Principales Elementos de Turbinas de Vapor

La turbina se compone de:

  1. Sistema de admisión
  2. Cuerpo de turbina. Formado por el rotor (contiene las coronas giratorias de álabes), el estator, el eje y la carcasa (conteniendo las coronas fijas de toberas).
  3. Escape de la turbina. Es el cuerpo posterior de la turbina por donde se conduce el vapor al condensador o a la tubería de contrapresión.
  4. Secciones de extracción o reinyección. Es la zona por donde se extrae el vapor a presión intermedia o se inyecta.
  5. Cierres laberínticos de vapor. Disminuye las fugas de vapor por los huecos, siendo conducido el vapor de fuga a un condensador de vahos o se extrae con eyectores.
  6. Reductor. Al igual que ocurría en el caso de turbinas de gas, en potencias menores de 50 MW, la velocidad de rotación del eje suele ser superior a la necesaria para el accionamiento de un alternador (salida 1.500-1.800 r.p.m /3000-3600 rpm) y suele necesitarse la participación de este elemento reductor del número de revoluciones
  7. Generador. Es el elemento consumidor de la fuerza motriz aportada por la turbina y es el que genera la corriente eléctrica que se desea.

Sistema de admisión

Sistema de admisión. Consta de una válvula de cierre rápido, el grupo de válvulas de control y toberas de admisión

Las válvulas de control de admisión son unos de los elementos más importantes de la turbina de vapor y regulan el caudal de entrada a la turbina. Es una válvula pilotada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente.

Detalle de válvulas de regulación en turbina de vapor de 8 MW. Cortesía de Blohm & Voss

El rotor

El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los álabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los álabes.

Los álabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades necesarias. Son críticas las últimas etapas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los álabes. Por ello suelen tener un recubrimiento resistente a la abrasión.

La carcasa

La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, que se desmonta cuando se quiere acceder al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o álabes fijos.

Las carcasas se realizan de hierro, acero o aleaciones de acero, dependiendo de la temperatura del vapor. Obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape.

Los álabes fijos y móviles se colocan en posición adecuada en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los álabes se pueden asegurar solos o en grupos y bien se fijan a su posición por medio de un pequeño seguro, en forma de pequeño perno, o bien se remachan en su lugar. Los extremos de los álabes se fijan en un anillo donde se remachan los álabes, y los más largos a menudo se amarran entre sí con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.

La carcasa va normalmente recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe, pierda energía y por tanto la turbina pierda potencia y rendimiento. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite quitarla y ponerla con mayor facilidad.

Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales

Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa antifricción. En realidad, el eje no gira sobre ellos, sino sobre una capa de aceite de lubricación. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.

En la fotografía adjunta puede verse la parte inferior de un cojinete de apoyo y el eje.

Detalle de cojinete de apoyo, eje y sello de vapor

Cojinete de empuje o axial

El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje. Supone un tope para el desplazamiento. En caso de no existir este tope el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercutiría en el reductor, aplicando en él una fuerza que no puede absorber.

El cojinete axial hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje, según puede apreciarse en la figura.

Esquema de disposición de cojinetes

Este cojinete, realizado en un material blando, está recubierto por una capa de material antifricción, que supone un rozamiento mínimo entre el disco y el cojinete. Además, el cojinete está convenientemente lubricado.

Cuando el desgaste de este disco es excesivo, se produce un desplazamiento mayor del permisible, que transmite esa fuerza no deseable a otros elementos acoplados al eje de la turbina. Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, para evitar daños, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.

Sistema de lubricación

Proporciona el aceite lubricante. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento (un fallo en este sistema provocaría graves daños, sobre todo en el eje y en los cojinetes), el sistema suele estar equipado con tres bombas:

•  Bomba mecánica principal. Está acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que esté girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques y paradas esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional

•   Bomba auxiliar. Se utiliza exclusivamente en los arranques y paradas, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. A unas revoluciones determinadas durante el arranque, automáticamente se cambia de bomba auxiliar a bomba principal, y lo mismo durante las paradas de la turbina.

•  Bomba de emergencia. Si se produce un cero de planta, ésta queda sin tensión y la turbina de vapor dispara, durante la parada habría un momento en que ésta se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterías.

Sistema de extracción de vahos

El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica. De esta forma los vapores de aceite son extraídos y se dificulta una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor que garantiza que los vapores del aceite serán extraídos y se mantendrá una presión baja en el depósito.

Sistema de refrigeración de aceite

El aceite en su recorrido de lubricación se calienta; al calentarse modifica su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes. Si el calor es excesivo, se degrada. Para evitar todo esto, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite. Estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.

En caso de refrigeración por agua, este circuito combina normalmente la refrigeración de aceite del reductor y alternador, así como la refrigeración de los devanados del alternador.

Sistema de aceite de control

Cuando la válvula de regulación se acciona hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión que eleva la presión del aceite en el circuito de aceite de control hasta la necesaria, normalmente entre los 50 y los 200 bar de presión. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar la presión de aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor.

Sistema de sellado de vapor

Las empaquetaduras o cierres en el eje evitan la fuga de vapor al exterior en la partes a presión o entrada de aire en las parte bajo vacío. Hay dos tipos de cierres: los cierres laberínticos y los aros de carbono. Se puede utilizar uno de los dos tipos de cierre o bien ambos simultáneamente. En la figura posterior se puede ver un esquema del cierre laberíntico, que lo que pretende es dificultar el flujo de vapor a través de él. En un punto intermedio se inyecta vapor que establece una barrera a la fuga desde la parte de alta presión. En un punto más exterior se extrae conjuntamente vapor que procede de la parte interna y aire del exterior, para evitar que el aire entre al interior de la carcasa en la zona de vacío, o que el vapor salga por el eje en la zona de presión positiva.

Cierres laberínticos. Detalle

Generalmente, las fugas de vapor de los cierres laberínticos, así como el  drenaje se llevan a un condensador de vapor, con el objeto de aprovechar el agua tratada. Normalmente, el condensador funciona con agua del circuito de refrigeración. Otras veces el vapor de cierres se expulsa a la atmósfera mediante eyectores de vapor. En turbinas de vapor de condensación, el vapor de cierres se lleva al condensador.

Virador 

El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Esto se hace para evitar que el rotor se curve al estar parado, por su propio peso o por expansión térmica. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

Compensador

Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones .

En turbinas de vapor de contrapresión generalmente no es necesario el compensador de dilatación en el escape.

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