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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA
CIENCIAS BASICAS E INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS E HIDRAHULICA
AUTOMATIZACI~N DE UN TURBOGENERADOR DE VAPOR
GENERANDO LA CURVA DE FLUJO MASICO VERSUS
MEGAWATTS GENERADOS
SEMINARIO DE PROYECTOS I y I1 QUE PRESENTA
RAUL EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
PARA OBTENER EL GRGDO ACADEMIC0 DE
INGENIERO EN ENERGÍA
ASESOR
ING. CONSTANTINO AL VAREZ MEDINA
México D; F a 13 de Enero de 2000
Esta obru, ha quetlurlo inscritu en el regktro Público (le1 Derecho de Autor por lo que ningunu purte (le
estú publicución, incluirlo el diseño de I r portutlu , puede ser reproducidu, almucenutlu o transmitirlu en
manera alguna o por ningún medio; ya seu elkctrico, químico, mechico, óptico, de grubación o de
fotocopicr, sin permiso previo del uutor.
Copyright 030 1 1 1 16 1 1 O0
CONTENIDO
Testimonios de Gratitud
Glosario
Capítulo
Capítulo I
Objetivo
Justificación
Introducción
Capítulo 2
2.1 Principios de operación de una turbina
2.2 Turbinas en tándem
2.3 La turbina de vapor
2.3.1 Construcción
2.4 Clasificación de las turbinas
2.5 Toberas
2.6 Paletas o álabes
2.7 Diafi-agmas
2.8 Embolos compensadores
2.9 Discos de Balance
2.10 Cojinetes
2.1 1 Chumacera de empuje
2.12 Empaquetaduras y sellos de vapor
2.13 Reguladores
2.13.1 Reguladores de velocidad
2.13.2 Reguladores de exceso de velocidad o disparador de emergencia
2.14 Lubricación de la turbina
2.15 Instalación de la turbina de vapor
Página
i1
VI
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Capitulo 3
3.1 Condensadores y eyectores
3.2 Clasificación de condensadores
3.2.1 Construcción
3.3 Efecto de aire
3.4 Eyectores
3.5 Auxiliar del condensador
Capítulo 4
4.1 Turbogenerador con condensador
4. l . 1 Procedimiento de arranque de un turbogenerador
4.2 Cuidados durante la operación
4.2.1 Turbina
4.2.2 Condensador
4.2.3 Bomba centrifuga
4.2.3.1 Fallas en el suministro de agua
4.2.3.2 Insuficiente capacidad
4.2.3.3 Presión de descarga baja
4.2.3.4 El motor se calienta
4.2.3.5 Vibraciones en la bomba
4.3 Parar el turbogenerador
Capítulo 5
5.1 Datos de sitio
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
APÉNDICE “A”
APÉNDICE “B”
24
25
25
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27
27
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50
52
TESTIMONIOS
DE
GRATITUD
-
Ten presente que nadie sin afán y ardua fatiga supo arrancar las palmas de la gloria
- I1
A Dios.
Le pedí a Dios dinero para ser feliz
Dios me hizo pobre paru ser sabio
Le pedí a Dios una vida tranquila y sin preocupaciones
Dios me dio una vida dljkil llena de problemas para tener carácter
Le pedí a Dios ser insensible a los problemas de los demás
Dios en la parte más interna de mi ser me dio el Don de la compasicjn ante el suj-imiento de
los demás para adquirir nobleza
Pedí todo para disjkutar de la vida
Me concedió vida para disj-utar de todo
Incluso lo q1;e no pedí se me concedió
I11
A mi asesor
Ing. Constantino Alvarez Medina
Le agradezco la confianza, el apoyo, y su paciencia para la realización de mi tesis que
simboliza un logro muy preciado, y el echo de haber creído en mi.
Asi como la comunicación correcta, Juida, respetuosa y sencilla que usted tuvo hacia mi,
con lo cual se creo una atmósfera agradable en la que pude plantear mis dudas. Es usted una
persona de grandes conocimientos y cualidades, quisiera destacar, cultivar y no olvidar por
el resto de mí vida una cualidad muy especial que usted posee; esta cualidad es: "Que sin
importar que tan erudita sea una persona en cierta área del conocimiento, la sencillez, y un
trato respetuoso engrandece aún más a la persona".
En el breve lapso que convivi con usted profesor ha influido en mi vida marcando para
siempre mi existencia. Como en alguna ocasión le dije personalmente usted es mi modelo a
seguir.
AI Dr. Eduardo CarriIlo Hoyo
Le agradezco su apoyo y comprensión, así como la oportunidad de permitirme seleccionar el
tema y a mi asesor de seminario de proyecto para que pudiera terminar mis estudios de
licenciatura.
IV
AI Instituto Mexicano del Petróleo.
Agradezco a la institución su confianza y apoyo, y de una forma muy especial al Ing. Rodolfo
del Rosal por su cortesía y confianza al encausarme en mí vida profesional al permitirme
resolver un problema de la industria real.
AI Ing. Rubén Mancilla y a la Ing Luz María Chávez Islas por su trato siempre cortés y
cordial creando una atmósfera de confianza en la cual pude sugerir comentarios para el
desarrollo de mi tesis.
A la Comisión Federal de Electricidad
AI Ing José Francisco Rodriguez Morales.
Le agradezco el apoyo que me brindo para la realización de mi tesis. Así como la
comunicación correcta, jluida, respetuosa y sencilla que usted tuvo hacia mi persona. Jamas
olvidare su manera sencilla y respetuosa de tratar a su personal demostrándome a mi, sin
saberlo que la jerarquía en un puesto nos responsabiliza aún m& a ser cortes, educado y
sencillo en nuestro trato con los demás.
V
GLOSARIO
VI
G L O S A R I O
Condensación. La condensación del vapor, es el proceso contrario a la evaporación,
en otras palabras es la transformación del vapor en agua. El vapor, sin importar su
presión y su temperatura, siempre tiene la tendencia a condensarse. La diferencia de
temperatura entre el vapor y las tuberías, o entre las diversas partes de la maquina
tienden a condensarlo. La expansión del vapor dentro de la maquina también tiende a
condensarlo. En el primer caso, eso constituye una perdida, pero en el segundo, se
esta obteniendo un trabajo mecánico. De esto deducimos la importancia de calentar
las tuberías principales antes de poner en servicio la maquina. Con respecto a lo
segundo, mientras más se expansiona el vapor se obtiene una mayor cantidad de
trabajo mecánico, es por esto la tendencia a usar las mayores presiones y
temperaturas iniciales que permita el equipo, y también el máximo vacío en el
condensador.
W ' Eficiencia. Es el cociente entre el trabajo real dividido por el trabajo ideal --
W
Energía. La energía se define como la capacidad de efectuar un trabajo y por lo
mismo, se mide en las mismas unidades que el trabajo. La idea de energía como se
usa en conexión con una maquina, debe entenderse perfectamente. Las maquinas usan
la energía de los combustibles para poder desarrollar un trabajo. Para esto, la energía
del combustible debe pasar por ciertas formas y sufiir ciertas transformaciones. De lo
anterior se deduce que existen dos formas principales de energía que son cinética y
potencial manifestándose en cuatro formas:
1) Química ( Energía potencial a nivel molecular )
2) Calorífica ( Energía cinética que la sustancia tiene a nivel molecular )
VI1
3) Mecánica( Energía cinética potencial macroscópica )
4) Eléctrica (Energía potencial de los electrones)
Entropía. Ea entropía (S) es una medida directa de la aleatoriedad o del desorden del
sistema. En otras palabras, la entropía describe el grado en que los átornos, ías
moléculas o los iones se distribuyen, en forma desordenada, en una región dada del
espacio. Mientras mayor sea el desorden en el sistema mayor será la entropía.
Para resumir este análisis: un estado ordenado tiene una probabilidad baja de ocurrir y
una entropía pequeña, mientras que un estado desordenado tiene una probabilidad alta
de ocurrir y una entropía grande
0 Los valores de entropía que se registran para las diferentes sustancias se dan para
1 atm y 25 O C, estos valores se denominan entropías estándar ( S O )
0 Tanto la entropía de los elementos como la de los compuestos son positivas ( esto
es, So >O).
Las unidades de la entropía son J/k ó J k m o l para un mol de una sustancia (ya que los
valores de entropía por lo general son muy pequeños, se usan joules más que
kilojoules)
Ssólido < Slíquldo << sgas
La entropía absoluta es el valor verdadero y no un valor derivado usando alguna
referencia arbitraria de una sustancia a 25°C y esta dado por AS o Sf donde AS y Sf
son: AS = Sf-Si
Presión. La presión de un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal
ejercida por el fluido por unidad de área de la superficie. Si la fuerza se mide en
newtons y el área en metros cuadrados, la unidad básica de presión en el SI, es el
VI11
newton por metro cuadrado o Nm’, llamada Pascal y cuyo símbolo es Pa.. En el
sistema ingles, la unidad más común es la libra fberza por pulgada cuadrada (psi)
El torr es la presión equivalente a I mm de mercurio a 0°C en un campo gravitacional
estándar y es igual a 133.322 Pa.
Otra unidad de presión es la atmósfera estándar (atm). Corresponde aproximadamente
a la presión promedio ejercida por la atmósfera terrestre al nivel del mar y se define
como 101,325 Pa, 101.325KPa o 0.101325 MPa.
El bar, unidad del SI es igual a 105Pa, que es aproximadamente igual a la atmósfera.
En la practica, presiones mayores y menores que la presión atmosférica se determinan
por medio de un medidor de presión o sea un manómetro, la presión manométrica
generalmente está en kg/cm2 o sea kilopond (Kp). El manómetro marca la diferencia
entre la presión de interés y la presión de la atmósfera circundante.
Así que, para encontrar la presión absoluta, cuando esta es superior a la atmosférica,
se añade la presión atmosférica a la lectura del manómetro; esto es:
Presión Absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica
Si la presión absoluta es menor que la presión atmosférica, a la lectura manométrica
se le llama presiónde vacío o vacío. En este caso, la presión absoluta se obtiene de:
Presión absoluta = Presión atmosférica - Presión manométrica
Potencia. Defmimds la potencia como la razón a la que se efectúa el trabajo aquí
consideramos solamkte la potencia mecánica. La potencia promedio P desarrollada
por un agente que ejerce una fuerza particular sobre un cuerpo es el trabajo total
efectuado por esa fuerza sobre el cuerpo dividido por el intervalo de tiempo, o sea P =
W -
t
dw dt
La potencia instantánea P producida por agente es P = ~- ,donde dw es la pequeña
cantidad de trabajo efectuado en el intervalo infinitesimal de tiempo dt .
J La unidad de potencia en el SI es el joule por segundo ( -- ), llamado Watt (abreviado S
W ) Está unidad recibe su nombre en honor a James Watt ( 1 736-1 8 19). En el sistema
ingles, la unidad de potencia es lfi.lb/s, aunque generalmente se usa una unidad más
practica, el caballo de fuerza (hp), para describir la potencia de aparatos tales como
motores eléctricos, motores de automóvil etc. Un hp es por definición igual a
550fi.lb/s, que equivale a unos 746 W
W Rendimiento. Es el trabajo ideal entre el calor admitido __
QA
Temperatura. De acuerdo con la teoría cinética, la temperatura es una medida de la
energía cinética media de traslación de la molécula (en virtud de la transferencia de
energía de la sustancia al termómetro); pero desde el punto de vista macroscópico, la
temperatura de un cuerpo en su estado térmico es considerada con referencia a su
poder de comunicar calor a otros cuerpos.
Trabajo. Definimos el trabajo W efectuado por la fberza sobre la partícula como el
producto de la magnitud de la F y la magnitud del desplazamiento S a través del cual
actúa la fuerza.
Escribiremos esto así: W = F S
La unidad de trabajo en el SI es lnewtón-metro llamado también ljoule (abreviado J).
En el sistema ingles la unidad de trabajo es la libra- pie. En el sistema cgs la unidad
de trabajo es ldina-cm, llamado también 1erg.Usando las relaciones entre el newton,
X
la dina, y la libra, y entre el metro, el cm, y el pie obtenemos 1 joule = 10’erg =
0.7376 ft-lb
El trabajo es una cantidad escalar, aunque las dos cantidades involucradas en su
definición, fuerza y desplazamiento sean vectores. El trabajo debe ser expresable
como un producto escalar. Definimos el producto escalar de dos vectores como la
cantidad escalar que hallamos cuando multiplicamos la magnitud de un vector por la
componente de un segundo vector a lo largo de la dirección del primero.
W = F*S
Vapor. Es el nombre que se da a una fase gaseosa que esta en contacto con la fase
líquido que esta en la vecindad un estado en el que parte del mismo puede
condensarse.
Se trata de un gas imperfecto, de manera que la simple ecuación de estado PV = RT
No representa su comportamiento excepto cuando sus moléculas están lo
suficientemente separadas para que ejerzan poca fuerza unas sobre otras y ocupar
poco espacio (baja presión)
Vapor saturado. Siempre que un vapor este en contacto y en equilibrio térmico con
su líquido, el vapor saturado y el líquido, será líquido saturado. Si se conoce la
temperatura o la presión, el valor de la que se desconozca puede determinarse con
tablas o gráficas ( previa información experimental). Todo vapor del que se diga que
su calidad es de 100% es únicamente vapor saturado. Finalmente sí se suministra más
calor al vapor se elevara su temperatura y aumentará su volumen, diciéndose que el
vapor está recalentado
Describiéndolo a partir de la regla de las fases, para un sistema de un componente y
dos fases en equilibrio por ejemplo agua y su vapor, la P y T son propiedades
XI
dependientes, y sí P se mantiene constante y la T varia o la T permanece constante y
la P varía, desaparece una de las fases. Así que una propiedad intensiva define el
estado, es decir, que una propiedad intensiva podría variarse independientemente y
todavía habría dos fases. Por esta razón un sistema de 2 fases es univariante (o
monovariante)
Vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado es aquel cuya temperatura es mayor
que la de saturación. Si hay equilibrio térmico estable dentro del vapor recalentado,
éste no puede contener líquido. Para defmir el estado de un vapor recalentado,
generalmente establecemos la presión y la temperatura. A menudo se habla de los
grados de recalentamiento, que es la diferencia entre la temperatura real del vapor
recalentado y la diferencia de saturación para la presión existente.
Describiéndolo apartir de la regla de las fases, en un sistema gaseoso, el numero de
variantes o grados de libertad es de dos, y el sistema se dice, que es divariante, la
especificación de dos propiedades intensivas (P, T) pueden variarse
independientemente sin modificar el estado o fase 1 de una sustancia gaseosa.
XI1
1
Capítulo 1
La búsqueda de la verdad es más hermosa que la verdad misma.
(Albert Einstain)
2
Objetivo.
Automatización del cálculo de la generación de energia eléctrica en diferentes tipos de
turbogeneradores de vapor empleando las curvas de qperación de los distintos
turbogerleradores utilizados.
Justificación.
Dentro del instituto mexicano del petróleo (IMP), se est& realizando estudios energéticos
en los sistemas de fuerza y vapor de complejos de producción de PEMEX - refinación,
donde existen tanto turbinas para accionar bombas, compresores etc., como
turbogeneradores de vapor para generar la energía eléctrica (E.E) requerida por el
complejo de refinación. Al principio para estimar la E.E generada por esta turbomaquina . se consideraba una eficiencia promedio recomendada en la literatura. Sin embargo, este
supuesto en la realidad trae consigo cierta incertidumbre ya que la eJiciencia que sé esta
considerando se puede alejar de la eficiencia verdadera correspondiente a la capacidad a
la que se esta operando la maquina lo cual puede provocar que el flujo que se alimenta al
turbogenerador no sea el adecuado y que en un momento dado este valor sea mayor al
calculado; quedando cortos los requerimientos de los generadores de vapor.
3
Una meta importante de la ingeniería es proyectar sistemas que realicen las conversiones
deseadas entre los distintos tipos de energía.
Para aprovechar mejor la energía, los sistemas mejorar? continuamente su diseño y con
esto se ha incrementado la eficiencia de cada uno de los procesos.
Los procesos que tiene lugar en los sistemas de generación de potencia son altamente
complicados y se precisan idealizaciones para desarrollar modelos termodinámicos
adecuados. Tales modelos son muy importantes en la etapa inicial del diseño técnico.
Por lo tanto este trabajo, se aboca principalmente a la determinación de la eJiciencia
óptima en un turbogenerador, así como su procedimiento de arranque y paro.
La obra abarca también los aspectos de los componentes de un turbogenerador, dando un
cuidadoso tratamiento a cada una de las partes mecánicas que constituyen una turbina de
vapor, explicando lo más detalladamente posible los cuidados de esta maquinaria.
Continuando con el condensador, en donde se desarrollan los temas de construcción,
efectos del aire, claslJicación, así como también menciona en forma clara y precisa los
auxiliares del condensador.
Posteriormente se cubre el tema de los turbogeneradores, dando especial énfasis a la
puesta en marcha del turbogenerador, así como los cuidados necesarios durante la
operación de este en las áreas de la turbina, condensador y bombas centrifugas,
Bnalizando esta sección con el paro del turbogenerador.
Ademús como se va avanzando en el trabajo se proporcionan los valores de sitio del
turbogenerador, el desarrollo teórico que se da para determinar la eficiencia óptima
facilitando los cálculos por medio de la realización de un programa con el cual se
automatiza el proceso
Capítulo 2
El destino no esta sujeto a la ciega fatalidad; si asífuese, el hombre no habría sido dotado de inteligencia,
voluntad y de consciencia.
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MUEGAS MONTES DE OCA
2.1 PRINCIPIO DE OPERACION DE LA TURBINA.
El vapor que viene del sobrecalentador entra en una tobera fija donde se expande,
obteniéndose un chorro de vapor con gran velocidad. Esta energía cinética del vapor
se utiliza para impulsar loa Qlabes de la turbina.
Cuando las toberas están montadas en la carcaza y a l chorro de vapor se le dirige
contra la paleta del rotor, se le denomina turbina de acción. Si la tobera está montada
en el rotor y tiene movimiento libre, se le denomina turbina de reacción. A las
turbinas que aplican ambos principios se les denomina de acción - reacción.
En centrales termcreléctricas convencionales es común que las turbinas tengan varias
etapas o pasos, y que el primer paso de la turbina de presión sea de acción y los pasos
restantes de reacción
Para regular el flujo de vapor de la turbina y con esto la energía térmica suministrada
se utiliza una válvula reguladora, conocida como válvula gobernadora y el sistema
que maneja esta válvula se le denomina gobernador de la turbina.
2.2 TURBINA EN TANDEM.
Con el fin de aprov.echar al máximo la energía del vapor y tener la mejor eficiencia se
utiliza lo que se conoce como ciclo con recalentamiento. El cual consiste en tomar el
vapor que ya trabajó.en la turbina de presión alta y recalentarlo. Con este proceso se
logra tener la misma temperatura del vapor sobrecalentado pero a una presión más
baja y un volumen especifico mayor. Este vapor se utiliza en una segunda turbina que
trabaja a menor presión. El vapor que sale de esta segunda turbina tiene aún suficiente
energía térmica para trabajar en una tercera turbina, diseñada para operar a presiones
catowJwruv UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
6
y temperaturas menores que las anteriores. La ubicación en serie de estas turbinas
sobre un mismo eje o flecha se le denomina turbinas en tándem.
2.3 LA TURBINA DE VAPOR.
La turbina es la más simple, la más eficiente y la más compacta de las maquinas
motrices que usan vapor. Estas condiciones, son el resultado de una gran cantidad de
experimentos y pruebas que se han hecho en diseños y materiales. Comparada con
otras máquinas, tiene las siguientes ventajas:
Ocupa poco espacio.
Es ligera de peso
Requiere poco personal para su operación
Permite el uso de altas temperaturas y presiones
Tiene gran capacidad de sobre carga
Muy buena regulación
Su funcionamiento es relativamente silencioso y sin vibraciones
Entre sus desventajas podemos citar:
La necesidad de tener un equipo de condensación, ya que sin é1, el gasto de vapor
sería excesivo y su eficiencia disminuye, cuando trabaja en condiciones distintas para
las cuales ha sido disefiada
El campo de aplicación de las turbinas es muy amplio, no solamente las encontramos
en turbogeneradores hasta de 200,000 KW, sino como maquinas motrices de bombas
y ventiladores desde 1 hasta 1,500 HP
,
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO WLLEGAS MONTES DE OCA
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La turbina es una maquina en donde suceden una serie de transformaciones de
energía: al entrar el vapor a alta presión ( energía interna), se expansiona en una serie
de toberas o paletas adquiriendo una gran velocidad ( energía cinética) y al chocar
con una rueda de paletas móviles produce la rotación del eje ( trabajo o energía
mecánica).
2.3.1 CONSTRUCCI~N.
La turbina de vapor tiene cuatro partes principales:
Las partes fijas
l . Las partes móviles
2. Sistema de control
3. Sistema de lubricación
4. Las partes fijas son:
a) La envolvente, tambien llamada cilindro, en la que interiormente van instaladas
las:
l . Toberas
2.Válvulas de admisión
3. Paletas o alabes fijos
4. Diafragmas
5. Sellos y obturadores
b) Los cojinetes, que van instalados en el exterior de la envolvente.
kwilwasrrrrwsw UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
8
El rotor, constituye la PARTE MOVIL PRINCIPAL, en algunas turbinas es un eje al
que van montadas unas ruedas sobre las que vienen instaladas las paletas móviles y
en otras, es una especie de tambor al que se fijan directamente las paletas.
El sistema de control está formado por las válvulas y reguladores necesarios para
variar la cantidad y presión del vapor a su entrada a la turbina. El sistema de control
puede ser tan simple como en pequeñas turbinas que solo tienen una válvula de
admisión, o sumamente complejos en las grandes unidades en que sistemas
hidráulicos regulan constantemente la velocidad de la turbina de acuerdo con las
variaciones de carga.
El sistema de lubricación suministra el aceite a los cojinetes. Este sistema también
varía de acuerdo con el tamaño y el servicio de la turbina; en pequeñas unidades
consta del deposito de aceite y unos anillos de lubricación, en la mayor parte de las
grandes turbinas el mismo aceite de lubricación a presión se suministra a cojinetes y a
los reguladores del sistema de control. El sistema esta formado por:
a) La bomba principal, accionada por el mismo eje de la turbina
c) El tanque
d) Los filtros
e) El enfriador de aceite
f) Una bomba auxiliar accionada por un motor eléctrico u otra turbina auxiliar, que
suministra aceite al arrancar o parar la maquina, en caso de falla de la bomba
principal
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9
2.4 CLASIFICACIóN DE LAS TURBINAS.
Las turbinas de vapor están clasificadas en dos grupos principaíes de acuerdo a la
folrna en que utilizan la energía del vapor, y son:
1 .TURBINAS DE IMPULSION
2.TURBINAS DE REACCIóN
En las turbinas de impulsión, la expansión del vapor se efectúa en una serie de
pasajes fijos llamados toberas, en ellas su presión se reduce, pero a cambio adquiere
uTla gran velocidad, siendo esta velocidad la del chorro de vapor lo que impulsa el
rotor, al chocar con la rueda de paletas montada en el mismo. Un ejemplo sencillo de
este principio, lo vemos en los reguiletes de los niños que giran al impulso de una
corriente de aire.
En la turbina de reacción, la expansión del vapor ocurre tanto en las ruedas de paletas
móviles como en las ruedas de paletas fijas, las cuales tienen una forma especial que
se asemeja a las toberas. Primero tenemos una rueda de paletas fijas, montada en la
envolvente en donde el vapor se expansiona en la misma forma en que las toberas de
la turbina de impulsión, al salir de estas paletas el vapor choca contra las ruedas de
paletas móviles, montada en el rotor, haciéndolo girar; las paletas móviles son de una
forma especial que dan cierta aceleración al vapor, el cual al salir de ellas les dá un
empuje adicional, este principio, que se llama de reacción puede observarse en los
aspersores usados para regar jardines.
10
bVmdtWw WIVEMIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLECAS MONTES DE OCA
Apoyándonos en las ideas generales que acaban de exponerse, es posible establecer
una clasificación sintética de las turbinas de vapor
I. Según la dirección del movimiento del vapor respecto del rodete pueden
distinguirse:
a) Turbinas axiales, cuando el vapor se desplaza dentro del rodete siguiendo una
dirección sensiblemente paralela al eje de rotación;
b) Turbinas radides, cuando esta dirección es sensiblemente perpendicular al eje
citado;
c) Turbinas tangenciales, cuando el vapor es conducido tangencialmente al rodete
(de un modo análogo a como el agua incide sobre una rueda Pelton). La corriente
de vapor dentro del rodete se desplaza a la vez axial y radialmente.
IL Según el modo de actuar el vapor en el rodete se clasifican en:
a) Turbinas de acción, cuando el vapor se expansiona únicamente en órganos fijos
(directrices), y no en los móviles (rodete), de modo que la presión sobre las dos
caras de éste es la misma;
b) Turbinas de reacción, cuando el vapor se expansiona también en el rodete, de
modo que la presión del fluido a la entrada en éste es mayor que a la salida;
c) Turbinas mixtas, ( de acción y reacción), cuando una parte de la turbina esta
construida como de acción y la otra parte como de reacción.
e#pwdc*lp, UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO ULLEGAS MONTES DE OCA
111. Por é1 numero de escalonamientos se distinguen:
l. Turbina de rodete único;
2. Turbinas de varios rodetes. Según el modo de establecer los escalonamientos hay:
u) Turbina con escalonamiento de presión;
b) Turbinas con escalonamiento de velocidad;
e) Turbina con escalonamientos de presión y de velocidades.
IV. Por el número de álabes sobre los que incide la corriente de vapor pueden
distinguirse:
1. Turbina de admisión total, cuando el vapor llena por completo toda la corona de
álabes
2. Turbinas de admisión parcial, cuando el vapor incide solamente sobre una parte de
dicha corona.
V. Por las condiciones del vapor de escape de la turbina, pueden estas clasificarse en:
1.
2.
3.
4.
Turbinas de escape libre, si el vapor sale directamente a la atmósfera;
Turbinas de condensación, si el vapor pasa a un condensador;
Turbinas de contrapresión, Cuando el vapor de escape es conducido a
dispositivos especiales para su ulterior utilización, por ejemplo, para calefacción;
en estas turbinas, la presión del vapor de escape es esencialmente superior a la
atmosférica; y
Turbinas combinadas, cuando un parte del vapor es sustraída a 1 maquina antes de
su total utilización, y conducido a otros dispositivos en los que se emplea para
li
clcewrJtwwr UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLECAS MONTES DE oC.4
calefacción u otros usos; el resto del vapor continua su evolución dentro de la turbina,
desde la que pasa al condensador o a la atmósfera.
VI. Por el estado del vapor (presión y temperatura del mismo) antes de entrar a la
turbina pueden distinguirse:
1. Turbina de vapor vivo, cuando el fluido pasa directamente desde la caldera a la
maquina.
2. Turbina de vapor de escape, cuando utilizan la energía contenida en el vapor
procedente de otras máquinas, generalmente del émbolo con escape libre; y por
último
3. Turbinas de vapor saturado.
4. Turbinas de vapor recalentado, que no necesitan definirse especialmente
2.5 TOBERAS.
En su forma más simple una tobera, es un orificio con entrada y salida redondeada, en
donde la presión del vapor se convierte en velocidad. Las toberas pueden hacerse
directamente en la parte correspondiente a la envolvente o de los diafiagmas o pueden
venir en placas que se insertan en sus alojamientos respectivos. Se usan en turbinas de
impulsión.
2.6 PALETAS O ALABES.
Las paletas de la turbina están echas de materiales resistentes a la corrosión y a las
altas temperaturas. Existen infinidad de diseños no solamente por lo que se refiere a
la clase de servicios de la turbina en la que van instaladas, sino también en la forma
en que van fijadas al rotor o envolvente. Para dar mayor resistencia y evitar
CIIOmd.(YIW UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
13
vibraciones del empaletado, se usan aros de reherzo hechos fijos a los extremos de
las paletas.
Las causas que pueden ocasionar fallas de las paletas son:
1 . Materias extrañas dejadas en la turbina después de una reparación o que se
introduzcan por defecto de los separadores.
2. Materiales defectuosos
3. Mala instalación
4. Vibraciones
5. Corrosión
6. Arrastre de agua de la caldera, etc.
La forma de la paleta para las turbina de impulsión y para las turbina de reacción son
diferentes.
2.7 DIAFRAGMAS.
Se usan entre pasos sucesivos de las turbinas de impulsión y sirven como alojamiento
en las toberas y para prevenir el paso de vapor por otro lado que no sean las mismas
toberas. Generalmente son unos discos cortados en dos partes a lo largo del eje del
rotor, y hechos fijos a la envolvente de la turbina. Entre los diafragmas y el rotor
existe un empaque del tipo laberinto.
14
M W d W U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO WLLEGAS MONTES DE OCA
2.8 EMBOLOS COMPENSADORES.
En todas las turbinas de reacción, existe un empuje, que tiende a mover el rotor hacia
el lado de baja presión. Para balancearlo parcialmente, en el lado de alta presión, el
rotor tiene una saliente, o puede ser un disco montado en el mismo que recibe
interiormente la presión del vapor de entrada y del lado exterior está comunicado a
una parte de baja presión. Entre este disco émbolo compensador y la envolvente de la
turbina también existe un empaque de tipo laberinto. El empuje de la presión de vapor
compensa en parte el empuje de la reacción. L a chumacera de empuje absorbe el resto
de este esfuerzo. Las turbinas de impulsión no necesitan émbolos compensadores.
2.9 DISCOS DE BALANCE.
Para evitar vibraciones, especialmente en turbinas que trabajan a altas velocidades, se
montan al rotor unos discos llamados de balance en donde pueden alojarse y quitarse
ciertos pesos que permiten balancearla dinámicamente.
2.10 COJINETES
El rotor de la turbina está soportado por dos cojinetes principales instalados en la
parte exterior de la envolvente. Dado que los huelgos entre los sellos y el eje, y entre
las paletas y la envolvente son sumamente reducidos, los cojinetes deben estar
alineados cuidadosamente y libres completamente de desgaste con objeto de
mantener el rotor en su posición correcta evitando así daños, a sellos y paletas. En
pequeñas turbinas se usan ocasionalmente cojinetes de bolss. Otro tipo, que
podríamos llamar de manguito, es el usado con mas frecuencia; pueden ser lubricados
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- twomrrlwrw, UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
por uno o más anillos que giran junto con el eje y cuya parte inferior está sumergida
en el depósito de aceite Todas las demás turbinas usan cojinetes lubricados con aceite
a presión.
La carga que soportan los cojinetes principales es exclusivamente el peso del rotor,
por lo que se diseñan de suficiente tamaño para que los esfuerzos sean moderados en
cada punto del cojinete. Sin embargo si el rotor no está perfectamente balanceado, los
cojinetes estarán sujetos a vibraciones considerables que pueden sobrecargar los
cojinetes principales- consisten de dos medios cilindros revestidos interiormente con
metal antifiicciór:, todo el conjunto está alojado en una caja que a su vez está
soportada por asientos esféricos. En el metal antifiicción se hacen una serie de
muescas o patas de araña que sirven para distribuir el aceite a lo largo del cojinete en
cantidad suficiente que impida el contacto entre el eje y el cojinete; prácticamente el
eje queda flotando en el aceite.
El suministro de aceite a los cojinetes, no solamente tiene por objeto lubricar los
mismos, sino el mantenerlos a la temperatura correcta de operación. Elflujo de aceite
a los cojinetes es tan importante, que el operador debe vigilarlo constantemente.
Cada uno de los cojinetes tienen instalados un termómetro, una mirilla de inspección
y su correspondiente manómetro. La falta de aceite funde el metal antifricción del
cojinete.
2.11 CHUMACERA DE EMPUJE.
En la parte correspondiente a los émbolos compensadores, vimos que en las turbinas
de reacción existe im empuje a lo largo del eje (llamado axial) hacia el lado de baja
16
bwrrw UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLECAS MONTES DE OCA
presión; aunque teóricamente en las turbinas de impulsión no existe este esfuerzo, en
la práctica siempre se forman fuerzas que tienden a desplazar el rotor axialmente.
Para absorber estos esfuerzos y mantener el rotor en su posición correcta con respecto
a las partes fijas de la turbina, se usan las Chumaceras de empuje.
En pequeñas turbinas, hasta de 100 H P , los cojinetes de bolas o rodillos pueden
usarse para este servicio. En turbinas auxiliares, como las instaladas en bombas y
ventiladores, y también en grandes turbinas de impulsión, los mismos cojinetes
principales tienen una superficie saliente en sus extremos, que recibe el empuje de un
collar montado en el eje del rotor, sirviendo como chumacera de empuje; entre estas
dos superficies, existen unas muescas por donde penetra una cantidad suficiente de
aceite para lubricación y enfriamiento.
El tipo más común de chumaceras de empuje usado en las grandes turbinas es el
llamado Kingsbury, básicamente consiste de un collar asegurado al eje del rotor y de
unos segmentos fijos de forma parecida a riñones que absorben los empujes a través
del collar. Estos segmentos están construidos e instalados de tal manera que pivotean
ligeramente permitiendo formar una película de aceite entre ellos y el collar; el
empuje total está repartido entre los segmentos que generalmente son seis, y tienen
una cara revestida de metal antifricción.
2.12 EMPAQUETADURAS Y SELLOS DE VAPOR
En los lugares por donde el eje del rotor sale de la envolvente, es necesaria la
instalación de empaques; en el lado de alta presión, para impedir fugas de vapor a la
atmósfera y en el lado de baja presión para evitar la entrada de aire y por consiguiente
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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO VILLECAS MONTES DE OCA
pérdida de vacío. Los empaques se usan también entre los émbolos compensadores, y
la envolvente, y entre los diafiagmas y el rotor. Los empaques rnecbnicos pueden ser
de los siguientes
tipos: de laberinto en donde el vapor se va estrangulando en varios pasos hasta
reducir su presión, o pueden ser unos anillos de carbón en contacto directo con el eje,
o puede ser una combinación de los dos mencionudos.
En las turbinas más grandes, aparte de los empaques de laberinto se usan SELLOS
DE VAPOR que trabajan de la siguiente manera. Existen pequeñas tuberías que
suministran vapor a un punto intermedio de los empaques de laberinto; en el lado de
baja presión, este vapor se dirige después a lo largo del eje en dos direcciones que
son:
1. Hacia afuera impidiendo la entrada de aire y descargando a la atmósfera por un
respiradero o a un colector de condensado
2. Hacia adentro descargando dentro de la envolvente, en el lado de alta presión, el
vapor después de pasar por los sellos, o se descarga a un paso intermedio de la
turbina donde puede efectuar algún trabajo o suministra el vapor necesario para
los sellos de baja presión.
2.13 REGULADORES
Existen en la actualidad una gran cantidad de diseños de reguladores de acuerdo con
el tamaño y el servicio que presta la turbina. En el caso de Plantas Termoeléctricas,
los reguladores instalados son los siguientes:
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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO HLLEGAS MONTES DE OCA
2.63.1 REGULADOR DE VELOCIDAD
Este regulador sirve para controlar y mantener una velocidad constante de la turbina a
pesar de las variaciones de carga; consta de tres elementos principales:
a). El ELEMENTO SENSIBLE a los cambios de velocidad, que es del tipo de
pesos centrífugos y de impulsor hidráulico.
b). El VARILLAJE o mecanismo que transmite los movimientos a las válvulas de
vapor.
c). Las VALVULAS DE CONTROL que controlan y regulan la cantidad de vapor
que entra a la turbina.
La regulación de la turbina es en si, el control de la entrada de vapor a la misma,
puede hacerse de las siguientes maneras:
a).Por una sola válvula de admisión; como en pequeñas turbinas auxiliares.
b).Variando el número de toberas en servicio en el primer paso, este sistema es más
eficiente que el primero y se usa f'recuentemente en turbinas de mediana y gran
capacidad.
c). Admitiendo vapor en pasos intermedios.
Los reguladores de velocidad automáticos de las turbinas modernas trabajan
utilizando el sistema de reguladores hidráulicos llamadas también válvulas piloto.
El fluido es el aceite, que suministra la bomba principal no solamente al sistema de
lubricación, sino también al gobernador.
Los reguladores de velocidad también tienen u11 cambiador de velocidad que puede
actuar de la forma siguiente:
a). Modificando la tensión de un resorte.
b). Modificando el varillaje que conecta el elemento sensitivo con las válvulas de
control de vapor
Este cambiador de velocidad puede ser activado a mano por el operador de la
máquina, pero también por medio de un motor reversible accionado desde el tablero.
El cambiador de velocidad es necesario no solamente para poner dos unidades a
trabajar en paralelo, sino también para distribuir la carga entre los generadores.
2.13.2 REGULADOR DE EXCESO DE VELOCIDAD O DISPARADOR DE
EMERGENCIA.
Este regulador es un elemento esencial en cualquier tipo de turbinas ya sean grandes
o pequeñas. Generalmente es un disco excéntrico montado sobre el mismo eje que
acciona el regulador de velocidad y que se mantiene separado del disparador por la
acción de un resorte. Cuando por alguna razón existe una falla en el regulador de
velocidad, ésta aumentará considerablemente y entonces ia fuerza centrífuga hace que
el disco venza la presión del resorte y entre en contacto con el disparador, que a su
vez deja libre una válvula de retención que cierra la entrada de vapor, En los
reguladores hidráulicos el disparador hace que una válvula corte el suministro de
aceite a un servomotor que también cierra la entrada de vapor al faltar dicha presión
de aceite.
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crpMJturuu U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
2.14 LUBRICACION DE LAS TURBINAS.
El sistema de lubricación de las turbinas, es relativamente sencillo y sin embargo, una
de las partes más importantes y vitales para la operación de la misma, las turbinas
trabajan a grandes velocidades y en caso de falla del sistcma de lubricación, los
cojinetes se destruirán antes de que el rotor deje de girar.
El sistema más simple de lubricación es el usado en pequeñas turbinas, que usan
anillos de lubricación; estos anillos están sumergidos en un depósito de aceite, y la
rotación del eje los 5ace girar suministrando el aceite a los cojinetes, en los cuales
van instalados.
Los únicos cuidados que hay que tener con este sistema, es el vigilar constantemente
el nivel de aceite en el depósito y el reemplazarlo periódicamente.
En las turbinas grandes el sistema de lubricación es del tipo de circulación a presión,
el aceite lubricante en este sistema tiene tres fimciones:
1). Lubricación de cojinetes.
2). Enfriamiento de cojinetes.
3). Suministra el fluido para accionar los reguladores hidráulicos.
El sistema consiste de las siguientes partes:
a). Una bomba principal accionada por el eje del rotor y generalmente del tipo de
engranes, esta bomba toma el aceite del tanque y lo descarga a presión: ( 1 ) a través de
un orificio regulador al sistema de reguladores y (2) a los filtros, válvulas reductoras
Mlllwr#rrrwrur UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
21
de presión, enfriador de aceite y luego se distribuye a los cojinetes, de donde regresa
al mismo tanque.
b). Una bomba auxiliar que suministra el aceite al sistenla durante el arranque y, paro
de la máquina en caso de emergencia.
El sistema se complementa con termómetros, manómetros y mirillas de inspección.
El aceite lubricante en las turbinas, está sujeto a muy severas condiciones de servicio,
debido al efecto del calor, el aire, contaminación de agua y de materias extrañas. El
calor puede reducir su viscosidad al grado que lo haga inapropiado para esta clase de
servicio el aire puede causar su oxidación y la formación de espuma, que causa
corrosión de las partes internas de la turbina y en el caso de los reguladores puede
afectar su funcionamiento; la contaminación con agua es lo más fiecuente que puede
presentarse, esta agua puede venir por fugas de vapor en los sellos, condensación de
la humedad del aire o por fugas de agua en los enfiiadores; el aceite en presencia de
agua forma una emulsión, que no solamente resta sus propiedades lubricantes, sino
que también causa corrosión; la contaminación de materias extrañas puede ocasionar
obstrucciones en las tuberías del sistema y mal funcionamiento de los reguladores.
Algunas de estas dificultades se eliminan usando medios adecuados de ventilación en
el tanque, y aceites apropiados que contienen substancias antioxidantes, pero la
cuidadosa vigilancia que el operador preste a la temperatura y presión del aceite y la
limpieza de filtros y enfriadores dará los resultados más satisfactorios.
1
wwJw UNlVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO WLLEGAS MONTES DE OCA
2.15 INSTALACION DE UNA TURBINA DE VAPOR.
Básicamente la disposición y la instalación de una turbina de vapor consta de io
siguiente:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7 .
Cimentación.
Conexiones del cabezal de vapor a la máquina.
Conexiones de descarga al condensador.
Tuberías de extracciones, (En algunas turbinas.
Tuberías auxiliares, tales como:
a). Purgas.
b). Vapor a los sellos u obturadores.
c). Aceite, etc.
Conexiones a instrumentos y controles.
Circuitos eléctricos para el generador y excitador.
Las turbinas pequeñas y las máquinas que mueven se montan generalmente en una
base metálica, la que a su vez se instala en una cimentación apropiada que es un
bloque de concreto. Las turbinas principales, están soportadas por pedestales debajo
de los cojinetes principales, sirviendo la envolvente como un puente entre ellos. Los
pedestales a su vez descansan sobre una adecuada cimentación. Como el vapor
después de trabajar en la turbina descarga hacia abajo, al condensador, tos soportes
deben estar espaciados suficientemente para que permitan la instalación del
condensador, tuberías de extracción, ducto de aire para enfriar el generador, ducto
para tos cables eléctricos, etc.
23
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLECAS MONTES DE OCA
Las tuberías de vapor que vienen del cabezal de alta presi6n se instalan considerando
su expansión, dando cierta flexibilidad a sus soportes y proveyéndolas de purgas de
condensado.
Uno de los daños más serios que pueden sucederles a las ttubinas, es el recibir una
masa de agua arrastrada con el vapor y qlJe choque con las paletas en movimiento;
existen unos cedazos que impiden la entrada de materias extrañas a la máquina. La
instalación consta también de trampas de vapor en las diversas lineas. No existe
tubería de descarga de vapor de la máquina al condensador, se conecta directamente
con bridas a la máquina; algunas veces estas bridas tienen una junta de expansión,
dependiendo de la forma que se usa para soportar el peso del condensador. Pudiera
decirse que el condensador está colgado de la turbina.
Capítulo3
Ningún problema por d@cil que sea, Sera superior a nuestra fuerza y,
competencia para resolverlo
h@d&&Jturw UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO Y I U G A S MONTES DE OCA
3.1 CONDENSADORES Y EYECTORES.
El condensador sirve para mantener un vacío y recobrar el agua de alimentación. El
mantener un vacío adecuado es de suma importancia porque permite una mayor
expansión del vapor que ya hemos explicado, resulta en una obtención mayor de
trabajo mecánico. En otras palabras, si para una misma cantidad de vapor se obtiene
mayor cantidad de trabajo, la eficiencia de la turbina se aumenta proporcionalmente.
El recobrar la mayor cantidad de agua de alimentaci6n se explica por sí sólo.
Cuando decimos Il.:;,L"O nos estamos refiriendo a presiones menores que la presión
atmosférica, y que >e expresan en milímetros de mercurio.
3.2 CLASIFICACION DE CONDENSADORES.
Los condensadores pueden clasificarse en dos clases principales:
1. CONDENSADORES DE CONTACTO.
2. CONDENSADORES DE SUPERFICIE.
Los CONDENSAQORES DE CONTACTO son aquellos en los que el vapor y el agua
de enfriamiento se mezclan directamente. Este tipo de condensador no lo tenemos en
las plantas y no trataremos de él.
Los CONDENSADORES DE SUPERFKIE son aquellos en los que el agua de
enfriamiento llamada de circulación pasa por el interior de unos tubos y el vapor se
descarga en la parte exterior de ellos originándose la condensación.
26
k8wJtwsw UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO YILLEGAS MONTES DE OCA
Este tipo de condensador que es el que tenemos en las plantas, forma junto con la
caldera y el turbogenerador, los tres elementos principales de cualquier planta
termoeléctrica.
3.2.1 CONSTRUCCION
En la construcción de condensadores encontramos diferentes clases de diseño de
acuerdo a las ideas particulares de cada fabricante, con relación a la disposición de los
tubos, la forma de asegurarlos a las placas, etc. En general la envolvente se construye
de acero o fierro fundido con las aberturas necesarias para la entrada de vapor,
conexiones al sistema de agua de circulación, conexiones para instrumentos y
generalmente tienen una válvula de alivio instalada en la descarga de vapor que sirve
para protegerlo en caso de presión excesiva.
Los tubos del condensador son fabricados de una aleación de cobre y níquel y son
todos del mismo tamaño, están instalados de tal manera que permitan que el vapor
fluya libremente entre ellos. Están fijos en sus extremos a placas de tubos y
soportados con cierto huelgo por una o más placas intermedias.
La parte inferior del condensador forma el depósito de agua (hotwell) que es donde se
acumula el condensado y de donde lo aspira la bomba. Para que el agua condensada
no salga demasiado fria, ya que después tendrá que volverse a calentar antes de entrar
a la caldera, la disposición de los tubos también permite que parte del vapor entre en
contacto con el condensado para darle suficiente temperatura. Estos condensadores
son llamados regenerativos.
27
EupmJ* U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
Los condensadores están conectados directamente al escape de la turbina y pueden
estar instalados de las dos maneras siguientes:
a) Fijos a la turbina pero soportados en su parte inferior por resortes, o
b) Prácticamente colgando de la turbina pero usando una junta flexible.
3.3 EFECTO DEL AIRE.
Existe siempre la posibilidad de que cierta cantidad de aire y otros gases “no
condensables” se filtren dentro del condensador. El origen de estas filtraciones es
numeroso, pueden venir con el vapor de la caldera, a través de los sellos, juntas,
bomba de condensado, válvula de alivio, etc.; estos gases ocasionan una pérdida de
vacío, no solamente porque forman una “capa aislante” en la superficie de los tubos
que impide la transferencia de calor, sino que su presión se suma a la existente dentro
del condensador. Aunque una constante vigilancia puede reducir al mínimo estas
filtraciones, siempre existirá una pequeña cantidad que tiene que estarse eliminando
constantemente.
3.4 EYECTORES.
El objeto de los eyectores es eliminar los gases no condensables principalmente aire
que se filtra a los condensadores.
La manera en que funcionan los eyectores es la siguiente: se inyecta vapor a presión a
una tobera, este chorro de vapor arrastra los gases y juntos entran al difusor y luego a
un condensador en donde el vapor se condensa y los gases que están a una presión
mayor que la atmosférica se descargan por un tubo a la atmósfera. Este es el caso de
un eyector de un solo paso que se usa para instalaciones pequeñas.
28
uNlVER!3IDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
En Plantas Termoeléctricas frecuentemente se instala un sistema de eyectores de dos
pasos, en este caso la mezcla gases-vapor que sale del primer eyector descarga a un
condensador intermedio, donde el vapor se condensa, los gases libres son absorbidos
por el segundo eyector y juntos con el vapor son descargados a otro condensador, en
donde el vapor se condensa y los gases a suficiente presión pueden escapar a la
atmósfera por el correspondiente respiradero.
El vapor para los eyectores generalmente se toma de la línea principal de vapor y se
pasa por una válvula reductora de presión antes de llegar a ellos. El agua de
circulación para los condensadores de los eyectores se torna de la línea de condensado
que viene del condensador principal. El condensado de los eyectores se descarga al
condensador principal.
3.5 AUXILIARES DEL CONDENSADOR.
Los condensadores necesitan esencialmente de dos bombas:
l . La bomba de condensado
2. La bomba de agua de circulación.
La bomba de condensado en Plantas Termoeléctricas es casi siempre del tipo
centrifugo, aunque la cantidad de condensado varia con la carga, las bombas son
generalmente de velocidad constante, entonces el control de flujo del agua, en cargas
pequebas, debe hacerse de cualquiera de las siguientes maneras:
a) Extrangulando hasta ciertos limites la válvula de descarga de la bomba.
b) Recirculando el condensado. Esto se hace automáticamente por medio de una
tubería de paso lateral que va de la descarga de la bomba al depósito de agua del
A 29
WIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MUECAS MONTES DE OCA
condensador, en donde existe una válvula controlado por un flotador.
Las bombas de circulación también son centrifugas accionadas por motores eléctricos
de velocidad constante. La bomba, el motor que la acciona y las tuberías del sistema,
son de los mayores que encontramos en la Planta.
30
Capítulo 4
El ignorante envidia al intelectual, Al imaginarse que la sabiduria se encuentra solo en los libros.
No puede comprender, que ella es el saber que esta al alcance de todos,
Y les da el verdadero conocimiento sin llegar a envanecerlos.
3 1
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO Y I u E c A S MONTES DE OCA
4.1 TURBOGENEADOR CON CONDENSADOR
El procedimiento más general para poner en marcha el conjunto turbogenerador y el
condensador es el siguiente; primero el sistema de condensación y circulacih, luego
el sistema de lubricación y finalmente la puesta en movimiento de la turbina.
4.1.1 PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE DE UN TURBOGENERADOR
1. Asegúrese que los depósitos de aceite de lubricación de las bombas de condensado
y circulación estén a su nivel correcto.
2. Verifique el nivel de aceite en el depósito del sistema de la turbina.
3. Abra todas las válvulas del sistema de condensado, sistema de circulación y las
purgas de condensado del cabezal, tuberías de vapor, envolvente de la turbina.
4. Verifique que esté cerrada la válvula de alivio de descarga a la atmósfera y
perfectamente sellada.
5. Establézcase la circulación de agua en el condensador, cerciorándose del
funcionamiento de la bomba, revisando el sistema general.
6 . Ponga en marcha la bomba de condensado, debe tenerse especial cuidado en no
bombear todo el condensado del condensador, recirculándolo a través del mismo o
regulando la válvula de descarga de la bomba, de manera que siempre exista un
sello de agua en el condensador.
7. Ponga en operación los eyectores y ciérrense las purgas de la envolvente que
corresponden a los pasos que trabajan en vacío. Observe el vacuómetro para
cerciorarse que se empieza a hacer el vacío.
U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
8. Ponga en marcha la bomba auxiliar de lubricación de la turbina y cerciórese que
circule aceite por los cojinetes a la presión adecuada
9. Se abren las válvulas de vapor a los sellos u obturadores observándose que escape
vapor por sus chimeneas Correspondientes.
10. En cuanto se ha obtenido un cierto vacío, se admite vapor rápidamente, de
acuerdo al sistema de admisión de vapor que tenga instalado y en cuanto el rotor
empieza a girar se vuelve a cerrar. Cuidadosamente trate de detectar vibraciones,
ruidos o roces en la envolvente, cojinetes y sellos u obturadores.
11. Si no se observa ninguna vibración, ruido, etc. vuélvase a admitir vapor para que
empiece a girar el rotor, aumentando gradualmente la velocidad. En este momento,
algunas veces es conveniente verificar el funcionamiento del disparador de
emergencia.
12. La velocidad de la turbina se va aumentando gradualmente de tal manera que no
alcance su velocidad normal en menos de media hora. Frecuentemente se
recomienda dejar la turbina girando a un 15% de su velocidad normal por unos 15
o 20 minutos para permitir un calentamiento parejo de todas sus partes. Si durante
el periodo en que se aumenta la velocidad se notan vibraciones, reduzca la
velocidad para seguir calentando, en caso de que las vibraciones sean excesivas,
corte el suministro de vapor e investigue la causa antes de seguir adelante.
13. A medida que la turbina va adquiriendo velocidad, su bomba principal de
lubricación empieza a suministrar el aceite a presión, la bomba auxiliar puede irse
estrangulando poco a poco, hasta que se deje fuera de servicio. Con la presión de i
33
"R" - UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO FTLLEG4.Y MONTES DE OCA
aceite, los regJladores de velocidad y de emergencia entrarán en filncionamiento.
Verifquese su operación y regúlese la velocidad con el dispositivo de control.
14. Cuando la temperatura de aceite de los cojinetes llega a 450 "C., suministre agua a
los enfriadores de aceite.
15. Ciérrense las purgas de la envolvent3, cuando por ellas empiece a salir vapor
seco.
16. Regúlese el vapor a los sellos y eyectores para una buena operación.
17. Aplíquese la carga gradualmente, sincronícese de acuerdo a las instrucciones que
se dan más adelante
En turbinas con extracciones, ábranse y gradúense de acuerdo a la carga y clase de
servicio.
4.2 CUIDADOS DURANTE LA OPERACION.
El trabajo del operador durante su turno, es en sí un trabajo de supervisión, para esto,
debe conocer las lecturas correctas para cada carga, saber interpretar cualquier
variación que observe y reportar inmediatamente al jefe de turno o superintendente de
la planta, cualquier ruido extraño o lecturas incorrectas que observe en los
instrumentos. Es importante recordar los siguientes puntos durante la operación de un
turbogenerador.
4.2.1 TURBINA.
l . A intervalos regulares verifique la presión y la temperatura del vapor.
2. Vigilar constantemente el flujo, presión y temperatura de aceite a los cojinetes. El
aceite debe estar siempre limpio, libre de agua y sin formar espuma. Vigilar los
34
UNrvERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
filtros y enfriadores. El aceite sucio debe ser pclrificado y la cantidad que se pierde
debe ser restituida.
3. Si en cualquier momento, la turbina tiene que pararse por sobrecalentamiento de
los cojinetes, debe dejarse correr a poca velocidad hasta que se enfiíen un poco
evitando que el metal antifricción se funda con el metal del eje del rotor.
4. El tanque de aceite debe estar todo el tiempo bien ventilado para eliminar los
vapores húmedos que ocasionan corrosión en todas las partes en contacto con el
aceite. Algunas instalaciones tienen un pequeño ventilador que forza aire dentro
del tanque y los vapores salen por un RESPIRADERO en el lado opuesto.
5. El vapor a los sellos u obturadores debe estar regulado para que siempre exista un
pequeño escape por las chimeneas correspondientes. Normalmente a cargas bajas
el vapor que toma de la línea principal de vapor, a cargas altas, el vapor de los
sellos de alta presión pasa a los de baja presión con el fin de economizar vapor.
6. Es recomendable nunca aplicar grandes cargas a la turbina en forma repentina,
pues esto puede ocasionar arrastres de agua de la caldera con el consiguiente daño
a la turbina, en virtud del golpe de ariete sobre las paletas, o bien se oxidan.
7. Las turbinas están diseñadas para que trabajen suavemente y sin vibraciones.
Cualquier vibración debe ser inmediatamente investigada. Si una turbina empieza
a vibrar y al mismo tiempo se escuchan ruidos sordos, indudablemente se están
produciendo arrastres de agua o alguna materia extraña se ha introducido a la
envolvente, en este caso debe accionarse inmediatamente el disparador de
emergencia. Cuando después de esos ruidos se escuchan otros metálicos, debe
,. . .
35
c3p9mJ'1yyI UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLEANA R EDUARDO I'ILLEOS MONTES DE OCA
suponerse que parte del empaletado ha sido dañado y la turbina tendrá que abrirse
e inspeccionarse antes de intentar poner la nuevamente en servicio.
8. Las vibraciones en las turbinas pueden ser originadas por otras causas, tales como:
a). Alineamiento incorrecto entre la turbina y el generador.
b). Desgaste de los cojinetes o que estén sueltos en s u alojamiento, en este caso se
notará un considerable aumento de la temperatura, rozamiento en las partes
interiores, etc.
9. Observar que los reguladores trabajen suavemente y que co existan fugas de aceite
en sus diferentes partes. Verificar la velocidad constantemente observando el
taquímetro.
10. Resulta peligroso alterar la tensión de resortes o modificar el ajuste de cualquier
parte del regulador de velocidad y emergencia.
1 1 . Los accidentes de las turbinas se deben generalmente a cualquiera de las
siguientes causas:
a) Fallas en el suministro de aceite de lubricación.
b) Exceso de velocidad debido a que el regulador de emergencia no trabaja
correctamente o est6 mal ajustado.
c) Rotura del empaletado debido a fatiga del material o que se trabaje a
temperatura y presión que no estén de acuerdo con el diseño.
d) Rotura del empaletado por arrastres de agua o materias extrañas que se
introduzcan a la turbina,
e) Puesta en marcha de una turbina que no ha sido calentada correctamente y tiene
36
sa5pwrJw U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLnANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OC4
su rotor deformado.
Aunque algunas de estas causas indican que pueden ser defectos de diseño o
constmcci6n, debe suponerse como poco probables. La mayoría de ellas pueden
evitarse manteniendo una buena vigilancia durante la operación de la unidad.
4.2.2 CONDENSADOR.
1. Es importante vigilar constantemente las siguientes temperaturas: entrada y salida
del agua de circulación, tanto en el condensador como en el enfriador de aceite,
agua condensada en el depósito del condensador y en los condensadores del
sistema de eyectores, las siguientes presiones: vapor a los eyectores, vacío del
condensador, aspiración y descarga de las bombas de condensado y de circulación,
diferencia de presión entre la entrada y salida del condensador, descarga de los
eyectores.
2. Es importante mantener el vacío del condensador lo más alto posible. Las causas
más frecuentes de pérdida de vacío son:
a) Excesiva entrada de aire, por sellos, juntas, válvulas o bomba de condensado
b) Funcionamiento incorrecto de los eyectores
c) Nivel incorrecto del agua condensada en el condensador.
d) Insuficiente flujo de agua de circulación.
e) Alta temperatura del agua de circulación.
f) Tubos sucios del condensador.
3. Las causas de pérdida de vacío y las maneras de evitarlas nos resumen en sí los
UNIVERSJDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
37
cuidados de operación de los condensadores.
4. Para evitar filtraciones de aire, manténgase bien regulados los sellos, la válvula de
alivio de descarga a la atmósfera deberá tener constantemente agua en sus sellos y
vigilar constantemente todas las juntas del conderlsador y sus auxiliares,
5. Regular la presión de vapor a los eyectores para la carga actual y vigilar el escape
de los gases por el respiradero de su condensador.
6. El nivel de agua condensada en el condensador debe mantenerse en constante
vigilancia, para esto el depósito de agua tiene un nivel exterior. Debe recordarse
que un nivel excesivo no solamente ocasiona pérdidas de vacío sino puede hasta
causar daños a la turbina. Vigílese el funcionamiento de la bomba.
7. El flujo del agua de circulación debe ser apropiado. Para esto vigílese el
funcionamiento de la bomba, manténgase limpio todo el sistema; tubería, cedazos,
rejillas, etc.
8. Los condensadores deben limpiarse interiormente periódicamente.
9. La pureza del condensado debe verificarse con regularidad con los medidores de
conductividad instalados en la línea de condensado (Micromax). Estos aparatos
nos pueden indicar cualquier fuga en los tubos del condensador.
10. Con respecto a los eyectores, aunque hemos dicho que necesitan poca atención
durante su operación, las siguientes causas pueden investigarse si se nota que no
trabajan satisfactoriamente.
a) Insuficiente agua de enfiiamiento a sus condensadores.
b) Toberas obstruidas.
38
wmdrulw U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R. EDUARDO WLLEGAS MONTES DE OCA
c) Condensadores inundados
d) Baja presión del vapor.
e) Presión excesiva de contradescarga.
4.2.3 BOMBAS CENTRIFUGAS
Tanto la bomba de condensado como la bomba de circulación son del tipo centrifugo.
En las plantas, estas bombas están movidas por motores eléctricos de velocidad
constante. Es importante recordar que en este tipo de bombas, cualquier variación en
la velocidad produce variaciones tanto en la capacidad, presión de descarga, como en
su potencia. Las dificultades más comunes que pueden presentarse en una bomba
centrífuga y sus causas, las enumeramos a continuación.
4.2.3.1 FALLAS EN EL SUMINISTRO DE AGUA.
Esto puede deberse a que la bomba no ha sido cebada; poca velocidad; entrada de aire
en la tubería de succión; alta contrapresión en la descarga; impulsor obstruido o roto;
dirección de rotación invertida, o aspiración de más de cinco metros.
4.2.3.2 INSUFICIENTE CAPACIDAD
Filtraciones de aire en la succión; poca velocidad; impulsor parcialmente obstruido;
desgaste en algunas de las piezas de la bomba; válvula de alivio mal cerrada o mal
ajustada; tubería de aspiración de diámetro pequeño; aspiración de más de cinco
metros.
4.2.3.3 PRESION DE DESCARGA BAJA.
Baja velocidad; aire en el agua; defectos mecánicos tales como: impulsor daiíado,
empaques gastados, etc.,
39
"."
U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUAlWO M U G A S MONTES DE OCA
4.2.3.4 EL MOTOR SE CALIENTA.
Velocidad excesiva; carga menor que la de régimen; defectos mecánicos; bombeando
demasiada agua.
4.2.3.5 VIBRACIONES EN LA BOMBA
Alineamiento incorrecto; impulsor parcialmente obstruido, defectos mecánicos tales
como: eje flexionado, desgaste de partes internas, evaporación en la aspiración, este
caso se presenta cuando se descuida la temperatura del agua, principalmente en el
caso de la bomba de condensado.
Las bombas centrifugas son mecánicamente bastante sencillas, pero si operan
incorrectamente se dañan fácilmente. Es conveniente recordar lo siguiente:
1. Verificar el depósito de aceite antes de ponerla en marcha y con cierta frecuencia
durante !a operación.
2. Purgar el aire que se acumula en la envolvente de la bomba durante el arranque.
3. Nunca debe cerrarse la válvula o válvulas en la tubería de aspiración de bomba
centrifuga.
4. Las válvulas en la descarga pueden estrangularse hasta ciertos límites, pero nunca
cerrarse completamente a menos que exista una tubería de retorno o recirculación
abierta.
5. Los prensaestopas no deben apretarse demasiado y los empaque. deben cambiarse
con fiecuencia para que no se endurezcan y rayen los eje. Siempre debe existir una
ligera fuga de agua a través de estos empaques para lubricarlos y enfriarlos
6 . Vigilar con frecuencia la presi6n de admisión y descarga. Investigar cualquier
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40
vibración o ruido anormal de la bomba.
4.3 PARO DEL TURBOGENERADOR.
El procedimiento general para poner fiera de servicio un turbogenerador se describe
a continuación, pero repetimos que en todo caso debe modificarse de acuerdo a la
instalación en particular y a las instrucciones del superintendente de la planta:
1. Se reduce gradualmente la carga de la turbina, según los dispositivos que tenga
instalados, hasta que el alternador queda desconectado completamente de las
barras (bus).
2. En caso de que !a turbina tenga extracciones, cierre sus válvulas y ponga fuera de
servicio los obturadores. Naturalmente que en la planta puede haber otras unidades
que suministren vapor a los mismos.
3. Corte el suministro de vapor a la máquina. Es recomendable probar el disparador
de emergencia utilizándolo para cerrar la alimentación de vapor.
4. Arranque la bomba auxiliar de lubricación en cuanto note que la velocidad de la
turbina empieza a disminuir y por lo tanto la presión del aceite comienza a bajar.
5. Cierre el vapor a los eyectores.
6 . Pare la bomba de condensado.
7. Después de que la turbina ha dejado de girar y antes de que el vacío se pierda por
completo cierre el vapor a los sellos
8. Cierre las válvulas de agua a los enfiiadores de aceite.
9. Abra todas las válvulas de purga de la envolvente y de la línea principal de vapor.
10. Pare la bomba de circulación después de 30 minutos de haber parado la turbina.
41
fsw"w UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO ML.LEGAS MONTES DE OCA
1 1 . Manténgase !a bomba auxiliar de lubricación trabajando hasta que se enfiíen los
cojinetes. (20 a 30 minutos).
Capítulo 5
Caminante no hay camino Se hace camino al andar y al volver la vista atrás,
Se ha de ver el sendero que no se volvera a pisar
U N I V E R S I D A D AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO VILLEGAS MONTES DE OCA
43
5.1 DATOS DE SITIO
TURBINAS DE VAPOR. ( contrapresih )
Ubicación. Ciudad Madero Tamculipas.
Presión atmosférica. 759 mm de Hg nbsolutas a nivel del mar
Humedad Promedio del aire. 90%
Temperatura promedio del medio ambiente. 27°C
Temperatura mínima promedio anual. 24.2" C
Temperatura promedio de bulbo húmedo anual. 21.7"C
Temperatura de bulbo húmedo máxima. 31. I "C
Temperatura de bulbo húmedo mínima. 6.7"C
Promedio del mes caliente. 36°C
Promedio del mes frío. 27°C
Marca de la turbina. SIEMENS
Bomba de suministro al generador de vapor. Presión de 85.03164 Kp /cm2 y a una temperatura de
104 "C
Bomba I. Presión 3.031 64 Kp/ cm2 a una temperatura de I34 "C
Bomba 2. Presión IO. O3164 Kp/ cm2 a una temperatura de I IO "C
Agua de refrigeracibn.
Presión de suministro del agua de refrigeración (4.03 I64 Kp/ cm? y a una temperatura de 32 "C
Fietorno a proceso del agua de refi-igerauón a una presión (3.03 I64 k)d cm? y a una temperatura de 4 I "C
Observacibn. Se aplicara para todos los módulos l a s condiciones del agua de refrigeración.
Tipo de condensador. De superficie
Modulo 1. Entrada&vaporala~~altapresi6n61.03164Kplcm2absyunatemperaana&480"C
Salida de vapor (desoarga) 20.03 164 Kp/cm* abs y una temperatura de 275°C
44
c)Salida&vapora453164kp'a2yuna~de 148°C
45
CONCLUSIONES
Cuando llegues alfinal a% lo que debes saber, Estarás al principio de lo que debes sentir
( Gibran Jalil Gibran )
46
UNIvERS[DAD AUTONOMA METROPOLITANA R EDUARDO MLLEGAS MONTES DE OCA
Debe recalcarse que el principio de conservación de la energía exige que el trabajo
neto desarrollado por un ciclo de potencia sea igual al calor neto intercambiado. Una
deducción importante del segundo principio es que e1 rendimiento, que indica qué
cantidad de calor absorbido se transforma en trabajo neto obtenido, debe ser inferior
al 100%. Por otra parte una reducción de las irreversibilidades conduce a una mejora
de la eficiencia termodinámica. Por lo cual vamos a considerar las irreversibilidades
y perdidas experimentadas por el fluido de trabajo que circula a través del circuito
cerrado del diagrama de cogeneración.
Irreversibilidades
o La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo esta asociada
con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina
representa una perdida, pero, es normalmente de importancia secundaria, una
expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de
entropía. El trabajo desarrollado por unidad de masa en este proceso es menor que
el correspondiente a la expansión isoentropica. Con los datos de sitio del proceso
es obvio ver que el fluido no tiene un comportamiento isoentropico.
o El trabajo requerido por la bomba, para vencer los efectos de rozamientos,
tambidn reduce el trabajo neto producido por la planta. En ausencia de
transferencia de calor con el ambiente, la entropía crece a través de la bomba. El
trabajo necesario para este proceso es mayor que para el correspondiente proceso
isoentropico.
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47
Perdidas
0 Los efectos del rozamiento que provocan caídas de presión en el fluido de trabajo
son las fuentes de irreversibilidades que actúan en la caldera, el condensador, y
las tuberías que conectan diversos equipos.
0 Otro efecto negativo que ocurre en el entorno es la descarga de energía al agua de
refrigeración durante la condensación del fluido de trabajo. A pesar de la gran
cantidad de energía que retira el agua de refrigeración, su utilidad es limitada.
Para nuestro caso el condensador condensa a una temperatura cercana a la del
ambiente por lo tanto el agua de refrigeración experimenta una temperatura de
sólo unos pocos grados por encima de la temperatura ambiente teniendo pues una
utilidad limitada.
0 La temperatura del fluido de trabajo que sale del condensador está a una
temperatura más baja que la temperatura de condensación correspondiente a la
presión del condensador. Esto es una desventaja ya que se requiere una mayor
cantidad de calor en la caldera para llevar el agua hasta vapor sobrecalentado.
48
BIBLIOGMFÍA
El hombre de bien no puede sufiir afientas y , el hombre de valor no puede hacerlas
m 49
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLlTAh’A R EDUARDO WL.l..EGAS MONTES DE OCA
l . Bahr Hugo 1969 . La escuela del técnico mecánico; tomo VII, Calderas maquinas
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México. CECSA
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6. Resnick Robert. 1997. Física (cuarta edición) México CECSA
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9. Manual de operación. 1992, Tomo I. Conceptos fundamentales y operacionales de
sistemas de energía eléctrica. Comisión Federal de Electricidad( Subdirección de
producción).
APENDICE
“A”
RESULTADOS
Modulo 1.
Modulo 4. Turbina c o n un sangrado y a condensación.
Modulo 5. Turbina con dos sangrados y a condensaci6n
masa de masa de refrigerante I Rendimineto
Nota: El apkndice sólo reporta el resultado de tres modulos, sí desea conocer el resultado de cada uno de los modulos y/o ampliar la información utilice el programa disefiado especialmente para automatizar el proceso.
52
APENDICE
l.
2.
S. 4.
5.
6.
7.
S.
Conjunto de la vllvuln de admisi6a.
Anllfo de lu tobcror (pri- mer trcalonamicntol.
A a t m fijcw. soporte. Rodete (primer txalonn-
Conjunto dc la vUvula de
Evncuacl6n fuga3 vPlvulas
Coojunto de la vUvula de
C u c a u de In turbina (nd-
micnto).
rxtr~~ccidn.
dc crtraccidn.
cx t rnd6n.
misibn).
O.
I O.
11. 12.
I S. 14. 15. 1 e. I 7
1 H. 1 O.
Cnrcnm de In t ~ ~ r b l n n (CJ -
Diafraqmn .(illtimo cscalo-
V-Alvu~a ccntincla. Rodete (ultimo escalona-
Prcnsacstopaq. Scpnrador de aceite.
Cojinctc. Sivcl de aceite (indicador).
Tubo de acei te para cnyra-
Acoplnrpicnto. Cojinete de In mAquinn
cotlducldo.
CPPC).
namicnto).
miento).
snr el acoplomicnto.
, 20. Y L .
Vaclndo ( t u l w h ) , Evncuncibn hnciu cl prc-.
dor. nncstofias del coadcn?>-
Juntn tstopndn. Estopnda del dinfregma. Pnntalia parn el vapor. Concxi6n para In evacua-
ci6n y juntas.
L'U. Apo)o. 27. Cnrcnw de 1n Immhn de
28. Carcasu del rcgulu:lor. 20. Acoplnrnlenlo pnrn I R bom-
ba y rcgulndor. 30. Regulador parn e1 caso dc
vtlocidndcs exccsivnr (cmbulnrnlcnto).
n x i t e .
20 21 22
F I G . 150. Turpina con
5 4
1 3 2 1
34 33 32 31 30 29 28