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Turbina

Una turbina de vapor con la caja abierta.
Zumbido de una pequeña turbina neumática utilizada en una lámpara de seguridad alemana de la década de 1940

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.

Historia

Herón de Alejandría demostró el principio de la turbina en una eolípila en el siglo I d.C. y Vitruvio las mencionó alrededor del 70 a.C.

Los primeros ejemplos de turbinas son los molinos de viento y las ruedas hidráulicas .

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.

Un fluido de trabajo contiene energía potencial ( carga de presión ) y energía cinética (carga de velocidad). El fluido puede ser compresible o incompresible . Las turbinas emplean varios principios físicos para recolectar esta energía:

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)

Usos

Una gran proporción de la energía eléctrica mundial se genera mediante turbogeneradores .

Las turbinas se utilizan en motores de turbina de gas en tierra, mar y aire.

Los turbocompresores se utilizan en motores de pistón.

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.

Véase también

Notas

  1. ^ "turbina"."turbio". Diccionario Etimológico Online .
  2. ^ τύρβη. Liddell, Henry George ; Scott, Robert ; Un léxico griego-inglés en el Proyecto Perseo .
  3. ^ 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.
  4. ^ Annales de chimie et de physique, vol. 21, página 183 (1822)
  5. ^ "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)
  6. ^ Tim J Carter. "Fallos comunes en álabes de turbinas de gas". 2004. pág. 244-245.
  7. ^ 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 .
  8. ^ Wragg, David W. (1973). Diccionario de aviación (primera edición). Osprey. pág. 267. ISBN 9780850451634.
  9. ^ Ingvar Jung, 1979, La historia de la turbina marina, parte 1, Instituto Real de Tecnología, Estocolmo, departamento de Historia de la tecnología

Lectura adicional

Enlaces externos