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El rotor de una turbina de vapor moderna utilizada en centrales eléctricas es un dispositivo mecánico que extrae energía térmica del vapor presurizado y la convierte en trabajo mecánico útil.
Reemplazó casi por completo a la máquina de vapor de pistones alternativos (inventada por Thomas Newcomen y muy mejorada por James Watt), principalmente debido a su mayor eficiencia térmica y mayor relación potencia-peso. Además, debido a que la turbina genera movimiento de rotación, es particularmente adecuada para accionar un generador, y aproximadamente el 80% de la electricidad mundial se genera mediante el uso de turbinas de vapor. —No requiere un mecanismo de articulación para convertir el movimiento alternativo en movimiento de rotación. Una turbina de vapor es un motor térmico que mejora la eficiencia termodinámica mediante el uso de múltiples etapas de expansión de vapor (a diferencia de una etapa en un motor Watt) para acercarse a un proceso reversible ideal.
Contenido[hide]
1 Registro histórico
2 tipos
2.1 Condiciones de suministro y escape de vapor
2.2 Disposición de la carcasa o eje
3 Principios de funcionamiento y diseño
3.1 Eficiencia de la turbina
3.1.1 Turbina de impulso
3.1 .2 Reacción turbina
3.2 Operación y mantenimiento
3.3 Ajuste de velocidad
4 Accionamiento directo
5 Reducción
[editar]Historia
La primera máquina de vapor no era más que un juguete, el clásico Aeolipile descrito por Herón de Alejandría. Otro dispositivo de turbina de vapor fue inventado por el italiano Giovanni Branca en 1629. La turbina de vapor moderna fue inventada por el británico-irlandés Charles A. Parsons en 1884. Su primer modelo estaba conectado a un generador y producía 7,5 kilovatios de electricidad. Su patente obtuvo la licencia y, poco después, un norteamericano, George Westinghouse, amplió la turbina. Se han desarrollado muchos otros tipos de turbinas que utilizan el vapor de manera eficiente. La turbina Delaval (inventada por Gustave Delaval) acelera el vapor a máxima velocidad y luego permite que el vapor golpee las palas de la turbina. Esto es bueno porque las turbinas son más simples, más baratas y no necesitan ser resistentes a la presión. Puede funcionar a cualquier presión de vapor. Sin embargo, también es bastante ineficiente. Las turbinas de Parsons también son relativamente fáciles de ampliar. Durante la vida de Parson, la energía generada por una sola unidad aumentó aproximadamente 10.000 veces.
Turbina Parsons del destructor polaco ORP Wicher II
[editar] Tipos
Las turbinas de vapor vienen en varios tamaños, desde la pequeña de 1 hp (0,75 kW) Las unidades (raras) se utilizan para accionamientos mecánicos de bombas, compresores y otros equipos accionados por eje, hasta turbinas de vapor de 2.000.000 hp (1.500.000 kW) para generar electricidad. Existen varias clasificaciones de turbinas de vapor modernas.
[editar] Condiciones de suministro y descarga de vapor
Estos tipos incluyen condensación, no condensación, recalentamiento, extracción e inducción.
Las turbinas de vapor sin condensación o de contrapresión son las más utilizadas en aplicaciones de vapor de proceso. La presión de escape está controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión del vapor del proceso. Estos se encuentran comúnmente en refinerías, unidades de calefacción urbana, fábricas de pulpa y papel e instalaciones de desalinización donde hay grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.
Las turbinas de condensación se encuentran más comúnmente en centrales eléctricas. Estas turbinas descargan vapor en un estado parcialmente condensado, generalmente cerca del 90% de sequedad y a una presión muy por debajo de la presión atmosférica, en el condensador.
Las turbinas de recalentamiento también se utilizan casi exclusivamente en centrales eléctricas. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de la sección de alta presión de la turbina y regresa a la caldera, donde agrega sobrecalentamiento adicional. Luego, el vapor regresa a la sección de presión intermedia de la turbina donde continúa expandiéndose.
Las turbinas de extracción son comunes en todas las aplicaciones. En una turbina de vapor de extracción, el vapor se libera de las distintas etapas de la turbina y se utiliza para satisfacer las necesidades de los procesos industriales o se entrega a los calentadores de agua de alimentación de la caldera para mejorar la eficiencia general del ciclo. El flujo de extracción puede controlarse mediante válvula o no. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en etapas intermedias para generar energía adicional.
[editar] Disposiciones de carcasa o eje
Estas disposiciones incluyen turbinas de carcasa única, compuestas en tándem y compuestas cruzadas. La unidad de carcasa única es el tipo más básico en el que la carcasa única y el eje están conectados al generador. La combinación en serie se utiliza cuando dos o más gabinetes se acoplan directamente para impulsar un solo generador. Una disposición de turbina compuesta cruzada se caracteriza por dos o más ejes que no están alineados en línea recta, impulsando dos o más generadores que funcionan a diferentes velocidades. Las turbinas de compuestos cruzados se utilizan comúnmente en muchas aplicaciones grandes.
[editar] Principios de operación y diseño
La turbina de vapor ideal se considera un proceso isentrópico o de entropía constante, en el que la entropía del vapor que ingresa a la turbina es igual a la entropía del vapor que sale de la turbina. Sin embargo, ninguna turbina de vapor es verdaderamente "isentrópica" y la eficiencia isentrópica típica oscila entre el 20% y el 90% dependiendo de la aplicación de la turbina. El interior de una turbina se compone de varios juegos de palas, a menudo llamadas "palas". Un conjunto de cuchillas estacionarias está unido a la carcasa y un conjunto de cuchillas giratorias está unido al eje. Los grupos se engranan entre sí con una cierta holgura mínima, y el tamaño y la estructura de los grupos varían para utilizar eficientemente la expansión del vapor en cada etapa.
[editar] Eficiencia de la turbina
Esquema que describe las diferencias entre turbinas de impulso y reacción Para maximizar la eficiencia de la turbina, el vapor se expande en múltiples etapas, produciendo trabajo. Estas etapas se caracterizan por cómo se extrae la energía de ellas y se conocen como turbinas de impulso o reacción. La mayoría de las turbinas de vapor modernas son una combinación de diseños de reacción e impulso. Por lo general, la sección de alta presión es de tipo pulsado y la sección de baja presión es de tipo reactivo.
[editar] Turbinas de impulso
Las turbinas de impulso tienen boquillas fijas que dirigen el flujo de vapor hacia un chorro de alta velocidad. Estos chorros contienen mucha energía cinética y, cuando el chorro de vapor cambia de dirección, las palas del rotor, con forma de cubo, convierten la energía cinética en rotación del eje. La caída de presión se produce sólo a través de las palas del estator, con un aumento neto en la velocidad del vapor entre las etapas.
A medida que el vapor fluye a través de la boquilla, su presión cae desde la presión de la cámara de vapor hasta la presión del condensador (o presión atmosférica). Debido a la tasa de expansión relativamente alta del vapor en la boquilla, el vapor sale de la boquilla a una velocidad muy alta. El vapor que sale de las aspas móviles es la mayor parte de la velocidad máxima a la que el vapor sale de la boquilla. Las pérdidas de energía debidas a velocidades de salida más altas a menudo se denominan "velocidad de arrastre" o "pérdidas de arrastre".
[editar]Turbina de reacción
En una turbina de reacción, las propias palas del rotor están dispuestas para formar una boquilla convergente. Este tipo de turbina de vapor utiliza la fuerza de reacción creada por el vapor a medida que acelera a través de una boquilla formada por el rotor. Las paletas fijas del estator dirigen el vapor hacia el rotor. Sale del estator en forma de chorro, llenando toda la circunferencia del rotor. Luego, el vapor cambia de dirección, aumentando su velocidad en relación con la velocidad de las palas. Se produce una caída de presión entre el estator y el rotor, el vapor se acelera a través del estator y se desacelera a través del rotor. No hay un cambio neto en la velocidad del vapor a través de las etapas, pero tanto la presión como la temperatura disminuyen, lo que refleja el trabajo realizado. impulsando el rotor.
[editar]Operación y mantenimiento
Cuando la turbina de vapor se usa para precalentar, la válvula de cierre de vapor principal (después de la caldera) tiene una línea de derivación que permite que el vapor sobrecalentado pase lentamente la válvula y continúa calentando las líneas del sistema junto con la turbina. Además, cuando la turbina de vapor no tiene vapor, el dispositivo giratorio se activa para hacer girar lentamente la turbina de vapor para garantizar un calentamiento uniforme y evitar una expansión desigual. Primero, la turbina gira a través del dispositivo de giro, permitiendo que el rotor presente un plano recto (sin curvatura), luego se desactiva el dispositivo de giro y el vapor ingresa a la turbina, primero hacia las palas traseras y luego hacia las palas delanteras. , girando lentamente la turbina de 10 a 15 RPM, para calentarla lentamente.
Las turbinas ahora tienen pocos problemas y requieren relativamente poco mantenimiento. Cualquier desequilibrio en el rotor puede provocar vibraciones y, en casos extremos, provocar que las palas se rompan y penetren directamente a través de la carcasa. Sin embargo, la turbina de vapor debe girarse con vapor seco. Si el agua ingresa al vapor y se rocía sobre las aspas (arrastre de humedad), se puede producir un impacto rápido y corrosión de las aspas, lo que podría causar un desequilibrio y una falla catastrófica. Además, el agua 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 la caldera para garantizar un vapor de alta calidad, se instalan drenajes de condensado en las tuberías de vapor que conducen a la turbina.
[editar] Regulación de velocidad
El control de las turbinas con reguladores de velocidad es esencial porque las turbinas necesitan funcionar lentamente para evitar daños, y algunas aplicaciones como la generación de corriente alterna requieren control de velocidad preciso.
La aceleración incontrolada del rotor de la turbina puede provocar un disparo por exceso de velocidad, provocando que se cierre la válvula de la boquilla que controla el flujo de vapor de la turbina. Si falla, la turbina puede seguir acelerando hasta partirse, a menudo de forma espectacular. Las turbinas son caras de fabricar y requieren una fabricación precisa y materiales de calidad especiales.
[editar]Accionamiento directo
Las centrales eléctricas utilizan grandes turbinas de vapor para impulsar generadores que producen la mayor parte (alrededor del 80%) de la electricidad mundial. Hay dos tipos de estas centrales eléctricas centralizadas: centrales eléctricas de combustibles fósiles y centrales nucleares. Las turbinas utilizadas para generar electricidad suelen estar conectadas directamente a un generador. Dependiendo de la frecuencia del sistema de potencia, el generador debe girar a una velocidad síncrona constante, las velocidades más comunes son 3000 rpm para sistemas de 50 Hz y 3600 rpm para sistemas de 60 Hz. Todas las grandes unidades de energía nuclear giran a la mitad de velocidad y tienen un generador de 4 polos en lugar del más común generador de 2 polos.
[editar] Reducción
Turbina: el primer barco impulsado por turbina de vapor Otro uso de las turbinas de vapor es en barcos. Son pequeñas, de bajo mantenimiento, livianas y las bajas vibraciones son ventajas notables; . (También se han probado locomotoras de turbina de vapor con éxito limitado.) Las turbinas de vapor sólo son eficaces cuando funcionan en el rango de varios miles de rpm, mientras que las aplicaciones de potencia en aplicaciones de propulsión pueden ser sólo de cientos de rpm, lo que requiere el uso de motores costosos y precisos. engranajes reductores, aunque varios barcos como el Turbinia tenían accionamientos directos desde la turbina de vapor al eje de la hélice. Este coste de compra se ve compensado por unos requisitos de combustible y mantenimiento mucho menores y por el pequeño tamaño de la turbina en comparación con un motor alternativo de potencia equivalente.