Una turbina ( / ˈtɜːrbɪn / o / ˈtɜːrbɪn / ) ( del griego τύρβη , tyrbē , o del latín turbo , que significa vórtice ) [ 1] [2] es un dispositivo mecánico rotatorio que extrae energía de un flujo de fluido y la convierte en trabajo útil . El trabajo producido se puede utilizar para generar energía eléctrica cuando se combina con un generador . [3] Una turbina es una turbomáquina con al menos una parte móvil llamada conjunto de rotor, que es un eje o tambor con álabes unidos . El fluido en movimiento actúa sobre los álabes para que se muevan e impartan energía rotacional al rotor.
Las turbinas de gas , vapor y agua tienen una carcasa alrededor de las aspas que contiene y controla el fluido de trabajo.
La palabra "turbina" fue acuñada en 1822 por el ingeniero de minas francés Claude Burdin a partir del griego τύρβη , tyrbē , que significa " vórtice " o "remolino". Benoit Fourneyron , un ex alumno de Claude Burdin, construyó la primera turbina hidráulica práctica. El crédito por la invención de la turbina de vapor se le da tanto al ingeniero anglo-irlandés Sir Charles Parsons (1854-1931) por la invención de la turbina de reacción, como al ingeniero sueco Gustaf de Laval (1845-1913) por la invención de la turbina de impulso. Las turbinas de vapor modernas emplean con frecuencia tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, típicamente variando el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia.
La palabra "turbina" fue acuñada en 1822 por el ingeniero de minas francés Claude Burdin a partir del griego τύρβη , tyrbē , que significa " vórtice " o "remolino", en un memorando, "Des turbinas hidráulicas o máquinas rotatorias de grande velocidad", que presentó a la Academia Real de Ciencias de París. [4] Sin embargo, no fue hasta 1824 que un comité de la Academia (compuesto por Prony, Dupin y Girard) informó favorablemente sobre el memorando de Burdin. [5] Benoit Fourneyron , un ex alumno de Claude Burdin, construyó la primera turbina hidráulica práctica.
El mérito de la invención de la turbina de vapor se atribuye tanto al ingeniero angloirlandés Sir Charles Parsons (1854-1931), por la invención de la turbina de reacción, como al ingeniero sueco Gustaf de Laval (1845-1913), por la invención de la turbina de impulso.
Teoría del funcionamiento
Esquema de turbinas de impulso y reacción, donde el rotor es la parte giratoria y el estator es la parte estacionaria de la máquina.
Las turbinas de impulso cambian la dirección del flujo de un chorro de gas o fluido a alta velocidad. El impulso resultante hace girar la turbina y deja el flujo de fluido con energía cinética disminuida. No hay cambio de presión del fluido o gas en las aspas de la turbina (las aspas móviles), como en el caso de una turbina de vapor o de gas, toda la caída de presión tiene lugar en las aspas estacionarias (las toberas). Antes de llegar a la turbina, la carga de presión del fluido se cambia a carga de velocidad al acelerar el fluido con una tobera . Las ruedas Pelton y las turbinas de Laval utilizan este proceso exclusivamente. Las turbinas de impulso no requieren una carcasa de presión alrededor del rotor ya que el chorro de fluido es creado por la tobera antes de llegar a las aspas del rotor. La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía para las turbinas de impulso. Las turbinas de impulso son más eficientes para su uso en casos en los que el flujo es bajo y la presión de entrada es alta. [3]
Las turbinas de reacción desarrollan par al reaccionar a la presión o masa del gas o fluido. La presión del gas o fluido cambia a medida que pasa a través de las palas del rotor de la turbina. [3] Se necesita una carcasa de presión para contener el fluido de trabajo mientras actúa sobre la(s) etapa(s) de la turbina o la turbina debe estar completamente sumergida en el flujo de fluido (como en el caso de las turbinas eólicas). La carcasa contiene y dirige el fluido de trabajo y, en el caso de las turbinas de agua, mantiene la succión impartida por el tubo de aspiración . Las turbinas Francis y la mayoría de las turbinas de vapor utilizan este concepto. En el caso de los fluidos de trabajo compresibles, se suelen utilizar varias etapas de turbina para aprovechar el gas en expansión de manera eficiente. La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía para las turbinas de reacción. Las turbinas de reacción son más adecuadas para velocidades de flujo más altas o aplicaciones en las que la carga del fluido (presión ascendente) es baja. [3]
En el caso de las turbinas de vapor, como las que se utilizan en aplicaciones marinas o para la generación de electricidad en tierra, una turbina de reacción de tipo Parsons requeriría aproximadamente el doble de filas de álabes que una turbina de impulso de tipo De Laval para el mismo grado de conversión de energía térmica. Si bien esto hace que la turbina Parsons sea mucho más larga y pesada, la eficiencia general de una turbina de reacción es ligeramente superior a la de una turbina de impulso equivalente para la misma conversión de energía térmica.
En la práctica, los diseños de turbinas modernas utilizan conceptos de reacción e impulso en distintos grados siempre que sea posible. Las turbinas eólicas utilizan un perfil aerodinámico para generar una sustentación de reacción a partir del fluido en movimiento y transmitirla al rotor. Las turbinas eólicas también obtienen algo de energía del impulso del viento, desviándolo en un ángulo. Las turbinas con múltiples etapas pueden utilizar álabes de reacción o de impulso a alta presión. Las turbinas de vapor tradicionalmente eran más de impulso, pero continúan avanzando hacia diseños de reacción similares a los utilizados en turbinas de gas. A baja presión, el medio de fluido operativo se expande en volumen para pequeñas reducciones de presión. En estas condiciones, los álabes se convierten estrictamente en un diseño de tipo de reacción con la base de la pala únicamente de impulso. La razón se debe al efecto de la velocidad de rotación de cada pala. A medida que aumenta el volumen, aumenta la altura de la pala y la base de la pala gira a una velocidad más lenta en relación con la punta. Este cambio en la velocidad obliga al diseñador a cambiar de impulso en la base a una punta de estilo de reacción alta.
Los métodos clásicos de diseño de turbinas se desarrollaron a mediados del siglo XIX. El análisis vectorial relacionaba el flujo de fluido con la forma y la rotación de la turbina. Al principio, se utilizaban métodos de cálculo gráficos. Las fórmulas para las dimensiones básicas de las piezas de la turbina están bien documentadas y se puede diseñar de forma fiable una máquina de alta eficiencia para cualquier condición de flujo de fluido . Algunos de los cálculos son fórmulas empíricas o de "regla empírica", y otros se basan en la mecánica clásica . Como ocurre con la mayoría de los cálculos de ingeniería, se hicieron suposiciones simplificadoras.
Álabes guía de entrada de la turbina de un turborreactor
Los triángulos de velocidad se pueden utilizar para calcular el rendimiento básico de una etapa de turbina. El gas sale de los álabes guía de la tobera estacionaria de la turbina a una velocidad absoluta V a1 . El rotor gira a una velocidad U . En relación con el rotor, la velocidad del gas cuando incide en la entrada del rotor es V r1 . El gas gira por el rotor y sale, en relación con el rotor, a una velocidad V r2 . Sin embargo, en términos absolutos la velocidad de salida del rotor es V a2 . Los triángulos de velocidad se construyen utilizando estos diversos vectores de velocidad. Los triángulos de velocidad se pueden construir en cualquier sección a través de las palas (por ejemplo: cubo, punta, sección media, etc.) pero generalmente se muestran en el radio medio de la etapa. El rendimiento medio de la etapa se puede calcular a partir de los triángulos de velocidad, en este radio, utilizando la ecuación de Euler :
Por eso:
dónde:
es la caída de entalpía específica a través de la etapa
¿Es la temperatura total de entrada (o de estancamiento) de la turbina?
¿Es la velocidad periférica del rotor de la turbina?
es el cambio en la velocidad del remolino
La relación de presión de la turbina es una función de la eficiencia de la turbina.
El diseño moderno de turbinas permite realizar cálculos más complejos. La dinámica de fluidos computacional prescinde de muchos de los supuestos simplificadores que se utilizan para derivar fórmulas clásicas y el software informático facilita la optimización. Estas herramientas han permitido realizar mejoras constantes en el diseño de turbinas durante los últimos cuarenta años.
La clasificación numérica principal de una turbina es su velocidad específica . Este número describe la velocidad de la turbina en su máxima eficiencia con respecto a la potencia y el caudal. La velocidad específica se deriva para que sea independiente del tamaño de la turbina. Dadas las condiciones del flujo del fluido y la velocidad de salida del eje deseada, se puede calcular la velocidad específica y seleccionar un diseño de turbina adecuado.
La velocidad específica, junto con algunas fórmulas fundamentales, se puede utilizar para escalar de manera confiable un diseño existente de rendimiento conocido a un nuevo tamaño con el rendimiento correspondiente.
El rendimiento fuera de diseño normalmente se muestra como un mapa o una característica de la turbina.
El número de palas en el rotor y el número de álabes en el estator suelen ser dos números primos diferentes para reducir los armónicos y maximizar la frecuencia de paso de las palas. [6]
Tipos
Tres tipos de turbinas hidráulicas: Kaplan (delante), Pelton (en el medio) y Francis (atrás a la izquierda)
Las turbinas de vapor se utilizan para accionar generadores eléctricos en centrales térmicas que utilizan carbón , fueloil o combustible nuclear . En el pasado, se utilizaban para accionar directamente dispositivos mecánicos como las hélices de los barcos (por ejemplo, la Turbinia , la primera lancha a vapor impulsada por turbinas [7] ), pero la mayoría de estas aplicaciones utilizan ahora engranajes reductores o un paso eléctrico intermedio, donde la turbina se utiliza para generar electricidad, que luego alimenta un motor eléctrico conectado a la carga mecánica. La maquinaria turboeléctrica para barcos fue particularmente popular en el período inmediatamente anterior y durante la Segunda Guerra Mundial , principalmente debido a la falta de suficientes instalaciones de tallado de engranajes en los astilleros de Estados Unidos y el Reino Unido.
A los motores de turbina de gas de las aeronaves a veces se los denomina motores de turbina para distinguirlos de los motores de pistón. [8]
Turbina transónica . El flujo de gas en la mayoría de las turbinas empleadas en motores de turbina de gas permanece subsónico durante todo el proceso de expansión. En una turbina transónica, el flujo de gas se vuelve supersónico al salir de los álabes guía de la tobera, aunque las velocidades descendentes normalmente se vuelven subsónicas. Las turbinas transónicas funcionan a una relación de presión más alta de lo normal, pero suelen ser menos eficientes y poco comunes.
Turbinas contrarrotativas . Con turbinas axiales , se puede obtener cierta ventaja de eficiencia si una turbina aguas abajo gira en la dirección opuesta a una unidad aguas arriba. Sin embargo, la complicación puede ser contraproducente. Una turbina de vapor contrarrotativa, generalmente conocida como turbina Ljungström, fue inventada originalmente por el ingeniero sueco Fredrik Ljungström (1875-1964) en Estocolmo, y en asociación con su hermano Birger Ljungström obtuvo una patente en 1894. El diseño es esencialmente una turbina radial de múltiples etapas (o un par de rotores de turbina "anidados") que ofrece una gran eficiencia, una caída de calor cuatro veces mayor por etapa que en la turbina de reacción (Parsons), un diseño extremadamente compacto y el tipo tuvo un éxito particular en las plantas de energía de contrapresión. Sin embargo, al contrario de otros diseños, los grandes volúmenes de vapor se manejan con dificultad y solo una combinación con turbinas de flujo axial (DUREX) permite que la turbina se construya para una potencia superior a ca 50 MW. En aplicaciones marinas, solo se ordenaron alrededor de 50 unidades turboeléctricas (de las cuales un número considerable se vendió finalmente a plantas terrestres) durante 1917-19, y durante 1920-22 se vendieron unas pocas unidades turbomecánicas no muy exitosas. [9] Solo unas pocas plantas marinas turboeléctricas todavía estaban en uso a fines de la década de 1960 (ss Ragne, ss Regin), mientras que la mayoría de las plantas terrestres continúan en uso en 2010.
Turbina sin estator . Las turbinas multietapa tienen un conjunto de álabes de entrada estáticos (es decir, estacionarios) que dirigen el flujo de gas hacia las palas del rotor giratorio. En una turbina sin estator, el flujo de gas que sale de un rotor situado aguas arriba choca contra un rotor situado aguas abajo sin que se encuentre con un conjunto intermedio de álabes del estator (que reorganizan los niveles de energía de presión/velocidad del flujo).
Turbina de cerámica . Las aspas (y álabes) de las turbinas de alta presión convencionales están hechas de aleaciones a base de níquel y suelen utilizar intrincados conductos internos de refrigeración por aire para evitar que el metal se sobrecaliente. En los últimos años, se han fabricado y probado aspas cerámicas experimentales en turbinas de gas, con el objetivo de aumentar las temperaturas de entrada del rotor y/o, posiblemente, eliminar la refrigeración por aire. Las aspas cerámicas son más frágiles que sus homólogas metálicas y conllevan un mayor riesgo de fallo catastrófico de las aspas. Esto ha tendido a limitar su uso en motores a reacción y turbinas de gas a las aspas del estator (estacionarias).
Turbina con ventilador entubado (protegida). Muchas palas de rotor de turbina tienen una protección en la parte superior, que se entrelaza con la de las palas adyacentes, para aumentar la amortiguación y, por lo tanto, reducir el aleteo de las palas. En las grandes turbinas de vapor para generación de electricidad en tierra, la protección se complementa a menudo, especialmente en las palas largas de una turbina de baja presión, con cables de refuerzo. Estos cables pasan a través de orificios perforados en las palas a distancias adecuadas desde la raíz de la pala y, por lo general, se sueldan a las palas en el punto por donde pasan. Los cables de refuerzo reducen el aleteo de las palas en la parte central de las mismas. La introducción de cables de refuerzo reduce sustancialmente los casos de falla de las palas en turbinas grandes o de baja presión.
Turbina propulsora (turbina sin protección). La práctica moderna consiste en eliminar, siempre que sea posible, la protección del rotor, con lo que se reduce la carga centrífuga sobre el álabe y los requisitos de refrigeración.
La turbina Tesla o turbina sin aspas utiliza el efecto de capa límite y no un fluido que incide sobre las aspas como en una turbina convencional.
Turbina Turgo , una forma modificada de la rueda Pelton.
Turbina Tyson , una turbina hidráulica cónica con álabes helicoidales que emergen parcialmente desde el vértice y aumentan gradualmente en dimensión radial y disminuyen en paso a medida que giran en espiral hacia la base del cono.
Aerogenerador . Normalmente, funcionan como una sola etapa sin tobera ni álabes guía entre etapas. Una excepción es el Éolienne Bollée , que tiene un estator y un rotor.
Compuesto de velocidad "Curtis". Curtis combinó la turbina de Laval y Parsons utilizando un conjunto de toberas fijas en la primera etapa o estator y luego una serie de filas de álabes fijos y giratorios, como en Parsons o de Laval, típicamente hasta diez etapas en comparación con hasta cien etapas de un diseño Parsons. La eficiencia general de un diseño Curtis es menor que la de los diseños Parsons o de Laval, pero puede operar satisfactoriamente a través de una gama mucho más amplia de velocidades, incluyendo un funcionamiento exitoso a bajas velocidades y a presiones más bajas, lo que lo hizo ideal para su uso en plantas de energía de barcos. En una disposición Curtis, toda la pérdida de calor en el vapor tiene lugar en la fila de toberas inicial y tanto las filas de álabes móviles posteriores como las filas de álabes estacionarios simplemente cambian la dirección del vapor. El uso de una pequeña sección de un sistema Curtis, normalmente una sección de tobera y dos o tres filas de álabes móviles, se suele denominar "rueda" Curtis y, en esta forma, el Curtis se utilizó ampliamente en el mar como "etapa de gobierno" en muchas turbinas de reacción y de impulso y conjuntos de turbinas. Esta práctica sigue siendo habitual hoy en día en las plantas de vapor marinas. [ cita requerida ]
Impulsión de varias etapas compuestas a presión , o "Rateau", en honor a su inventor francés, Auguste Rateau . El Rateau emplea rotores de impulso simples separados por un diafragma de tobera. El diafragma es esencialmente una pared divisoria en la turbina con una serie de túneles cortados en él, con forma de embudo con el extremo ancho orientado hacia la etapa anterior y el estrecho hacia la siguiente; también están inclinados para dirigir los chorros de vapor hacia el rotor de impulso.
Las turbinas de vapor de mercurio utilizaban mercurio como fluido de trabajo para mejorar la eficiencia de las centrales generadoras alimentadas con combustibles fósiles. Aunque se construyeron algunas centrales eléctricas con turbinas de vapor convencionales y de vapor de mercurio combinados, la toxicidad del mercurio metálico se hizo evidente rápidamente.
Las turbinas de gas tienen densidades de potencia muy altas (es decir, la relación entre potencia y masa, o potencia y volumen) porque funcionan a velocidades muy altas. Los motores principales del transbordador espacial usaban turbobombas (máquinas que consisten en una bomba impulsada por un motor de turbina) para introducir los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) en la cámara de combustión del motor. La turbobomba de hidrógeno líquido es ligeramente más grande que un motor de automóvil (pesa aproximadamente 700 libras) y la turbina produce casi 70.000 caballos de fuerza (52,2 MW ).
Los turboexpansores se utilizan para refrigeración en procesos industriales.
^ abcd Munson, Bruce Roy, TH Okiishi y Wade W. Huebsch. "Turbomáquinas". Fundamentos de mecánica de fluidos. 6.ª ed. Hoboken, NJ: J. Wiley & Sons, 2009. Impreso.
^ Annales de chimie et de physique, vol. 21, página 183 (1822)
^ "Rapport sur le mémoire de M. Burdin intitulé: Des turbinas hidráulicas ou máquinas rotatoires à grande vitesse" (Informe sobre la nota del Sr. Burdin titulada: Turbinas hidráulicas o máquinas rotativas de alta velocidad), Annales de chimie et de physique, vol. 26, páginas 207-217. Prony y Girard (1824)
^
Tim J Carter. "Fallos comunes en álabes de turbinas de gas". 2004. pág. 244-245.
^ Adrian Osler (octubre de 1981). "Turbinia" (PDF) . (Folleto patrocinado por ASME para conmemorar la designación de Turbinia como un hito internacional de ingeniería) . Museos del Consejo del Condado de Tyne And Wear. Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2011. Consultado el 13 de abril de 2011 .
^ Wragg, David W. (1973). Diccionario de aviación (primera edición). Osprey. pág. 267. ISBN9780850451634.
^ Ingvar Jung, 1979, La historia de la turbina marina, parte 1, Instituto Real de Tecnología, Estocolmo, departamento de Historia de la tecnología
Lectura adicional
Layton, Edwin T. "De la regla empírica a la ingeniería científica: James B. Francis y la invención de la turbina Francis", NLA Monograph Series. Stony Brook, NY: Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Nueva York, 1992.
Enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Turbinas (componente de turbomáquina) .
