Una Turbina de vapor se puede comprender como un tipo de máquina por medio de la cual, se transforma la energía del vapor en energía mecánica mediante un intercambio de movimiento. En el artículo de hoy ahondaremos más a profundidad sobre esta tipo de máquina, su historia y la manera en la que funciona.
Índice del Artículo
¿Qué es una Turbina de vapor?
Una turbina de vapor se puede definir como una turbomáquina motora, ya que se encuentra conformada principalmente por un rodete por donde pasa el vapor de forma constante. La función de la misma es transformar la energía de un flujo de vapor en energía mecánica, por medio de un intercambio de movimiento entre el luido del vapor y el rodete (órgano principal de la turbina), el cual posee palas o álabes que tienen una forma particular para poder llevar a cabo el intercambio energético.
Este tipo de máquinas se encuentran presentes en diversos ciclos de potencia en los que se emplea un fluido que tenga la capacidad de cambiar de fase. Entre estos ciclos, el más importante es el que recibe el nombre de Rankine, por medio de este se provoca vapor en una caldera, en donde sale con unas condiciones de elevada temperatura y presión.
En el interior de la turbina de vapor se transforma la energía del vapor en energía mecánica que, por lo general, pasa a un generador para producir electricidad. De una misma manera, esta máquina se puede dividir en dos partes: el rotor y el estátor. El primero se encuentra conformado por ruedas de álabes unidas al eje y viene siendo la parte móvil de la turbina. Por otro lado, el estátor también se está constituido por álabes, pero no se están unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
El término de turbina de vapor por lo general es empleado para referirse a una máquina motora que posee un conjunto de turbinas para poder modificar la energía del flujo de vapor, sin embargo, también es un término que se le da al conjunto del rodete y los álabes directores.
La turbina que se conoce en la actualidad fue diseñada en el año 1884 por sir Charles Parsons. El primer modelo hecho por él fue concertado a un dinamo que generaba 7.5 kW (10 hp) de potencia. Gracias a la invención de este nuevo diseño hecho por Parsons la electricidad para aquel entonces se volvió no solo más abundante, sino también más económica y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval.
Historia
Si nos centramos en el punto de vista de la historia, la turbina de vapor originalmente fue creada por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C. Esta primera máquina esta construida con una esfera metálica con dos toberas en sus polos, colocadas en el mismo sentido de donde salía el vapor. El giro de la esfera era de forma diametral, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor.
No se tiene información acerca de si hubo otro modelo de turbina de vapor hasta el año 1629, cuando Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para que se pudiera realizar el giro de una rueda de molino de agua, no obstante, este procedimiento no le dio un uso industrial útil.
El primero uso industrial que se le dio a la turbina de vapor fue en Suecia por De Laval en el año 1878, esto consistía en una maquina centrifuga desnatadora que contribuyó en gran medida en la producción de leche, impulsada por vapor.
El último uso que se le dio a la turbina de vapor con propósitos industriales y comerciales lo hizo Charles Algernon Parsons en el año 1884, diseñando y construyendo una turbina de vapor con una alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm. A inicios del siglo XX, los barcos modernos ya estaban equipados con este tipo de máquinas.
Charles Parsons
Charles Parsons fue un ingeniero británico que inventó y perfeccionó la célebre turbina de vapor que hasta la actualidad lleva su nombre. Luego de recibir su licenciatura en Ingeniería por la Universidad de Cambridge, en el año 1877, Parsons fue admitido para trabajar en la empresa Armstrong en Newcastle-upon-Tyne.
Para el año 1884, dio a conocer su invento más importante, la turbina de vapor Parsons. Este modelo tiene la capacidad extraordinaria de alcanzar una velocidad de 18.000 rpm, también podía desarrollar una potencia superior a los 5 CV. Este diseño fue empleado por primera vez en el año 1891, dentro de las estaciones eléctricas y plantas similares, también sirvió como una herramienta base para la creación de la turbina combinada y la de condensación.
Luego de haber fundado en el año 1889 su primer taller de fabricación de turbinas de vapor y de diversos tipos de máquinas eléctricas, la C.A. Parsons and Company, Parsons tomó la decisión de que su creación fuera añadida a los barcos. De esta manera, en el año 1894 se dio inicio a la construcción de un barco mediano, que recibió el nombre de Turbina, con tan solo 30´48 metros de eslora y 2´28 de manga, teniendo un peso de 42 toneladas, al que se le integró una turbina de vapor.
La primera prueba que se le hizo a esta turbina fue luego de tres años, durante la misma logró alcanzar una increíble velocidad de 34´5 nudos marinos, esto se debía a la planta impulsiva, superando los 27 nudos hechos por el más rápido buque de guerra equipado con máquinas de vapor clásicas de cilindros.
Una vez que concluyó la prueba y al notar que los resultados fueron favorables, la turbina de vapor de Parsons pasó a formar parte fundamental de los barcos de guerra, mercantes y transatlánticos. Adicional a esto, también se empleó para propulsar un buen número de máquinas de todo tipo, desde generadores hasta coches.
A partir de este invento, el mundo de la propulsión cambió por completo, Parsons fue elegido miembro de la Royal Society en el año 1898, luego fue nombrado presidente del Institute of Marine Engineers en 1905, y fue condecorado en el año 1902, con la medalla de la Royal society Rumford, también fue nombrado en el año de 1911, Caballero del Imperio Británico. Para el siguiente año, Parsons publicó un extenso tratado sobre la turbina de vapor, todos los documentos que redactó fueron clasificados y publicados en el año 1934.
Tipos de Turbinas de vapor
Dado que las turbinas de vapor han contribuido de muchas formas a la industria, existen una gran variedad de modelos en la actualidad. En los próximos apartados expondremos de manera detallada los tipos más frecuentes de este tipo de maquinaria.
Turbinas de acción
Los modelos de las turbinas de acción lo que hacen es convertir la energía de presión del vapor en velocidad en las toberas, también transforman el impulso del vapor a velocidad, siendo lo que mueve al rotor.
Es muy frecuente ver este tipo de turbina de vapor en grandes saltos con poco caudal. La misma está constituida por un rodete móvil con alabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina, en donde es conducido y regulado por una serie de inyectores, afectando igualmente a los alabes y generando el movimiento de giro de la turbina.
La tarea de los inyectores es conducir el agua a presión contra la serie de paletas en forma de cuchara, que están ubicadas en el borde del rodete. Todas estas paletas se encargan de invertir el flujo de agua, lo que hace disminuir la energía, cada una de ellas se montan por pares para que se pueda mantener el equilibro de las fuerzas en la rueda. En las instalaciones pequeñas, se tienden a utilizar paletas estándar y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones.
Las turbinas de menor tamaño se pueden adaptar por medio de una variación del número de inyectores y palas a instalar en la misma, así como diferentes diámetros de la turbina. Por otro lado, cuando se trata de grandes instalaciones hidroeléctricas, el diseño de ellas se hace a la medida de lo necesario. En primer lugar, el par admisible, volumen, caudal nominal debe tener la presión máxima para que se pueda alterar su funcionamiento al entorno de la instalación y a un generador estándar.
De una misma manera, la potencia se ve regulada a través de los inyectores, los cuales lo que hacen es aumentar o reducir el caudal de agua. En las situaciones de emergencia, se emplea un deflector que dirige el agua hacia donde está el desagüe, lo cual contribuye a evitar que la turbina se acelere mucho. Gracias a esto, se puede hacer un cierre lento de los inyectores, sin golpes de presión en la tubería forzada.
Estos tipos de turbinas poseen una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, además de poseer un rendimiento excelente, tanto en condiciones nominales como en caudales hasta un 80% inferior al nominal. Debido a la alta versatilidad de estas máquinas las vuelven adecuadas para condiciones parciales de trabajo, además que también permiten una buena variación de caudales en su funcionamiento.
Turbinas de reacción
Por otro lado nos topamos con las turbinas de reacción, en este tipo de diseño hay variados tipos de presión en ambos lados de las ruedas de los álabes, siendo lo que impulsa el rotor. Mientras que el vapor sale por los álabes móviles, la presión se va reduciendo, esto se debe a que el espacio entre álabes tiende a variar.
En las turbinas de reacción ocurre un suceso muy similar al que sustenta a los aviones. En ambas caras de un avión existe una clara diferencia en cuanto a la presión (esto acontece por la forma de la misma), que induce a que también haya una diferencia en sus velocidades y, que trae como resultado la diferencia de presiones ya mencionadas.
Gran parte de las veces, los modelos de este tipo de turbina son mixtos, estando formados principalmente por una rueda de acción, seguido de otras de reacción. En este sentido, se puede explicar que las turbinas de menor tamaño corresponden a las de acción, mientras que las de mayor tamaño son mixtas o de reacción. Asimismo, las turbinas de reacción tienden a poseer un mejor rendimiento.
Funcionamiento de las Turbinas de vapor
Las primeras turbinas de vapor que se desarrollaron para la industria, fueron hechas por Laval a mediados del siglo XIX. Estos primeros modelos lo que hacían era aprovechar la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que estaba conformado por una serie de paletas sobrepuestas en la superficie, mientras que el fluido de vapor era acelerado y enviado hacia el Boquerel.
Con el paso de los años, a fin de que el funcionamiento mejorara se tomó la decisión de integrar varios Boquereles a la turbina de vapor, lo que se buscaba era que el rotor estuviera mejor cubierto. No obstante, en ambos modelos, el vapor que salía de la máquina se condensaba en la atmosfera, para poder recuperarlo se diseñó una carcaza para que, de esta forma se redirigiera hacia el condensador.
Al mismo tiempo, también se vio en la necesidad de cambiar la posición de las paletas en el rotor, colocándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial al vapor. Adicional a esto, el Boquerel también fue modificado en cuanto a su forma circular por un arco de corona circular, lo que en la actualidad se denomina alabes de tobera o simplemente estator.
En una misma manera, las paletas del roto hoy en día se le conocen como alabes móviles. Cuando se analiza el primer diseño de turbina de vapor hecho por Laval, se puede apreciar que el principio de funcionamiento fue el empleo de la energía cinética del vapor que actuaba directamente sobre los alabes del rotor.
Partes de la turbina de vapor
Profundizando más acerca de la turbina de vapor, explicaremos de manera detallada todas las partes que componen a esta máquina. A modo de resumen, los elementos fundamentales de la misma son: el rotor, la carcasa y los alabes, pero, hay otros componentes que poseen un alto nivel de importancia que expondremos a continuación.
El rotor
El rotor de una turbina de vapor está construido por acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para que adquiera tenacidad, con un diámetro casi uniforme. Por lo general, las ruedas de los alabes se posicionan bien por el calor emanado del rotor. Sin embargo, también se puede llevar a cabo haciendo una única pieza puesta en el rotor, haciendo las ranuras necesarias para colocar los alabes.
La carcasa
Esta parte de la turbina se puede dividir en dos partes: la parte inferior que se encuentra unida a la bancada y la parte superior que se puede remover para acceder fácilmente al rotor. En ambas secciones se encuentran las coronas fijas de toberas o alabes fijos.
Todas las carcasas de las turbinas de vapor se hacen con el material del hierro, acero o de aleaciones de este, todo esto varia de la temperatura de trabajo. Asimismo, existen lugares de este elemento como la parte de alta presión que son elaborados con materiales con una mejor resistencia que en la parte del escape. La humedad máxima que debe tener este tipo de componente es de 10% para las últimas etapas.
De una misma manera, se encuentra recubierta por una manta aislante, la cual reduce la radiación de calor al exterior, lo que evita que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta misma manta, también se encuentra recubierta por una tela impermeable que tiene el objetivo de evitar la degradación y permite removerla con mayor facilidad.
Alabes
Los alabes fijos y móviles se posicionan dentro de las ranuras que rodean al rotor y a la carcasa. Estos elementos se pueden asegurar por sí solos o en grupos, colocándolos en su posición por medio de un pequeño seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, mientras que los de mayor tamaño se unen a través de alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
Válvula de regulación
Este componente tiene la responsabilidad de regular el caudal de entrada a la turbina, lo que lo convierte en uno de los elementos más fundamentes de una turbina de vapor. Esta válvula funciona hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Es un elemento que también forma parte de lo que se denomina lazos de control, que tiene la tarea de controlar la velocidad de la turbina y otro lazo, que regula la carga o potencia de la turbina.
Cojinetes de apoyo de bancada o radiales
Sobre estos componentes es donde el rotor gira. Están hechos en su mayoría por un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que contribuye a reducir la fricción. Son elementos que se desgastan muy fácil, por lo que deben ser cambiados regularmente, ya sea con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o por observación de su superficie y cambio cuando ya esté en su estado más crítico.
Cojinete de empuje o axial
El cojinete axial, o también llamado de empuje lo que hace es impedir que el rotor se mueva en la dirección del eje. Este elemento no se encuentra en contacto con el eje, si no que tiene contacto con el disco que se encuentra unido al eje.
Este elemento está formado por un material blando y recubierto por una capa de material que reduce la fricción entre el disco y el cojinete, además de estar bien lubricado. Para poder conocer el estado del cojinete, además de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se debe medir de forma regular el desplazamiento axial. Si supera al límite permitido, entonces el sistema de control ocasiona una parada de la turbina o, no permite que se termine su puesta en marcha.
Sistema de extracción de vahos
Por lo general, el sistema de aceite suele estar a una presión inferior a la atmosférica para que la extracción de los vapores de aceite sea más sencillo y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para poder hacer este vacío, el sistema de lubricación en la mayoría de los casos cuenta con un extractor.
Sistema de refrigeración de aceite
El aceite en su recorrido de lubricación se calienta para cambiar su viscosidad así como sus características lubricantes, cuando el calor es muy alto tiende a degradarse. Para evitar esto, el sistema de lubricación posee unos intercambiadores que enfrían el aceite, los cuales pueden ser de aire-aceite. Por medio de esta forma, el calor del aceite se va a la atmósfera, o agua-aceite, haciendo que el calor se distribuya hacia el circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información proporcionada haya sido de gran ayuda. En un mismo sentido, le hacemos la invitación a leer también: Evaporímetro y Rugosímetro