Una turbina de vapor es una máquina que extrae energía térmica del vapor presurizado y la utiliza para realizar trabajo mecánico en un eje de salida giratorio. Su manifestación moderna fue inventada por Charles Parsons en 1884. [1] [2] La fabricación de una turbina de vapor moderna implica trabajos metálicos avanzados para formar aleaciones de acero de alta calidad en piezas de precisión utilizando tecnologías que estuvieron disponibles por primera vez en el siglo XX; Los continuos avances en durabilidad y eficiencia de las turbinas de vapor siguen siendo fundamentales para la economía energética del siglo XXI.
La turbina de vapor es una forma de motor térmico que obtiene gran parte de su mejora en eficiencia termodinámica del uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, lo que resulta en una aproximación más cercana al proceso de expansión reversible ideal.
Debido a que la turbina genera movimiento giratorio , se puede acoplar a un generador para convertir su movimiento en electricidad. Estos turbogeneradores son el núcleo de las centrales térmicas que pueden funcionar con combustibles fósiles , nucleares , geotérmicos o solares . Aproximadamente el 85% de toda la generación de electricidad en los Estados Unidos en el año 2014 se realizó mediante el uso de turbinas de vapor. [3]
Los desafíos técnicos incluyen desequilibrio del rotor , vibración , desgaste de los cojinetes y expansión desigual (diversas formas de choque térmico ). En instalaciones grandes, incluso la turbina más resistente se destrozará si se acciona sin ajuste.
El primer dispositivo que puede clasificarse como turbina de vapor de reacción fue poco más que un juguete, el clásico Aeolipile , descrito en el siglo I por Héroe de Alejandría en el Egipto romano . [4] [5] En 1551, Taqi al-Din en el Egipto otomano describió una turbina de vapor con la aplicación práctica de hacer girar un asador . Las turbinas de vapor también fueron descritas por el italiano Giovanni Branca (1629) [6] y por John Wilkins en Inglaterra (1648). [7] [8] Los dispositivos descritos por Taqi al-Din y Wilkins se conocen hoy como gatos de vapor . En 1672, Ferdinand Verbiest diseñó un pequeño coche de juguete impulsado por turbina . Un mecánico alemán desconocido produjo una versión más moderna de este automóvil a finales del siglo XVIII. En 1775, en Soho, James Watt diseñó una turbina de reacción que se puso a funcionar allí. [9] En 1807, Polikarp Zalesov diseñó y construyó una turbina de impulso, utilizándola para el funcionamiento de la bomba contra incendios. [10] En 1827 los franceses Real y Pichon patentaron y construyeron una turbina de impulso compuesto. [11]
La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por Charles Parsons , cuyo primer modelo estaba conectado a una dinamo que generaba 7,5 kilovatios (10,1 hp) de electricidad. [12] La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible la electricidad abundante y barata y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval. [13] El diseño de Parsons era del tipo reacción. Su patente fue autorizada y la turbina ampliada poco después por un estadounidense, George Westinghouse . La turbina Parsons también resultó fácil de ampliar. Parsons tuvo la satisfacción de ver su invento adoptado en todas las principales centrales eléctricas del mundo, y el tamaño de los generadores había aumentado desde sus primeros 7,5 kilovatios (10,1 hp) hasta unidades de 50.000 kilovatios (67.000 hp) de capacidad. Durante la vida de Parsons, la capacidad de generación de una unidad se incrementó unas 10.000 veces, [14] y la producción total de los turbogeneradores construidos por su empresa CA Parsons and Company y por sus licenciatarios, sólo para fines terrestres, había superado treinta millones de caballos de fuerza. [12]
Se han desarrollado otras variaciones de turbinas que funcionan eficazmente con vapor. La turbina de Laval (inventada por Gustaf de Laval ) aceleró el vapor a máxima velocidad antes de hacerlo funcionar contra un álabe de turbina. La turbina de impulso de De Laval es más sencilla y menos costosa y no necesita ser resistente a la presión. Puede funcionar con cualquier presión de vapor, pero es considerablemente menos eficiente. [ cita necesaria ] Auguste Rateau desarrolló una turbina de impulso compuesta de presión utilizando el principio de Laval ya en 1896, [15] obtuvo una patente estadounidense en 1903 y aplicó la turbina a un torpedero francés en 1904. Enseñó en la École des Mines de Saint-Étienne durante una década hasta 1897, y posteriormente fundó una exitosa empresa que se incorporó a la firma Alstom tras su muerte. Uno de los fundadores de la teoría moderna de las turbinas de vapor y de gas fue Aurel Stodola , físico e ingeniero eslovaco y profesor en el Instituto Politécnico Suizo (actual ETH ) de Zúrich. Su obra Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (inglés: La turbina de vapor y su posible uso como motor térmico) se publicó en Berlín en 1903. Otro libro, Dampf und Gas-Turbinen (inglés: Turbinas de vapor y gas) se publicó en 1922. [16]
La turbina Brown-Curtis , de tipo impulso, que había sido desarrollada y patentada originalmente por la empresa estadounidense International Curtis Marine Turbine Company, fue desarrollada en el siglo XX en colaboración con John Brown & Company . Se utilizó en buques mercantes y de guerra con motor John Brown, incluidos transatlánticos y buques de guerra de la Royal Navy.
La industria manufacturera actual de turbinas de vapor está formada por las siguientes empresas:
[17] [ necesita actualización ]
Las turbinas de vapor se fabrican en una variedad de tamaños que van desde unidades pequeñas de <0,75 kW (<1 hp) (raras) utilizadas como accionamientos mecánicos para bombas, compresores y otros equipos accionados por eje, hasta turbinas de 1.500 MW (2.000.000 hp) utilizadas para generar electricidad. . Existen varias clasificaciones para las turbinas de vapor modernas.
Las palas de las turbinas son de dos tipos básicos, palas y boquillas . Las palas se mueven enteramente por el impacto del vapor sobre ellas y sus perfiles no convergen. Esto da como resultado una caída de la velocidad del vapor y esencialmente ninguna caída de presión a medida que el vapor se mueve a través de las palas. Una turbina compuesta por palas que se alternan con toberas fijas se denomina turbina de impulso.Turbina Curtis , turbina Rateau o turbina Brown-Curtis. Las boquillas parecen palas, pero sus perfiles convergen cerca de la salida. Esto da como resultado una caída de presión del vapor y un aumento de la velocidad a medida que el vapor se mueve a través de las boquillas. Las boquillas se mueven tanto por el impacto del vapor sobre ellas como por la reacción del vapor a alta velocidad en la salida. Una turbina compuesta por toberas móviles que se alternan con toberas fijas se denomina turbina de reacción o turbina Parsons .
Excepto en aplicaciones de baja potencia, las palas de las turbinas están dispuestas en múltiples etapas en serie, lo que se denomina composición , lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades. [18] Una etapa de reacción es una fila de boquillas fijas seguidas de una fila de boquillas móviles. Múltiples etapas de reacción dividen la caída de presión entre la entrada y el escape de vapor en numerosas gotas pequeñas, lo que da como resultado una turbina de presión compuesta . Las etapas de impulso pueden ser de presión compuesta, de velocidad compuesta o de presión-velocidad compuesta. Una etapa de impulso de compuesto a presión es una fila de boquillas fijas seguidas de una fila de paletas móviles, con múltiples etapas para el compuesto. También se conoce como turbina Rateau, en honor a su inventor. Una etapa de impulso de velocidad compuesta (inventada por Curtis y también llamada "rueda de Curtis") es una fila de boquillas fijas seguidas de dos o más filas de palas móviles que se alternan con filas de palas fijas. Esto divide la caída de velocidad a través del escenario en varias gotas más pequeñas. [19] Una serie de etapas de impulso de velocidad compuesta se denomina turbina compuesta de presión-velocidad .
.jpg/1280px-AEG_marine_steam_turbine_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
En 1905, cuando las turbinas de vapor comenzaban a utilizarse en barcos rápidos (como el HMS Dreadnought ) y en aplicaciones de energía terrestres, se había determinado que era deseable utilizar una o más ruedas Curtis al comienzo de una turbina de múltiples etapas. turbina (donde la presión del vapor es más alta), seguida de etapas de reacción. Esto fue más eficiente con vapor a alta presión debido a la reducción de fugas entre el rotor de la turbina y la carcasa. [20] Esto se ilustra en el dibujo de la turbina de vapor marina alemana AEG de 1905 . El vapor de las calderas entra por la derecha a alta presión a través de un acelerador , controlado manualmente por un operador (en este caso un marinero conocido como estrangulador). Pasa a través de cinco ruedas Curtis y numerosas etapas de reacción (las pequeñas palas en los bordes de los dos grandes rotores en el medio) antes de salir a baja presión, casi con certeza a un condensador . El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor y condensa el vapor en agua de alimentación que se devuelve a las calderas. A la izquierda hay varias etapas de reacción adicionales (en dos rotores grandes) que hacen girar la turbina en reversa para operar en popa, con vapor admitido por un acelerador separado. Dado que los barcos rara vez funcionan en reversa, la eficiencia no es una prioridad en las turbinas de popa, por lo que solo se utilizan unas pocas etapas para ahorrar costos.
Un desafío importante al que se enfrentó el diseño de turbinas fue reducir la fluencia experimentada por las palas. Debido a las altas temperaturas y las altas tensiones de funcionamiento, los materiales de las turbinas de vapor se dañan a través de estos mecanismos. A medida que aumentan las temperaturas en un esfuerzo por mejorar la eficiencia de la turbina, la fluencia se vuelve significativa. Para limitar la fluencia, en los diseños de palas se utilizan recubrimientos térmicos y superaleaciones con refuerzo de solución sólida y refuerzo de los límites de grano .
Se utilizan revestimientos protectores para reducir el daño térmico y limitar la oxidación . Estos recubrimientos suelen ser cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio . El uso de una capa protectora térmica limita la exposición a la temperatura de la superaleación de níquel. Esto reduce los mecanismos de fluencia experimentados en la hoja. Los recubrimientos de oxidación limitan las pérdidas de eficiencia causadas por la acumulación en el exterior de las aspas, lo cual es especialmente importante en entornos de alta temperatura. [21]
Las hojas a base de níquel están aleadas con aluminio y titanio para mejorar la resistencia y la resistencia a la fluencia. La microestructura de estas aleaciones se compone de diferentes regiones de composición. Una dispersión uniforme de la fase gamma prima (una combinación de níquel, aluminio y titanio) promueve la fuerza y la resistencia a la fluencia de la hoja debido a la microestructura. [22]
Se pueden agregar a la aleación elementos refractarios como renio y rutenio para mejorar la resistencia a la fluencia. La adición de estos elementos reduce la difusión de la fase prima gamma, preservando así la resistencia a la fatiga , la solidez y la resistencia a la fluencia. [23]
Los tipos de turbinas incluyen condensación, no condensación, recalentamiento, extracción e inducción.
Las turbinas de condensación se encuentran más comúnmente en centrales eléctricas. Estas turbinas reciben vapor de una caldera y lo expulsan a un condensador . El vapor agotado se encuentra a una presión muy por debajo de la atmosférica y se encuentra en un estado parcialmente condensado, normalmente de una calidad cercana al 90%.
Las turbinas sin condensación se utilizan más ampliamente para aplicaciones de vapor de proceso, en las que el vapor se utilizará para fines adicionales después de ser expulsado de la turbina. La presión de escape está controlada por una válvula reguladora para adaptarse a las necesidades de presión del vapor del proceso. Estos se encuentran comúnmente en refinerías, unidades de calefacción urbana, plantas de pulpa y papel e instalaciones de desalinización donde se necesitan grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.
Las turbinas de recalentamiento también se utilizan casi exclusivamente en centrales eléctricas. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección de alta presión de la turbina y regresa a la caldera donde se agrega sobrecalentamiento adicional. Luego, el vapor regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. El uso de recalentamiento en un ciclo aumenta la producción de trabajo de la turbina y además la expansión llega a su fin antes de que el vapor se condense, minimizando así la erosión de las palas en las últimas filas. En la mayoría de los casos, el número máximo de recalentamientos empleados en un ciclo es 2, ya que el costo de sobrecalentar el vapor anula el aumento en la producción de trabajo de la turbina.
Las turbinas de tipo extractor son comunes en todas las aplicaciones. En una turbina de tipo extracción, el vapor se libera desde varias etapas de la turbina y se utiliza para las necesidades del proceso industrial o se envía a calentadores de agua de alimentación de calderas para mejorar la eficiencia general del ciclo. Los flujos de extracción pueden controlarse con una válvula o dejarse sin control. El vapor extraído provoca una pérdida de potencia en las etapas posteriores de la turbina.
Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir energía adicional.
Estas disposiciones incluyen turbinas de carcasa única, compuestas en tándem y compuestas cruzadas. Las unidades de carcasa única son el estilo más básico en el que una carcasa única y un eje se acoplan a un generador. Los compuestos en tándem se utilizan cuando dos o más carcasas se acoplan directamente para impulsar un solo generador. Una disposición de turbina compuesta cruzada presenta dos o más ejes no en línea que impulsan dos o más generadores que a menudo operan a diferentes velocidades. Una turbina de compuesto cruzado se utiliza normalmente para muchas aplicaciones grandes. A continuación se ilustra una instalación naval típica de las décadas de 1930 y 1960; esto muestra turbinas de alta y baja presión accionando un engranaje reductor común, con una turbina de crucero con engranajes en una turbina de alta presión.
El vapor en movimiento imparte un empuje tangencial y axial sobre el eje de la turbina, pero el empuje axial en una turbina simple no tiene oposición. Para mantener la posición y el equilibrio correctos del rotor, esta fuerza debe ser contrarrestada por una fuerza opuesta. Se pueden usar cojinetes de empuje para los cojinetes del eje, el rotor puede usar pistones falsos, puede ser de doble flujo : el vapor entra por el medio del eje y sale por ambos extremos, o una combinación de cualquiera de estos. En un rotor de doble flujo , las palas de cada mitad están orientadas en direcciones opuestas, de modo que las fuerzas axiales se anulan entre sí pero las fuerzas tangenciales actúan juntas. Este diseño de rotor también se denomina dos flujos , doble flujo axial o doble escape . Esta disposición es común en las carcasas de baja presión de una turbina compuesta. [24]
Se considera que una turbina de vapor ideal es un proceso isentrópico , o proceso de entropía constante, en el que la entropía del vapor que entra a la turbina es igual a la entropía del vapor que sale de la turbina. Sin embargo, ninguna turbina de vapor es verdaderamente isentrópica, con eficiencias isentrópicas típicas que oscilan entre el 20 y el 90% según la aplicación de la turbina. El interior de una turbina comprende varios juegos de palas o cangilones . Un juego de cuchillas estacionarias está conectado a la carcasa y un juego de cuchillas giratorias está conectado al eje. Los conjuntos se entrelazan con ciertas holguras mínimas, variando el tamaño y la configuración de los conjuntos para aprovechar eficientemente la expansión del vapor en cada etapa.
Una turbina de impulso tiene boquillas fijas que orientan el flujo de vapor en chorros de alta velocidad. Estos chorros contienen una importante energía cinética, que las palas del rotor, con forma de cubo, transforman en rotación del eje cuando el chorro de vapor cambia de dirección. Se produce una caída de presión sólo en las aspas estacionarias, con un aumento neto en la velocidad del vapor a través de la etapa. A medida que el vapor fluye a través de la boquilla, su presión cae desde la presión de entrada hasta la presión de salida (presión atmosférica o, más habitualmente, el vacío del condensador). Debido a esta alta relación de expansión del vapor, el vapor sale de la boquilla a una velocidad muy alta. El vapor que sale de las aspas móviles tiene una gran parte de la velocidad máxima del vapor al salir de la boquilla. La pérdida de energía debido a esta mayor velocidad de salida se denomina comúnmente velocidad de arrastre o pérdida de salida.
La ley del momento del momento establece que la suma de los momentos de las fuerzas externas que actúan sobre un fluido que ocupa temporalmente el volumen de control es igual al cambio neto en el tiempo del flujo de momento angular a través del volumen de control.
El fluido en remolino ingresa al volumen de control en un radio con velocidad tangencial y sale en un radio con velocidad tangencial .
Un triángulo de velocidades allana el camino para una mejor comprensión de la relación entre las distintas velocidades. En la figura adyacente tenemos:
Entonces, por la ley del momento del momento, el par sobre el fluido viene dado por:
Para una turbina de vapor de impulso: . Por tanto, la fuerza tangencial sobre las palas es . El trabajo realizado por unidad de tiempo o potencia desarrollada: .
Cuando ω es la velocidad angular de la turbina, entonces la velocidad de la pala es . La potencia desarrollada es entonces .
La eficiencia de las palas ( ) se puede definir como la relación entre el trabajo realizado en las palas y la energía cinética suministrada al fluido, y está dada por
Una etapa de una turbina de impulso consta de un juego de toberas y una rueda móvil. La eficiencia de la etapa define una relación entre la caída de entalpía en la boquilla y el trabajo realizado en la etapa.
Por la primera ley de la termodinámica :
La eficiencia de la boquilla está dada por , donde la entalpía (en J/Kg) del vapor a la entrada de la boquilla es y la entalpía del vapor a la salida de la boquilla es .
y representa la pérdida de velocidad relativa debido a la fricción cuando el vapor fluye alrededor de las palas ( para palas lisas).
La relación entre la velocidad de la pala y la velocidad absoluta del vapor en la entrada se denomina relación de velocidad de la pala .
es máximo cuando o, . Eso implica y por lo tanto . Ahora (para una turbina de impulso de una sola etapa).
Por tanto, el valor máximo de eficiencia de la etapa se obtiene poniendo el valor de en la expresión de .
Obtenemos: .
Por lo tanto , para palas equiangulares , obtenemos . Si se desprecia la fricción debida a la superficie de la pala, entonces .
En la turbina de reacción , las propias palas del rotor están dispuestas formando toberas convergentes . Este tipo de turbina aprovecha la fuerza de reacción que se produce al acelerar el vapor a través de las toberas formadas por el estator. El vapor se dirige al rotor mediante las paletas fijas del estator . Sale del estator en forma de chorro que llena toda la circunferencia del rotor. Luego, el vapor cambia de dirección y aumenta su velocidad en relación con la velocidad de las palas. Se produce una caída de presión tanto en el estator como en el rotor, con el vapor acelerando a través del estator y desacelerando a través del rotor, sin ningún cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa pero con una disminución tanto en la presión como en la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en el conducción del rotor.
Entrada de energía a las palas en una etapa:
es igual a la energía cinética suministrada a las palas fijas (f) + la energía cinética suministrada a las palas móviles (m).
O, = caída de entalpía sobre las palas fijas, + caída de entalpía sobre las palas móviles, .
El efecto de la expansión del vapor sobre las aspas en movimiento es aumentar la velocidad relativa en la salida. Por lo tanto, la velocidad relativa en la salida es siempre mayor que la velocidad relativa en la entrada .
En términos de velocidades, la caída de entalpía sobre las palas en movimiento viene dada por:
La caída de entalpía en las palas fijas, suponiendo que la velocidad del vapor que entra en las palas fijas es igual a la velocidad del vapor que sale de las palas previamente móviles, viene dada por:
es muy pequeño y por lo tanto puede despreciarse. Por lo tanto,
Asumiendo la turbina de Parson y obteniendo todas las expresiones que obtenemos
Por lo tanto, la eficiencia de la pala está dada por
Si entonces
Para una máxima eficiencia , obtenemos
y esto finalmente da
Por lo tanto, se obtiene poniendo el valor de en la expresión de la eficiencia de la pala.
Debido a las altas presiones utilizadas en los circuitos de vapor y a los materiales utilizados, las turbinas de vapor y sus carcasas tienen una alta inercia térmica . Al calentar una turbina de vapor para su uso, las válvulas de cierre de vapor principales (después de la caldera) tienen una línea de derivación para permitir que el vapor sobrecalentado pase lentamente por la válvula y proceda a calentar las líneas en el sistema junto con la turbina de vapor. Además, se activa un engranaje giratorio cuando no hay vapor para hacer girar lentamente la turbina para garantizar un calentamiento uniforme y evitar una expansión desigual . Después de girar primero la turbina mediante el engranaje de giro, dando tiempo para que el rotor adopte un plano recto (sin curvarse), luego se desconecta el engranaje de giro y se admite vapor en la turbina, primero a las palas de popa y luego a las palas de delante lentamente. girando la turbina a 10–15 RPM (0,17–0,25 Hz) para calentarla lentamente. El procedimiento de calentamiento de grandes turbinas de vapor puede exceder las diez horas. [25]
Durante el funcionamiento normal, el desequilibrio del rotor puede provocar vibraciones que, debido a las altas velocidades de rotación, podrían provocar que una pala se rompa del rotor y atraviese la carcasa. Para reducir este riesgo, se dedican esfuerzos considerables a equilibrar la turbina. Además, las turbinas funcionan con vapor de alta calidad: ya sea vapor sobrecalentado (seco) o vapor saturado con una alta fracción de sequedad. Esto evita el rápido impacto y la erosión de las palas que se produce cuando se lanza agua condensada sobre las palas (transporte de humedad). Además, el agua líquida que ingresa a las palas puede dañar los cojinetes de empuje del eje de la turbina. Para evitar esto, además de controles y deflectores en las calderas para garantizar un vapor de alta calidad, se instalan drenajes de condensado en las tuberías de vapor que conducen a la turbina.
Los requisitos de mantenimiento de las turbinas de vapor modernas son simples e implican bajos costos (normalmente alrededor de 0,005 dólares por kWh); [25] su vida operativa suele superar los 50 años. [25]
El control de una turbina con un gobernador es esencial, ya que las turbinas deben funcionar lentamente para evitar daños y algunas aplicaciones (como la generación de electricidad de corriente alterna) requieren un control preciso de la velocidad. [26] La aceleración incontrolada del rotor de la turbina puede provocar un disparo por exceso de velocidad, lo que provoca que se cierren el regulador y las válvulas de mariposa que controlan el flujo de vapor a la turbina. Si estas válvulas fallan, la turbina puede seguir acelerando hasta romperse, a menudo de forma catastrófica. Las turbinas son caras de fabricar y requieren una fabricación precisa y materiales de calidad especiales.
Durante el funcionamiento normal en sincronización con la red eléctrica, las centrales eléctricas se rigen con un control de velocidad de caída del cinco por ciento . Esto significa que la velocidad a plena carga es del 100% y la velocidad sin carga es del 105%. Esto es necesario para el funcionamiento estable de la red sin oscilaciones ni caídas de las centrales eléctricas. Normalmente los cambios de velocidad son menores. Los ajustes en la producción de potencia se realizan elevando lentamente la curva de caída aumentando la presión del resorte en un regulador centrífugo . Generalmente, este es un requisito básico del sistema para todas las plantas de energía porque las plantas más antiguas y más nuevas deben ser compatibles en respuesta a los cambios instantáneos de frecuencia sin depender de la comunicación externa. [27]
La turbina de vapor funciona según los principios básicos de la termodinámica utilizando las partes 3-4 del ciclo Rankine que se muestran en el diagrama adjunto. El vapor sobrecalentado (o vapor seco saturado, según la aplicación) sale de la caldera a alta temperatura y alta presión. Al entrar a la turbina, el vapor gana energía cinética al pasar a través de una boquilla (una boquilla fija en una turbina de impulso o palas fijas en una turbina de reacción). Cuando el vapor sale de la boquilla, se mueve a alta velocidad hacia las palas del rotor de la turbina. Se crea una fuerza sobre las palas debido a la presión del vapor sobre las palas que hace que se muevan. Se puede colocar un generador u otro dispositivo similar en el eje, y ahora se puede almacenar y utilizar la energía que había en el vapor. El vapor sale de la turbina como vapor saturado (o mezcla líquido-vapor según la aplicación) a una temperatura y presión más bajas que las que entró y se envía al condensador para ser enfriado. [28] La primera ley nos permite encontrar una fórmula para la velocidad a la que se desarrolla trabajo por unidad de masa. Suponiendo que no hay transferencia de calor al ambiente circundante y que los cambios en la energía cinética y potencial son insignificantes en comparación con el cambio en la entalpía específica , llegamos a la siguiente ecuación
dónde
Para medir el rendimiento de una turbina podemos observar su eficiencia isentrópica . Esto compara el rendimiento real de la turbina con el rendimiento que se lograría con una turbina isentrópica ideal. [29] Al calcular esta eficiencia, se supone que el calor perdido hacia el entorno es cero. La presión y temperatura de arranque del vapor son las mismas tanto para la turbina real como para la ideal, pero a la salida de la turbina, el contenido de energía del vapor ("entalpía específica") para la turbina real es mayor que el de la turbina ideal debido a la irreversibilidad en la turbina real. . La entalpía específica se evalúa a la misma presión de vapor para las turbinas reales e ideales para poder realizar una buena comparación entre las dos.
La eficiencia isentrópica se encuentra dividiendo el trabajo real por el trabajo ideal. [29]
dónde
(pero tenga en cuenta que el diagrama adyacente no muestra los estados 4: está verticalmente debajo del estado 3)
Las centrales eléctricas utilizan grandes turbinas de vapor que impulsan generadores eléctricos para producir la mayor parte (alrededor del 80%) de la electricidad mundial. La llegada de las grandes turbinas de vapor hizo práctica la generación de electricidad en estaciones centrales, ya que las máquinas de vapor alternativas de gran potencia se volvieron muy voluminosas y operaban a bajas velocidades. La mayoría de las estaciones centrales son centrales eléctricas de combustibles fósiles y centrales nucleares ; Algunas instalaciones utilizan vapor geotérmico o energía solar concentrada (CSP) para crear vapor. Las turbinas de vapor también se pueden utilizar directamente para impulsar grandes bombas centrífugas , como las bombas de agua de alimentación en una central térmica .
Las turbinas utilizadas para la generación de energía eléctrica suelen estar acopladas directamente a sus generadores. Como los generadores deben girar a velocidades síncronas constantes de acuerdo con la frecuencia del sistema de energía eléctrica, las velocidades más comunes son 3000 RPM para sistemas de 50 Hz y 3600 RPM para sistemas de 60 Hz. Dado que los reactores nucleares tienen límites de temperatura más bajos que las plantas alimentadas con combustibles fósiles, con una menor calidad del vapor , los grupos electrógenos de turbinas pueden disponerse para funcionar a la mitad de estas velocidades, pero con generadores de cuatro polos, para reducir la erosión de las palas de las turbinas. [30]
En los barcos de vapor , las ventajas de las turbinas de vapor sobre los motores alternativos son su menor tamaño, menor mantenimiento, menor peso y menor vibración. Una turbina de vapor es eficiente sólo cuando funciona a miles de RPM, mientras que los diseños de hélices más efectivos son para velocidades inferiores a 300 RPM; en consecuencia, generalmente se requieren engranajes reductores precisos (y por lo tanto costosos), aunque muchos de los primeros barcos de la Primera Guerra Mundial , como el Turbinia , tenían accionamiento directo desde las turbinas de vapor a los ejes de las hélices. Otra alternativa es la transmisión turboeléctrica , en la que un generador eléctrico accionado por la turbina de alta velocidad se utiliza para hacer funcionar uno o más motores eléctricos de baja velocidad conectados a los ejes de hélice; El corte de engranajes de precisión puede ser un cuello de botella en la producción durante tiempos de guerra. La propulsión turboeléctrica se utilizó sobre todo en grandes buques de guerra estadounidenses diseñados durante la Primera Guerra Mundial y en algunos transatlánticos rápidos, y se utilizó en algunos transportes de tropas y escoltas de destructores de producción en masa en la Segunda Guerra Mundial .
El mayor coste de las turbinas y de los engranajes asociados o de los conjuntos generador/motor se compensa con menores necesidades de mantenimiento y el menor tamaño de una turbina en comparación con un motor alternativo de igual potencia, aunque los costes de combustible son superiores a los de un motor diésel porque Las turbinas de vapor tienen menor eficiencia térmica . Para reducir los costos de combustible, la eficiencia térmica de ambos tipos de motores se ha mejorado a lo largo de los años.
El desarrollo de la propulsión marina con turbina de vapor de 1894 a 1935 estuvo dominado por la necesidad de conciliar la alta velocidad eficiente de la turbina con la baja velocidad eficiente (menos de 300 rpm) de la hélice del barco a un costo global competitivo con los motores alternativos . En 1894, no se disponía de engranajes reductores eficientes para las altas potencias requeridas por los barcos, por lo que era necesario el accionamiento directo . En Turbinia , que tiene transmisión directa a cada eje de hélice, la velocidad eficiente de la turbina se redujo después de las pruebas iniciales dirigiendo el flujo de vapor a través de las tres turbinas de transmisión directa (una en cada eje) en serie, probablemente totalizando alrededor de 200 etapas de turbina en funcionamiento. en series. Además, había tres hélices en cada eje para operar a altas velocidades. [31] Las altas velocidades de eje de la época están representadas por uno de los primeros destructores estadounidenses propulsados por turbinas , el USS Smith , botado en 1909, que tenía turbinas de accionamiento directo y cuyos tres ejes giraban a 724 rpm a 28,35 nudos (52,50 km/h). h; 32,62 mph). [32]
El uso de turbinas en varias carcasas que expulsan vapor entre sí en serie se convirtió en estándar en la mayoría de las aplicaciones de propulsión marina posteriores, y es una forma de combinación cruzada. La primera turbina se llamó turbina de alta presión (HP), la última turbina fue turbina de baja presión (LP) y cualquier turbina intermedia era una turbina de presión intermedia (IP). Se puede ver una disposición mucho más tardía que Turbinia en el RMS Queen Mary en Long Beach, California , botado en 1934, en el que cada eje es impulsado por cuatro turbinas en serie conectadas a los extremos de los dos ejes de entrada de una caja de cambios de reducción simple. Son las turbinas HP, 1ª IP, 2ª IP y LP.
La búsqueda de economía era aún más importante cuando se consideraban las velocidades de crucero. La velocidad de crucero es aproximadamente el 50% de la velocidad máxima de un buque de guerra y entre el 20 y el 25% de su nivel máximo de potencia. Esta sería una velocidad utilizada en viajes largos cuando se desea ahorrar combustible. Aunque esto redujo las velocidades de las hélices a un rango eficiente, la eficiencia de las turbinas se redujo considerablemente y los primeros barcos con turbinas tenían rangos de crucero deficientes. Una solución que resultó útil durante la mayor parte de la era de la propulsión con turbinas de vapor fue la turbina de crucero. Esta era una turbina adicional para agregar aún más etapas, al principio unida directamente a uno o más ejes, con escape a una etapa a lo largo de la turbina HP y no utilizada a altas velocidades. Cuando los engranajes reductores estuvieron disponibles alrededor de 1911, algunos barcos, en particular el acorazado USS Nevada , los tenían en turbinas de crucero, pero conservaban las turbinas principales de accionamiento directo. Los engranajes reductores permitían que las turbinas funcionaran en su rango eficiente a una velocidad mucho más alta que el eje, pero eran costosos de fabricar.
Las turbinas de crucero compitieron al principio con los motores alternativos por el ahorro de combustible. Un ejemplo de la retención de motores alternativos en barcos rápidos fue el famoso RMS Olympic de 1911, que junto con sus hermanos RMS Titanic y HMHS Britannic tenían motores de triple expansión en los dos ejes exteriores, ambos con escape a una turbina LP en el eje central. . Después de adoptar turbinas en los acorazados clase Delaware botados en 1909, la Marina de los Estados Unidos volvió a utilizar maquinaria alternativa en los acorazados clase Nueva York de 1912, y luego volvió a las turbinas en Nevada en 1914. La persistente afición por la maquinaria alternativa se debió a que La Marina de los EE. UU. no tenía planes para buques capitales que superaran los 21 nudos (39 km/h; 24 mph) hasta después de la Primera Guerra Mundial, por lo que la velocidad máxima era menos importante que el crucero económico. Estados Unidos había adquirido Filipinas y Hawaii como territorios en 1898 y carecía de la red mundial de estaciones de carbón de la Marina Real Británica . Por lo tanto, en 1900-1940 la Marina de los EE. UU. tenía la mayor necesidad de economía de combustible de cualquier nación, especialmente cuando surgió la perspectiva de una guerra con Japón después de la Primera Guerra Mundial. Esta necesidad se vio agravada por el hecho de que los EE. UU. no lanzaron ningún crucero entre 1908 y 1920, por lo que Los destructores debían realizar misiones de largo alcance generalmente asignadas a los cruceros. Así, se instalaron varias soluciones de crucero en los destructores estadounidenses botados entre 1908 y 1916. Estos incluían pequeños motores alternativos y turbinas de crucero con o sin engranajes en uno o dos ejes. Sin embargo, una vez que las turbinas con engranajes completos demostraron ser económicas en costo inicial y combustible, se adoptaron rápidamente, y la mayoría de los barcos también incluyeron turbinas de crucero. A partir de 1915, todos los nuevos destructores de la Royal Navy tenían turbinas totalmente engranadas, y los Estados Unidos les siguieron en 1917.
En la Royal Navy , la velocidad era una prioridad hasta que la Batalla de Jutlandia a mediados de 1916 demostró que en los cruceros de batalla se había sacrificado demasiado blindaje en su persecución. Los británicos utilizaron exclusivamente buques de guerra propulsados por turbinas a partir de 1906. Debido a que reconocieron que sería deseable un largo alcance de crucero dado su imperio mundial, algunos buques de guerra, en particular los acorazados de la clase Queen Elizabeth , fueron equipados con turbinas de crucero a partir de 1912 después de instalaciones experimentales anteriores. .
En la Armada de los EE. UU., los destructores de clase Mahan , lanzados entre 1935 y 1936, introdujeron engranajes de doble reducción. Esto aumentó aún más la velocidad de la turbina por encima de la velocidad del eje, permitiendo turbinas más pequeñas que los engranajes de reducción simple. Las presiones y temperaturas del vapor también aumentaban progresivamente, de 300 psi (2100 kPa)/425 °F (218 °C) [vapor saturado] en la clase Wickes de la Primera Guerra Mundial a 615 psi (4240 kPa)/850 °F ( 454 °C) [vapor sobrecalentado] en algunos destructores de la clase Fletcher de la Segunda Guerra Mundial y en barcos posteriores. [33] [34] Surgió una configuración estándar de una turbina de alta presión de flujo axial (a veces con una turbina de crucero adjunta) y una turbina de baja presión de doble flujo axial conectada a una caja de engranajes de doble reducción. Esta disposición continuó durante la era del vapor en la Marina de los EE. UU. y también se utilizó en algunos diseños de la Royal Navy. [35] [36] Maquinaria de esta configuración se puede ver en muchos buques de guerra conservados de la era de la Segunda Guerra Mundial en varios países. [37]
Cuando se reanudó la construcción de buques de guerra de la Armada de los EE. UU. a principios de la década de 1950, la mayoría de los combatientes de superficie y portaaviones utilizaban vapor de 1200 psi (8300 kPa)/950 °F (510 °C). [38] Esto continuó hasta el final de la era de los buques de guerra propulsados por vapor de la Marina de los EE. UU. con las fragatas clase Knox de principios de la década de 1970. Los barcos anfibios y auxiliares continuaron utilizando vapor de 600 psi (4100 kPa) después de la Segunda Guerra Mundial, siendo el USS Iwo Jima , botado en 2001, posiblemente el último barco de vapor no nuclear construido para la Armada de los EE. UU.
La propulsión turboeléctrica se introdujo en el acorazado USS New Mexico , botado en 1917. Durante los siguientes ocho años, la Marina de los EE. UU. lanzó cinco acorazados turboeléctricos adicionales y dos portaaviones (inicialmente ordenados como cruceros de batalla de clase Lexington ). Se planearon diez buques capitales turboeléctricos más, pero se cancelaron debido a los límites impuestos por el Tratado Naval de Washington .
Aunque Nuevo México fue reacondicionado con turbinas de engranajes en una remodelación de 1931-1933, los barcos turboeléctricos restantes conservaron el sistema durante toda su carrera. Este sistema utilizaba dos grandes turbinas de vapor para impulsar un motor eléctrico en cada uno de los cuatro ejes. Inicialmente, el sistema era menos costoso que los engranajes reductores e hizo que los barcos fueran más maniobrables en el puerto, con los ejes capaces de retroceder rápidamente y entregar más potencia de retroceso que con la mayoría de los sistemas de engranajes.
Algunos transatlánticos también se construyeron con propulsión turboeléctrica, al igual que algunos transportes de tropas y escoltas de destructores de producción en masa en la Segunda Guerra Mundial . Sin embargo, cuando Estados Unidos diseñó los "cruceros del tratado", comenzando con el USS Pensacola lanzado en 1927, se utilizaron turbinas con engranajes para conservar peso y, a partir de entonces, siguieron utilizándose en todos los barcos rápidos propulsados por vapor.
Desde la década de 1980, las turbinas de vapor han sido reemplazadas por turbinas de gas en los barcos rápidos y por motores diésel en otros barcos; las excepciones son los barcos y submarinos de propulsión nuclear y los buques de transporte de GNL . [39] Algunos barcos auxiliares continúan utilizando propulsión a vapor.
En la Marina de los EE. UU., la turbina de vapor de propulsión convencional todavía se utiliza en todos los buques de asalto anfibios de la clase Wasp, excepto en uno . La Royal Navy desmanteló su última clase de buque de guerra de superficie convencional propulsado por vapor, la plataforma de aterrizaje de clase Fearless , en 2002, y la Armada italiana siguió en 2006 al desmantelar sus últimos buques de guerra de superficie convencionales propulsados por vapor, los destructores de clase Audace . En 2013, la Armada francesa puso fin a su era del vapor con el desmantelamiento de su última fragata de clase Tourville . Entre las otras armadas de aguas azules , la Armada rusa actualmente opera portaaviones de clase Kuznetsov y destructores de clase Sovremenny propulsados por vapor . La Armada de la India opera actualmente INS Vikramaditya , un portaaviones modificado de clase Kiev ; También opera tres fragatas clase Brahmaputra encargadas a principios de la década de 2000. La Armada china actualmente opera portaaviones clase Kuznetsov propulsados por vapor , destructores clase Sovremenny junto con destructores clase Luda y el único destructor Tipo 051B . La mayoría de las demás fuerzas navales han retirado o rediseñado sus buques de guerra propulsados por vapor. A partir de 2020, la Armada de México opera cuatro antiguas fragatas estadounidenses clase Knox propulsadas por vapor . La Armada egipcia y la Armada de la República de China operan respectivamente dos y seis antiguas fragatas estadounidenses de clase Knox . La Armada del Ecuador opera actualmente dos fragatas clase Condell propulsadas por vapor ( fragatas clase Leander modificadas ).
Hoy en día, la eficiencia del ciclo de las turbinas de vapor de propulsión aún no ha superado el 50%, sin embargo, los motores diésel superan habitualmente el 50%, especialmente en aplicaciones marinas. [40] [41] [42] Las plantas de energía diésel también tienen costos operativos más bajos ya que se requieren menos operadores. Por tanto, la energía de vapor convencional se utiliza en muy pocos barcos nuevos. Una excepción son los buques metaneros , a los que a menudo les resulta más económico utilizar gas de ebullición con una turbina de vapor que volver a licuarlo.
Los barcos y submarinos de propulsión nuclear utilizan un reactor nuclear para generar vapor para las turbinas. A menudo se elige la energía nuclear cuando la energía diésel no sería práctica (como en aplicaciones submarinas ) o la logística de reabastecimiento de combustible plantea problemas importantes (por ejemplo, los rompehielos ). Se ha estimado que el combustible del reactor de los submarinos de clase Vanguard de la Royal Navy es suficiente para 40 vueltas al mundo, potencialmente suficiente para toda la vida útil del buque. La propulsión nuclear sólo se ha aplicado a muy pocos buques comerciales debido al gasto de mantenimiento y a los controles reglamentarios necesarios sobre los sistemas nucleares y los ciclos del combustible.
Una locomotora de turbina de vapor es una locomotora de vapor impulsada por una turbina de vapor. La primera locomotora ferroviaria con turbina de vapor se construyó en 1908 para las Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Milán, Italia. En 1924, Krupp construyó para Deutsche Reichsbahn la locomotora de turbina de vapor T18 001, operativa en 1929 .
Las principales ventajas de una locomotora de turbina de vapor son un mejor equilibrio de rotación y un menor golpe de martillo en la vía. Sin embargo, una desventaja es la menor flexibilidad de la potencia de salida, por lo que las locomotoras de turbina eran las más adecuadas para operaciones de larga distancia con una potencia de salida constante. [43]
Se utilizan códigos de prueba británicos, alemanes y otros nacionales e internacionales para estandarizar los procedimientos y definiciones utilizados para probar las turbinas de vapor. La selección del código de prueba que se utilizará es un acuerdo entre el comprador y el fabricante, y tiene cierta importancia para el diseño de la turbina y los sistemas asociados.
En Estados Unidos, ASME ha elaborado varios códigos de prueba de rendimiento para turbinas de vapor. Estos incluyen ASME PTC 6–2004, Turbinas de vapor, ASME PTC 6.2-2011, Turbinas de vapor en ciclos combinados , PTC 6S-1988, Procedimientos para pruebas de rendimiento de rutina de turbinas de vapor. Estos códigos de prueba de rendimiento de ASME han obtenido reconocimiento y aceptación internacional para probar turbinas de vapor. La característica más importante y diferenciadora de los códigos de prueba de desempeño de ASME, incluido PTC 6, es que la incertidumbre de la prueba de la medición indica la calidad de la prueba y no debe usarse como tolerancia comercial. [44]
