Una turbina ( / ˈ t ɜːr b aɪ n / o / ˈ t ɜːr b ɪ n / ) (del griego τύρβη , tyrbē o latín turbo , que significa vórtice ) [1] [2] es un dispositivo mecánico giratorio que extrae energía de un flujo de fluido y lo 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 palas adheridas. El fluido en movimiento actúa sobre las palas para que se muevan e impartan energía de rotación al rotor. Los primeros ejemplos de turbinas son los molinos de viento y las ruedas hidráulicas .
Las turbinas de gas , vapor y agua tienen una carcasa alrededor de las palas que contiene y controla el fluido de trabajo. 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. Las turbinas de vapor modernas emplean frecuentemente reacción e impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz del álabe hasta su periferia. Héroe de Alejandría demostró el principio de la turbina en una eólípila en el siglo I d.C. y Vitruvio los mencionó alrededor del 70 a.C.
La palabra "turbina" fue acuñada en 1822 por el ingeniero de minas francés Claude Burdin del griego τύρβη , tyrbē , que significa " vórtice " o "giro", en un memorando, "Des turbinas hidráulicas ou máquinas rotatoires à grande vitesse", que él presentado a la Académie royale des sciences de París. [4] Benoit Fourneyron , antiguo alumno de Claude Burdin, construye la primera turbina hidráulica práctica.
Las turbinas de impulso cambian la dirección del flujo de un fluido o chorro de gas 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 palas de la turbina (las palas móviles), como en el caso de una turbina de vapor o de gas, toda la caída de presión tiene lugar en las palas estacionarias (las boquillas). Antes de llegar a la turbina, la carga de presión del fluido se cambia a carga de velocidad acelerando el fluido con una boquilla . Las ruedas Pelton y las turbinas De Laval utilizan exclusivamente este proceso. Las turbinas de impulso no requieren una ventana de presión alrededor del rotor, ya que la boquilla crea el chorro de fluido antes de llegar a las palas del rotor. La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía en turbinas de impulso. Las turbinas de impulso son más eficientes para su uso en casos donde el flujo es bajo y la presión de entrada es alta. [3]
Las turbinas de reacción desarrollan torque 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 ventana de presión para contener el fluido de trabajo mientras actúa sobre las etapas de la turbina o la turbina debe estar completamente sumergida en el flujo de fluido (como en las turbinas eólicas). La carcasa contiene y dirige el fluido de trabajo y, en el caso de las turbinas hidráulicas, mantiene la succión impartida por el tubo de aspiración . Las turbinas Francis y la mayoría de las turbinas de vapor utilizan este concepto. Para los fluidos de trabajo comprimibles, generalmente se utilizan múltiples etapas de turbina para aprovechar el gas en expansión de manera eficiente. La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de reacción. Las turbinas de reacción son más adecuadas para velocidades de flujo más altas o aplicaciones donde la altura del fluido (presión aguas arriba) es baja. [3]
En el caso de las turbinas de vapor, como las que se utilizarían para aplicaciones marinas o para la generación de electricidad en tierra, una turbina de reacción tipo Parsons requeriría aproximadamente el doble de filas de palas que una turbina de impulso 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 mayor que la de la turbina de impulso equivalente para la misma conversión de energía térmica.
En la práctica, los diseños de turbinas modernas utilizan conceptos tanto de reacción como de impulso en distintos grados siempre que sea posible. Las turbinas eólicas utilizan un perfil aerodinámico para generar una elevación de reacción a partir del fluido en movimiento e impartirla al rotor. Las turbinas eólicas también obtienen algo de energía del impulso del viento, desviándolo en ángulo. Las turbinas con múltiples etapas pueden utilizar palas 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 las turbinas de gas. A baja presión, el medio fluido operativo se expande en volumen para pequeñas reducciones de presión. En estas condiciones, el uso de palas se convierte estrictamente en un diseño de tipo reacción con la base de la pala únicamente por 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 hoja y la base de la hoja gira a una velocidad más lenta en relación con la punta. Este cambio en la velocidad obliga al diseñador a cambiar del impulso en la base a una punta de alta reacción.
Los métodos clásicos de diseño de turbinas se desarrollaron a mediados del siglo XIX. El análisis vectorial relacionó el flujo de fluido con la forma y rotación de la turbina. Al principio se utilizaron métodos de cálculo gráficos. Las fórmulas para las dimensiones básicas de las piezas de la turbina están bien documentadas y se puede diseñar de manera confiable una máquina altamente eficiente para cualquier condición de flujo de fluido . Algunos de los cálculos son fórmulas empíricas o de "regla general", 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 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 las paletas guía de la tobera de la turbina estacionaria a una velocidad absoluta Va1 . El rotor gira a una velocidad U. En relación con el rotor, la velocidad del gas cuando incide en la entrada del rotor es Vr1 . El rotor hace girar el gas y sale, con respecto al rotor, a una velocidad Vr2 . Sin embargo, en términos absolutos la velocidad de salida del rotor es Va2 . Los triángulos de velocidad se construyen utilizando estos diversos vectores de velocidad. Los triángulos de velocidad se pueden construir en cualquier sección del álabe (por ejemplo: cubo, punta, sección media, etc.), pero generalmente se muestran en el radio medio de la etapa. El rendimiento medio del escenario 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 lo largo del escenario
es la temperatura total (o de estancamiento) de entrada a 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 función de la eficiencia de la turbina.
El diseño moderno de turbinas lleva los cálculos más allá. La dinámica de fluidos computacional prescinde de muchas de las suposiciones simplificadoras utilizadas para derivar fórmulas clásicas y el software informático facilita la optimización. Estas herramientas han conducido a mejoras constantes en el diseño de turbinas durante los últimos cuarenta años.
La principal clasificación numérica 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 de flujo de fluido y la velocidad de salida del eje deseada, se puede calcular la velocidad específica y seleccionar un diseño de turbina apropiado.
La velocidad específica, junto con algunas fórmulas fundamentales, se pueden 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 característica de la turbina.
El número de palas en el rotor y el número de palas en el estator son a menudo dos números primos diferentes para reducir los armónicos y maximizar la frecuencia de paso de las palas. [5]
Tipos
Las turbinas de vapor se utilizan para accionar generadores eléctricos en centrales térmicas que utilizan carbón , fueloil o combustible nuclear . Alguna vez se utilizaron para accionar directamente dispositivos mecánicos como las hélices de los barcos (por ejemplo, el Turbinia , la primera lancha de vapor propulsada por turbina [6] ), pero la mayoría de estas aplicaciones ahora utilizan engranajes reductores o un paso eléctrico intermedio, donde la turbina está Se utiliza para generar electricidad, que luego alimenta un motor eléctrico conectado a la carga mecánica. La maquinaria naval turboeléctrica fue particularmente popular en el período inmediatamente anterior y durante la Segunda Guerra Mundial , principalmente debido a la falta de suficientes instalaciones de corte de engranajes en los astilleros de EE. UU. y el Reino Unido.
Los motores de turbina de gas de los aviones a veces se denominan motores de turbina para distinguir entre motores de pistón. [7]
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 cuando sale de las paletas guía de la tobera, aunque las velocidades aguas abajo normalmente se vuelven subsónicas. Las turbinas transónicas funcionan con una relación de presión más alta de lo normal, pero suelen ser menos eficientes y poco comunes.
Turbinas contrarrotativas . Con las turbinas axiales , se puede obtener cierta ventaja de eficiencia si una turbina aguas abajo gira en dirección opuesta a una unidad aguas arriba. Sin embargo, la complicación puede ser contraproducente. Una turbina de vapor contrarrotante, 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 centrales eléctricas de contrapresión. . Sin embargo, a diferencia de otros diseños, los grandes volúmenes de vapor se manejan con dificultad y sólo una combinación con turbinas de flujo axial (DUREX) permite construir la turbina para una potencia superior a aproximadamente 50 MW. En aplicaciones marinas sólo se encargaron unas 50 unidades turboeléctricas (de las cuales una cantidad considerable se vendió finalmente a plantas terrestres) durante 1917-19, y durante 1920-22 se vendieron algunas unidades turbomecánicas que no tuvieron mucho éxito. [8] Sólo unas pocas plantas marinas turboeléctricas todavía estaban en uso a finales de la década de 1960 (ss Ragne, ss Regin), mientras que la mayoría de las plantas terrestres siguen en uso en 2010.
Turbina sin estator . Las turbinas de etapas múltiples tienen un conjunto de paletas guía de entrada estáticas (es decir, estacionarias) 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 aguas arriba incide sobre un rotor aguas abajo sin que se encuentre un conjunto intermedio de paletas del estator (que reorganizan los niveles de energía de presión/velocidad del flujo).
Turbina cerámica . Las palas (y paletas) de las turbinas de alta presión convencionales están hechas de aleaciones a base de níquel y, a menudo, utilizan intrincados conductos internos de refrigeración por aire para evitar que el metal se sobrecaliente. En los últimos años, se han fabricado y probado palas cerámicas experimentales en turbinas de gas, con miras a aumentar las temperaturas de entrada del rotor y/o, posiblemente, eliminar la refrigeración por aire. Las hojas de cerámica son más frágiles que sus contrapartes metálicas y conllevan un mayor riesgo de falla catastrófica. Esto ha tendido a limitar su uso en motores a reacción y turbinas de gas a las palas del estator (estacionarias).
Turbina cubierta . 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 reducir así el aleteo de las palas. En las grandes turbinas de vapor para generación de electricidad terrestres, la cubierta suele complementarse, especialmente en las palas largas de una turbina de baja presión, con cables entrelazados. Estos cables pasan a través de orificios perforados en las palas a distancias adecuadas desde la raíz de las palas y normalmente se sueldan a las palas en el punto por donde pasan. Los alambres entrelazados reducen el aleteo de las palas en la parte central de las mismas. La introducción de cables entrelazados reduce sustancialmente los casos de fallo de las palas en turbinas grandes o de baja presión.
Turbina sin carenado . La práctica moderna es, siempre que sea posible, eliminar la protección del rotor, reduciendo así la carga centrífuga sobre la pala y los requisitos de refrigeración.
La turbina sin palas utiliza el efecto de capa límite y no un fluido que incide sobre las palas como en una turbina convencional.
Tres tipos de turbinas hidráulicas: Kaplan (al frente), Pelton (en el medio) y Francis (atrás a la izquierda)
Turbina Turgo , una forma modificada de la rueda Pelton.
Turbina Tyson , una turbina hidráulica cónica con palas helicoidales que emergen parcialmente hacia abajo desde el vértice y aumentan gradualmente en dimensión radial y disminuyen en paso a medida que giran en espiral hacia la base del cono.
Turbina eólica . Normalmente funcionan como una sola etapa sin boquilla ni paletas guía entre etapas. Una excepción es la Éolienne Bollée , que tiene un estator y un rotor.
Compuesto de velocidad "Curtis". Curtis combinó la turbina de Laval y Parsons usando un conjunto de boquillas fijas en la primera etapa o estator y luego una fila de filas de palas fijas y giratorias, como en Parsons o De Laval, típicamente hasta diez en comparación con hasta cien. Etapas de un diseño de Parsons. La eficiencia general de un diseño de Curtis es menor que la de los diseños de Parsons o de Laval, pero puede operarse satisfactoriamente a través de una gama mucho más amplia de velocidades, incluida la operación exitosa a bajas velocidades y presiones más bajas, lo que lo hizo ideal para uso en motores de barcos. En una disposición Curtis, toda la caída de calor en el vapor tiene lugar en la fila inicial de boquillas y tanto las filas de paletas móviles posteriores como las filas de paletas estacionarias simplemente cambian la dirección del vapor. El uso de una pequeña sección de una disposición Curtis, normalmente una sección de boquilla y dos o tres filas de palas móviles, suele denominarse "Rueda" de Curtis y, de esta forma, la Curtis encontró un uso generalizado en el mar como "etapa de gobierno" en muchas turbinas de reacción e impulso y conjuntos de turbinas. Esta práctica sigue siendo común hoy en día en las plantas de vapor marinas.
Impulso compuesto de presión de varias etapas, o "Rateau", en honor a su inventor francés, Auguste Rateau . El Rateau emplea rotores de impulso simples separados por un diafragma de boquilla. El diafragma es esencialmente una pared divisoria en la turbina con una serie de túneles cortados en él, en forma de embudo con el extremo ancho mirando hacia la etapa anterior y el estrecho hacia la siguiente; también están en ángulo 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 de combustibles fósiles. Aunque algunas centrales eléctricas se construyeron con una combinación de vapor de mercurio y turbinas de vapor convencionales, 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 entre potencia y volumen) porque funcionan a velocidades muy altas. Los motores principales del transbordador espacial utilizaban turbobombas (máquinas que consisten en una bomba impulsada por un motor de turbina) para alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) a la cámara de combustión del motor. La turbobomba de hidrógeno líquido es ligeramente más grande que el motor de un automóvil (pesa aproximadamente 700 libras) y la turbina produce casi 70.000 hp (52,2 MW ).
Los turboexpansores se utilizan para la refrigeración en procesos industriales.
^ abcd Munson, Bruce Roy, TH Okiishi y Wade W. Huebsch. "Turbomáquinas". Fundamentos de la Mecánica de Fluidos. 6ª edición. Hoboken, Nueva Jersey: J. Wiley & Sons, 2009. Imprimir.
^ En 1822, Claude Burdin presentó su memorando "Des turbinas hidráulicas ou máquinas rotatoires à grande vitesse" (Turbinas hidráulicas o máquinas rotativas de alta velocidad) a la Académie royale des sciences de París. (Ver: Annales de chimie et de physique , vol. 21, página 183 (1822).) 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. Véase: Prony y Girard (1824) "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.
^
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 hito internacional de la ingeniería) . Museos del consejo del condado de Tyne y Wear. Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2011 . Consultado el 13 de abril de 2011 .
^ Wragg, David W. (1973). Un diccionario de aviación (primera ed.). Águila pescadora. pag. 267.ISBN _9780850451634.
^ Ingvar Jung, 1979, La historia de la turbina marina, parte 1, Real Instituto de Tecnología, Estocolmo, departamento de Historia de la tecnología
Otras lecturas
Layton, Edwin T. "De la regla general a la ingeniería científica: James B. Francis y la invención de la turbina Francis", Serie de monografías de NLA. Stony Brook, Nueva York: Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Nueva York, 1992.
enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Turbinas (componente de turbomáquina) .
