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====== Turbina (de vapor)
Una turbina es un dispositivo rotativo destinado a utilizar la fuerza de un fluido (agua, vapor, aire, gas de combustión), cuyo par es transmitido por medio de un árbol. La energía del fluido, caracterizada por su velocidad y su entalpia, es parcialmente convertida en energía mecánica para arrastrar un alternador, una bomba u otro receptor mecánico rotativo.
===== Historia
La primera turbina de vapor de la que se tiene constatación histórica es la construida por Herode de Alejandria en el año 175 a.J. La siguiente turbina de vapor aparece en 1629, cuando Giovanni Brance experimento con una rueda de agua modificada, dirigiéndole un chorro de vapor. La rueda giró pero no tuvo suficiente de potencia para producir trabajo útil. Hasta finales del siglo XIX, no se encontró ninguna aplicación práctica a la turbina de vapor, y por lo tanto el desarrollo tecnológico de las mismas fue nulo. El primero encontrar un aprovechamiento a la turbina de vapor fue el inventor Laval (1845-1913), quien patentó un desnatadora centrifugo impulsado por una turbina de vapor de acción de una sola etapa. En esta turbina el vapor era impelido a una velocidad supersónica, través de una tobera convergente-divergente, hacia los alabes del rodete de la turbina.
===== Definición y principios generales de funcionamiento
La turbina de vapor es un motor térmico a combustión externa, funcionando según el ciclo termodinámica de Clausius-Rankine. Este ciclo se distingue por el cambio de estado que afecta el fluido-motor que es en general vapor de agua. Este ciclo comprende por lo menos las etapas siguientes:
- El agua líquida es puesta en presión por una bomba y enviada en dirección de la caldera,
- El agua es calentada, vaporizada y recalentada,
- El vapor se descomprimida y se enfría en la turbina realizando energía mecánica,
- El vapor descansado es condensado al contacto de la fuente fría al vacío parcial.
Entonces el principio es el mismo que por una máquina de vapor a pistones. La turbina constituye una evolución que explota las principales ventajas de una turbo-maquina que son:
- Potencia de masa y la potencia volumétrica elevada,
- Rendimiento mejorado por la multiplicación de las etapas de descanso.
===== Realización practica
Una turbina es constituida por un rotor que comprende un eje sobre el cual son fijados albas y de un estator constituido por un cárter que tiene deflectores fijos, generalmente es constituido de dos partes ensambladas según un plan axial. Comprende además un toro segmentado de admisión y de un escape dirigido hacia el condensador. La función de los deflectores fijos es asegurar todo o ida del descanso formando una red de toberas y de modificar la dirección del derrame saliente del piso precedente. Una turbina de vapor comprende uno o varios pisos que aseguran cada uno dos funciones:
- El descanso del vapor que corresponde a la conversión de la energía potencial en energía cinética
- La conversión de la energía cinética en par de rotación de la máquina gracias a albas móviles.
Las turbinas de vapor se clasifican en dos grandes categorías a menudo combinadas en la misma máquina:
- Las turbinas a acción en las cuales el descanso se hace únicamente en las albas fijo. Son bien adaptadas a los pisos a presión fuerte y se prestan mejor a la regulación de flujo. Su construcción es más costosa y reserva su empleo para los primeros pisos de la turbina.
- Las turbinas a reacción en las cuales el descanso es repartido entre las albas fijo y móvil. El grado de reacción es definido por el reparto del descanso entre las albas. Se prestan mejor a los pisos a presión baja y su coste es más débil.
La realización de las turbinas necesita la utilización de aceros fuertemente aliados (Cr-Ni-Va) para resistir a las limitaciones térmicas y mecánicas (fuerza centrífuga) y química (corrosión por el vapor). Las dos primeras limitaciones limitan el diámetro y pues el caudal capaz da las últimas etapas. Así albas de más un metro de longitud ya plantean de problemas importantes de realización. Además, la heterogeneidad radial de las velocidades impone una incidencia variable del alba que presenta entonces una forma izquierda cuya fabricación es compleja. Normalmente la temperatura es limitada a 550 o 580 °C y el máximo realizada es de 650 °C. La presión está aproximadamente de 180 bares y alcanza 250 bares para las instalaciones supercríticas. Es por hecho que las turbinas de potencia fuerte generalmente tienen sobre el mismo eje:
- Una turbina alta presión,
- Varias (2 o 3) turbinas presión baja con trasiegos.
Es tan posible alcanzar potencias de más de 1000 MW con un rendimiento que ligeramente sobrepasa el 40 %. El rendimiento térmico o eficiente térmica del ciclo se definirá como:
η = (trabajo neto producido)/(calor absorbido) =W/Qc=1-Qf/Qc
Las turbinas más pequeñas tienen potencias de algunas decenas de kW. Generalmente comprenden un solo piso y sirven para arrastrar máquinas en la industria o sobre buques. Entre los dos, existe toda una paleta de turbinas más o menos complejas y adaptadas a usos industriales específicos.
===== Limitaciones técnicas y Ventajas
La principal ventaja de las turbinas de vapor es ser un motor a combustión externa. De este hecho, todos los combustibles (gas, fuel-oil, carbón, residuos, calor residual) particularmente los más baratos pueden ser utilizados para alimentarlo en vapor. El rendimiento puede alcanzar valores bastante elevados de donde gastos reducidos de funcionamiento. En cambio, como las instalaciones son caras y la complejidad, son reservadas la mayoría de las veces para instalaciones de potencia elevada para gozar de economías de escala. Excepto de los casos particulares, los motores y las turbinas a gas son mejor adaptados debajo de cerca de 10 MW. El enfriamiento del condensador necesita más de un caudal importante de agua o del aíro-enfriamiento embarazoso, lo que limita su sector de empleo a las instalaciones fijas o navales.
===== Conclusión
La turbina de vapor es una máquina térmica. Las limitaciones inherentes a su diseño les restringen su utilización a las centrales eléctricas de potencia fuerte y las aplicaciones específicas. Como la aeronáutica o todavía las industrias que utilizan el vapor que sale de la turbina. En este caso conseguimos la electricidad barata porque la fuente fría no es despilfarrada en un condensador. Llamamos estas turbinas, “ turbinas a contra presión».
===== Bibliografía
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