Primeras turbinas de vapor:
Históricamente, las primera
turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del
año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas
en sus
polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La
esfera
giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de
entrada
del vapor
Hasta 1629 no se tiene
constancia de un nuevo diseño independiente de una turbina de vapor,
Giovanni
Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de
molino
de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil.
La primera aplicación
industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De
Laval en
1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de
leche, impulsada por vapor.
El último impulso para la
utilización de las turbinas de vapor con fines industriales y
comerciales lo
dio Charles
Algernon Parsons en 1884, con el diseño y construcción de una turbina
de vapor
de alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios
del siglo
veinte la mayoría de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de
motor.
Tipos de turbinas de vapor:
La clasificación de las
turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la
energía
contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de
etapas
(multietapa o monoetapa), según la dirección del flujo de vapor
(axiales o
radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape
y por
último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre
o
condensación).
-Turbina de vapor de reacción: En la turbina
de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor
en
expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas,
unas
móviles y las otras fijas. Las palas fijas están colocadas de forma que
cada
par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras
se
expande, llegando a las palas de las turbinas de reacción, que se
montan en un
tambor que actúa como eje de la turbina.
En la turbina
de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este
escalonamiento
consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y
utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes
como sea
necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de
salida de
la primera etapa para que entre en un segundo rodete.
Se denomina
grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona
móvil
respecto a la total, un grado de reacción 1 índica que la turbina es de
reacción pura, mientras que para el valor cero será una turbina de
vapor de
acción.
-Turbina de vapor de acción: Una turbina
de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta
fundamentalmente
de:
-Un distribuidor fijo,
compuesto
por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica
del
vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente
(reacción), en
energía cinética.
-Una corona móvil, fija
sobre un
eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto
transformar en
energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su
disposición.
Su funcionamiento consiste en impulsar el
vapor a través de las toberas
fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía
cinética
del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al
que está
unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las
que la
presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.
-Turbina monoetapa: Se utilizan
para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple
construcción son
las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de
instalación y
mantenimiento que las multietapa.
-Turbina multietapa: El objetivo
de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad
del
rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo
con
relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de
vapor
muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina
girase a
una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las
dimensiones
que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la
velocidad
final del eje a la deseada).
Consiguen mejores rendimientos
que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha
mayor
presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen
utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las
finales de
reacción.
-Turbina de flujo axial: Es el método
más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene
el mismo
eje que la turbina.
-Turbina de flujo radial: El paso de
vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje
de la
turbina.
-Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta
presión, enviando parte del vapor de vuelta a
la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En
algunas
ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para
derivarlo a
otros procesos industriales.
-Turbina de contrapresión: La presión
del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele
estar
conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose
agua
caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico
posterior.
-Turbinas de condensación: El vapor
sale aúna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un
mayor
aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de
refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de
gran
potencia que buscan un alto rendimiento.
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