuerte empuje axial.
– Las paletas son de curvatura asimétrica respecto al plano medio de la rueda.
10- A que se debe el empuje axial en las turbinas de reacción
Es un fenómeno que se da en las turbinas de reacción con saltos de presión. El rotor de
esta turbina esta sometido a una salida de presión en la entrada, en el extremo de salida
la presión de descarga es muy inferior. Debido a esta diferencia de presiones, el rotor
experimenta un empuje axial hasta la descarga, de valor elevado en la relación con el
tamaño de las turbinas y las altas presiones de alimentación.
Para reducir el empuje axial se utilizan sistemas de balances de fuerzas con la misma
presión del vapor.
Si la componente axial de la velocidad del vapor fuera la misma a la entrada y a la
salida de los canales no existiría el mismo empuje causado por la velocidad del vapor.
11- Carácterísticas de una turbina de acción simple
– Expansión completa del vapor en el distribuidor, desde la presión P a la
P1 del condensador.
– La velocidad del vapor es máxima a la salida del distribuidor e igual a
V2.
– Al expansionarse el vapor totalmente en el distribuidor, la rueda se
mueve en una atmósfera de presión constante P1. No existe la fuerza de
empuje axial.
– Las paletas tienen curvatura simétrica respecto al plano medio de la
rueda.
– La sección de paso del vapor entre dos paletas es sensiblemente
constante, si se desprecia el inevitable espesor de la paleta, la sección de
entrada es igual a la de salida.
12- Pérdidas en la turbina de vapor
–
Pérdidas internas, que se producen dentro de la envuelta de la turbina y
que producen un aumento del calor total del vapor y el correspondiente
incremento de su entropía, con la ventaja de que se pueden recuperar
parcialmente en la etapa o estado siguiente.
– Pérdidas externas, no son recuperables y producen generalmente una
disminución sensible del rendimiento de la turbina.
Pérdidas internas:
a- Por rozamiento en las paletas fijas y móviles, con o sin expansión, se
produce dentro de la envuelta de la turbina aumentando el calor del vapor
y la entalpía. Se pueden recuperar fácilmente.
Con expansión: toberas distribuidoras de las turbinas de acción y las
toberas fijas y móviles de las turbinas de reacción.
Sin expansión: paletas móviles y paletas directrices de las turbinas de
acción.
b- Por choques y remolinos a la entrada de la paleta. Debidas a las
erosiones en los alabes: en paletas con y sin expansión.
c- Por fugas de vapor entre las puntas de las paletas y el estátor. El vapor no
trabaja y se cuela por los huelgos que existen entre las partes fijas y
móviles.
d- Por humedad del vapor. Si el vapor se condensa en la tobera disminuye
V2 y disminuye el vapor del trabajo.
e- Por rozamiento y ventilación.
Rozamiento: perdidas producidas por el efecto de rotación a gran
velocidad de los discos de acción y la superficie de la rueda.
Ventilación: el efecto de ventilación tiene lugar en las turbinas de acción
con inyección parcial, cuando el canal limitado por dos paletas sucesivas
la inyección libera el vapor que contiene creando una depresión.
Perdidas externas:
No son recuperables y producen una disminución del rendimiento de la
turbina.
– Por la velocidad remanente del vapor al abandonar la ultima carena
móvil.
– Por fugas externas en las cajas estancas.
– Por rozamiento del eje en los cojinetes de apoyo.
– Por radiación de calor del exterior o aislamiento imperfecto.
13- Explicar porque se emplean los rotores de tambor en vez de ejes y ruedas en
las turbinas de reacción.
En las turbinas de reacción existe una gran diferencia entre la presión de entrada y la
salida, se emplean por tanto rotores de tambor en vez de ruedas y ejes porque el empuje
axial resultante es tan grande que seria muy difícil de equilibrar.
14- Explicar la regulación de potencia en las turbinas de vapor
Las turbinas de vapor se destinan a accionar aparatos a:
– Velocidad constante, cualquiera que sea el par resistente (dinamos y
bombas)
– Velocidad variable y par resistente igualmente variable (propulsores)
Esta variación será:
– Regulada automáticamente cuando se trata de aparatos auxiliares que
deben hacer frente a frecuentes variaciones de carga.
– Regulada manualmente cuando se trata de aparatos con velocidad y
potencia variables entre amplios limites, tales como, las turbinas de
propulsión naval.
a) Regulación actuando sobre el gasto másico de vapor
Se actúa sobre la cantidad de vapor introducido en la turbina esto se varía
actuando sobre:
– La variación de la sección de paso
– Variando la velocidad V
– Variando el peso especifico del vapor
1) inyección parcial.
El sector total de inyección esta dividido en compartimentos estancos o sectores, cada
uno de ellos alimentado por una válvula independiente.
Su inconveniente es que solo puede emplearse en turbinas de acción, ya que si se
utilizase en una reacción el vapor tendería a escaparse hacia la periferia originando
rozamientos.
Este sistema solo puede utilizarse en las turbinas de acción multicelulares.
2) By-pass
Sistema empleado en turbinas de reacción de grandes potencias que tiene como ventaja
la reducción de las perdidas internas.
El sistema consiste en emplear el envío de vapor directamente y sin expansionar a una
etapa intermedia, con mayor sección de paso.
b) Laminado (implica una perdida de energía importante)
En este caso se mantiene constante el gasto y se modifica la potencia desarrollada,
variando la caída de calor total (h1-h2). Modifica el área del ciclo termodinámico
descrito por un Kg. De vapor. Se aplica a:
– Turbinas de reacción en las que no es posible la inyección parcial.
– Turbinas de acción como regulación secundaria, entre dos regímenes
correspondientes a dos grados diferentes de inyección parcial.
– Regulación mixta:
El laminado resulta el sistema más cómodo para regular la potencia, dado que se puede
conseguir con la necesaria apertura de la válvula registro, alcanzar el valor exacto de la
potencia deseada. A pesar de los inconvenientes, es muy utilizado:
1) Turbinas de accionamiento de auxiliares
2) En todas las turbinas propulsoras, conjuntamente con otro de los sistemas de
regulación del gasto, se puede adoptar los siguientes sistemas combinados:
a) Laminado e inyección parcial.
Se emplea en turbinas de acción de pequeñas y medianas potencias y en
mixtas con rueda Curtís en la cabeza. La turbina tiene delante de la primera
rueda de acción cuatro sectores de inyección. El primero se alimenta
directamente de la válvula de registro y de los demás de las aperturas de
válvulas sucesivas.
b) Laminado y by-pass
Se emplea en las turbinas de reacción de cualquier potencia. La válvula de
registro se abre completamente, luego se abre de forma sucesiva las demás
válvulas a medida que aumenta la potencia.
15- Definir y explicar el grado de reacción de una turbina
Se denomina grado de reacción a la relación que existe entre la caída de entalpía que se
produce en la rueda móvil y la caída total de toda la etapa.
( )
( 1 2 )
2
‘
1
‘
h h
h h
–
S = – S = 1/ 2(casi siempre)