Turbina

Una turbina (del griego τύρβη, tyrbē o latín turbo, que significa vórtice) es un dispositivo mecánico rotatorio que extrae energía de un flujo de fluido y la convierte en trabajo útil. El trabajo producido por una turbina se puede utilizar para generar energía eléctrica cuando se combina con un generador.Una turbina es una turbomáquina con al menos una parte móvil llamada conjunto de rotor, que es un eje o tambor con palas adjuntas. 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 crédito por la invención de la turbina de vapor se otorga 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 con frecuencia 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 un eolípila en el siglo I d.C. y Vitruvio las mencionó hacia el 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 "torbellino", en un memorando, "Des turbinas hidráulicas ou máquinas rotatorias à grande vitesse", que él presentado a la Académie royale des sciences de París. Benoit Fourneyron, antiguo alumno de Claude Burdin, construyó la primera turbina de agua práctica.

Teoría de la operación

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 fluido o 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 los álabes de la turbina (los álabes móviles), como en el caso de una turbina de vapor o de gas, toda la caída de presión tiene lugar en los álabes estacionarios (las boquillas). Antes de llegar a la turbina, la cabeza de presión del fluido se cambia a cabeza de velocidadacelerando el fluido con una boquilla. Las ruedas Pelton y las turbinas de Laval utilizan este proceso exclusivamente. Las turbinas de impulso no requieren un marco de presión alrededor del rotor, ya que el chorro de fluido lo crea la boquilla antes de llegar a las palas del rotor. La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía para turbinas de impulso. Las turbinas de impulso son más eficientes para usar en casos donde el flujo es bajo y la presión de entrada es alta.

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.Se necesita un marco de presión para contener el fluido de trabajo a medida que actúa en la(s) etapa(s) 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, para 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. Para fluidos de trabajo comprimibles, se suelen utilizar múltiples 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 se adaptan mejor a velocidades de flujo más altas o aplicaciones en las que la altura del fluido (presión aguas arriba) es baja.

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 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 diversos 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 usar álabes de reacción o de impulso a alta presión. Las turbinas de vapor eran tradicionalmente 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 álabe se convierte estrictamente en un diseño de tipo de reacción con la base del álabe únicamente de impulso. La razón se debe al efecto de la velocidad de rotación de cada pala. A medida que aumenta el volumen, la altura de la hoja aumenta y la base de la hoja gira a una velocidad más lenta en relación con la punta. Este cambio en la velocidad obliga a un 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 relacionó el flujo de fluido con la forma y rotación de la turbina. Al principio se utilizaron métodos de cálculo gráfico. 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 con la mayoría de los cálculos de ingeniería, se hicieron suposiciones simplificadoras.

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 de la turbina estacionaria a una velocidad _absoluta Va1. El rotor gira a la velocidad U. En relación con el rotor, la velocidad del gas cuando incide sobre la entrada del rotor es V _r1. El gas es girado 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 del álabe (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 etapaes la temperatura total (o de estancamiento) de entrada a la turbinaes la velocidad periférica del rotor de la turbinaes el cambio en la velocidad del torbellino

La relación de presión de la turbina es una 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 llevado a 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 de flujo del 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 forma fiable un diseño existente de rendimiento conocido a un nuevo tamaño con el rendimiento correspondiente.

El rendimiento fuera del diseño normalmente se muestra como un mapa o una característica de la turbina.

El número de álabes 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 los álabes.

Tipos

• Las turbinas de vapor se utilizan para impulsar generadores eléctricos en centrales térmicas que utilizan carbón, fuel oil o combustible nuclear. Alguna vez se usaron para accionar directamente dispositivos mecánicos como las hélices de los barcos (por ejemplo, la Turbinia, la primera lancha de vapor impulsada por turbina), pero la mayoría de estas aplicaciones ahora usan engranajes reductores o un paso eléctrico intermedio, donde la turbina se usa para generar electricidad, que luego alimenta un motor eléctrico conectado a la carga mecánica. La maquinaria de barcos turboeléctricos 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 aviones a veces se denominan motores de turbina para distinguir entre motores de pistón.
• Turbina transónica. El flujo de gas en la mayoría de las turbinas empleadas en motores de turbinas 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 boquilla, aunque las velocidades aguas abajo normalmente se vuelven subsónicas. Las turbinas transónicas operan a una relación de presión más alta de lo normal, pero generalmente son menos eficientes y poco comunes.
• Turbinas contrarrotantes. Con las turbinas axiales, se puede obtener alguna 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 de rotación contraria, 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 un turbina radial multietapa (o 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), diseño extremadamente compacto y el tipo tuvo un éxito particular en las centrales eléctricas de contrapresión. Sin embargo, a diferencia de otros diseños, grandes volúmenes de vapor se manejan con dificultad y solo una combinación con turbinas de flujo axial (DUREX) admite que la turbina se construya para una potencia superior a los 50 MW aprox. En aplicaciones marinas, solo se ordenaron unas 50 unidades turboeléctricas (de las cuales una cantidad considerable finalmente se vendió a plantas terrestres) durante 1917-1919, y durante 1920-22 se vendieron algunas unidades turbomecánicas que no tuvieron mucho éxito.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 siguen en uso en 2010.
• Turbina sin estator. Las turbinas multietapa tienen un conjunto de álabes guía de entrada estáticos (es decir, estacionarios) que dirigen el flujo de gas hacia las palas giratorias del rotor. En una turbina sin estator, el flujo de gas que sale de un rotor aguas arriba incide en un rotor aguas abajo sin que se encuentre un conjunto intermedio de paletas de estator (que reorganizan los niveles de energía de presión/velocidad del flujo).
• Turbina de cerámica. Los álabes (y paletas) de turbinas de alta presión convencionales están hechos de aleaciones a base de níquel y, a menudo, utilizan intrincados pasajes internos de enfriamiento de aire para evitar que el metal se sobrecaliente. En los últimos años, se han fabricado y probado álabes cerámicos 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 fallas catastróficas de las hojas. Esto ha tendido a limitar su uso en motores a reacción y turbinas de gas a las palas del estator (estacionarias).
• Turbina envuelta. Muchas palas de rotor de turbina tienen una cubierta 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 de generación de electricidad en tierra, la cubierta se complementa a menudo, especialmente en las palas largas de una turbina de baja presión, con alambres entrelazados. Estos cables pasan a través de orificios perforados en las palas a distancias adecuadas de la raíz de la pala y normalmente se sueldan a las palas en el punto por donde pasan. Los cordones de alambre reducen el aleteo de las palas en la parte central de las palas. La introducción de alambres entrelazados reduce sustancialmente los casos de fallas en los álabes en turbinas grandes o de baja presión.
• Turbina sin cubierta. La práctica moderna es, siempre que sea posible, eliminar la cubierta del rotor, reduciendo así la carga centrífuga en el álabe y los requisitos de refrigeración.
• La turbina sin álabes utiliza el efecto de capa límite y no un fluido que incide sobre los álabes como en una turbina convencional.

• Turbinas de agua
  • Turbina Pelton, un tipo de turbina de agua de impulso.
  • Turbina Francis, un tipo de turbina de agua ampliamente utilizada.
  • Turbina Kaplan, una variación de la turbina Francis.
  • Turbina Turgo, una forma modificada de la rueda Pelton.
  • Turbina de flujo cruzado, también conocida como turbina Banki-Michell o turbina Ossberger.
• Turbina eólica. Estos normalmente funcionan como una sola etapa sin tobera 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 mediante el uso de un conjunto de boquillas 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 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 se puede operar 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 el motor de los barcos. En una disposición de Curtis, toda la caída de calor en el vapor tiene lugar en la fila de boquillas inicial y tanto las filas de álabes móviles subsiguientes como las filas de álabes estacionarios simplemente cambian la dirección del vapor. El uso de una pequeña sección de un arreglo de Curtis, generalmente una sección de boquilla y dos o tres filas de palas móviles, generalmente se denomina "Rueda" de Curtis y, de esta forma, Curtis encontró un uso generalizado en el mar como un "etapa de gobierno" en muchas turbinas de reacción e impulso y conjuntos de turbinas. Esta práctica sigue siendo un lugar común hoy en día en las plantas de vapor marinas.
• Impulso compuesto de presión en 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 excavados en él, en forma de embudo con el extremo ancho mirando hacia la etapa anterior y el angosto hacia la siguiente, también están inclinados para dirigir los chorros de vapor hacia el rotor de impulso.
• Las turbinas de vapor de mercurio utilizaron mercurio como fluido de trabajo para mejorar la eficiencia de las estaciones generadoras de combustibles fósiles. Aunque se construyeron algunas plantas de energía con vapor de mercurio combinado y turbinas de vapor convencionales, la toxicidad del mercurio metálico se hizo evidente rápidamente.
• La turbina de tornillo es una turbina de agua que utiliza el principio del tornillo de Arquímedes para convertir la energía potencial del agua en un nivel aguas arriba en energía cinética.

Usos

Una gran proporción de la energía eléctrica mundial es generada por 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 entre 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 alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) en la cámara de combustión del motor. La turbobomba de hidrógeno líquido es un poco más grande que el motor de un automóvil (con un peso aproximado de 700 lb) y la turbina produce casi 70 000 hp (52,2 MW).

Los turboexpansores se utilizan para refrigeración en procesos industriales.